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UPS01-UPS基础知识(V1.0) (2)


UPS基础知识
UPS基础知识

主要内容
一. 二. 三. 四. 五. 六.

UPS概述 UPS 原理 UPS分类

UPS 术语及重要参数
UPS 高可靠性的供电方案 UPS技术发展趋势

UPS 基础培训

一、UPS 概 述

一、UPS 概述

? ? ?

什么是UPS 为什么使用UPS

UPS的功能

UPS系统结构
UPS - Uninterruptible Power System
利用电池化学能作为后备能量,在市电断电等电网故障 时,不间断地为用户设备提供(交流)电能的一种能量转换 装置。

UPS主机 市电或燃油发电机 蓄电池 用户设备

什么是UPS
电 源:
利用电能变换技术将市电或电池

第一次电能转换成适合各种用电对象
的二次电能的系统或装置。
电能变换体现:变压、调压、整流、滤波、稳定、变换 电能变换技术:线性稳压、相控、变频、PWM、SPWM

为您重要的设备 提供灵活且完善 的电源保护

、软开关PWM、移项谐振、无功补偿、功率因素校正等

UPS:
一种可以提供两个以上供电线路 的设备,当主要供电失效时,可以切

换至备份的供电路径。

什么是UPS -UPS系统组成
一个完备的UPS系统,是由UPS主机、电池、市电(发电机)、后台监控 或网络监控软/硬件等单元共同组成的。
监控平台

计算机 网线

网络总线 电源线 通讯线

市电

网线

柴油机

UPS

计算机

监控平台

电源线

一、UPS概述
什么是UPS
为什么使用UPS UPS的功能

? ? ?

为什么需要UPS
?网络时代需要不间断的电力供应
电源中断--给用户造成各种经济损失!
1,数据丢失,通信中断,商机延误......

—— 直接损失以每分钟5000-100000元计 2,设备停运,仪表失灵,手术中断......
—— 间接经济损失无法估量

为什么用UPS?-电网问题
波形下限 电压浪涌

市电断电
谐波失真 频率漂移

电网
瞬态尖峰

电线噪声

……

为什么用UPS?-电网问题
电网问题 市电断电 电压浪涌 引发原因 停电、空气开关跳闸 大型设备关闭或雷击引起 现象 零电压持续2个周波以上 电压高于110%额定值,持 续一个或多个周波 电压低于80-85%额定值, 持续一个或多个周波 电压峰值高达6000V,持续 时间一般为0.5-5个周波

波形下陷
瞬态尖峰 谐波干扰

大型设备突然启动、电网切换
闪电、电子开关工作,电焊 电动机、电焊机、广播通信设 备、无线通信设备、微波设备

频率漂移

小水电,发电机

为什么需要UPS
?信息社会中各行各业使用的精密设备随时会 受到电源污染的危害 电源污染--严重影响信息设备安全和运行效率!
瞬态尖峰、 —— 造成服务器、计算机、路由器、 电源浪涌、 磁盘阵列等设备硬件损坏 高压脉冲、

谐波污染 线间噪声 频率漂移

—— 造成莫名其妙“死机”、网络传输 误 码率大增,数据传输速度低下

为什么用UPS?-电网问题对设备的危害
?电源中断、电压波动、瞬态尖峰、电源浪涌、高压脉冲
—— 造成服务器、路由器、磁盘阵列等精密设备数据

丢失、设备损坏、死机、停止工作等。
?谐波污染、线间噪声、频率漂移

—— 造成网络传输误码率大增,数据传输速度低下

等。

一、UPS 概述

? ? ?

什么是UPS 为什么使用UPS

UPS的功能

UPS 基础培训

二、UPS 原 理

UPS 电源基本功能 UPS的四大功能
1、 不停电功能 2、 交流稳压功能 3、 净化功能 4、 管理功能 解决电网停电问题 解决网压剧烈波动问题 解决电网与电源污染问题 解决交流动力维护问题

二、UPS 原理

? ? ? ?

常见四种架构UPS原理 在线式UPS工作模式

UPS主要模块功能介绍
常见大型UPS原理架构

后备式UPS的基本原理(一)

功率等级0.25-3KVA左右
220±4%~±10%V

市电
175~264V

负载

充电器

逆变器

电池组

后备式UPS的基本原理(二)
- 市电正常时,它向负载提供的是抽头变压器稍 加稳压处理的“低质量”交流电,逆变器不工 作,蓄电池由独立的充电器充电。 - 当市电超出规定范围时,负载由继电器转为电

池逆变供电。

互动式UPS的基本原理(一)
功率等级0.7-20KVA左右
264~276V 降压绕组 150~175V 升压绕组

市电

低通滤波器

175~264V

负载

逆变器/充电器

电池组

互动式UPS的基本原理(二)
在线互动UPS与后备式比,主要区别在于:逆变器与

充电器合二为一,输出通过变压器的抽头跳变,实现分
段稳压。

Dalta 变换UPS的基本原理(一)
功率等级10-480KVA左右

220±4%~±10%V

市电
补偿变压器 175~264V

负载

Delta变换器

主变换器

电池组

Dalta 变换UPS的基本原理(二)
- 市电正常时,85%能量有市电直接提供,15%能

量有一个逆变器提供,
- 当市电异常时,100%能量有电池提供。 - 无法解决市电上的谐波污染,比如:频率 异常、浪涌、噪声等,将直接输入到重要负载。
AC 3 phase input AC AC
Main inverter

AC

3 phase output

AC DC
Delta inverter Battery

AC DC
Battery

Neutral

Neutral

在线式UPS的基本原理(一)
功率等级0.7-1500KVA左右
维修开关

旁路输入空开

1
市电输入空开

2
逆变
切换开关

输入EMI
市电

整流

输出EMI

负载

3 4
充电器 电池组

在线式UPS的基本原理(二)
不管电网电压是否正常,输出交流电压都要经过

逆变器,即逆变器始终处于工作状态。
Q3BP 旁输 路入 主输 路入 Q1 Q2 静态开关
TR2

~

REC

KM

~ INV

Q5 静态开关

UPS输 出

蓄电池

四种架构UPS性能对比

在线式 市电模式下 逆变器状态

Dalta变换

互动式

后备式

工作 最高

85%能量直接市电 提供, 较高,无法解决电 网谐波污染等问题

热备 中等
(不停电、 近似稳压功能)

不工作 低
(仅近似 不停电功能)

输出电源质量

(不停电、稳压、 净化功能)

切换时间 功率范围 成本

零 >1 kVA 高

零 10KVA 较高

4ms左右 0.5-5 kVA 中等

5ms-12ms <1 kVA 较低

二、UPS 原理

? ? ? ?

常见四种架构UPS原理 在线式UPS工作模式

UPS主要模块功能介绍
常见大型UPS原理架构

市电逆变工作模式:
在主路市电正常时,UPS一方面通过整流器、逆变器给负载 在线提供高品质交流电源;另一方面通过整流器为电池充电,将 能量储存在电池中 ,如图:

Bypass Mains

~

-

-

~

output

电池逆变工作模式:
当主路市电掉电或不正常时,系统自动无间断地切换到电池 工作模式,由电池逆变出用户所需的三相四线交流电源向负载供 电。市电恢复后系统自动无间断地恢复到正常工作模式 ,如图:

Bypass Mains

~

-

-

~

output

静态旁路工作模式:
旁路工作方式有两种,一种能自动恢复到正常工作模式;另 一种需人工干预才能回到正常工作模式。 在逆变器过载延时时间到、逆变器受大负载冲击等情况下,系统 自动无间断切换到静态旁路电源向负载供电。 在UPS恢复正常后 ,系统自动恢复正常供电方式。 当用户关机,或主路市电掉电(或不正常)且电池储能耗尽 ,或发生严重故障等情况下,逆变器关闭,系统会停留在旁路工 作模式。此后若需恢复到正常工作模式,则需要用户重新开机, 如图:
Bypass Mains

~

-

-

~

output

维修工作模式:
需要对UPS电源及电池等进行全面检修或设备故障需维修时 ,可以通过闭合维护开关Q3BP,将负载转向维修旁路直接供电, 以实现对UPS不停电维护。维修需要断开UPS内部的主路、旁路输 入电源和电池输入开关以及输出开关,实现UPS内部不带电而对负 载仍然维持供电的维修工作模式,如图:

Bypass Mains

~

-

-

~

output

二、UPS 原理

? ? ? ?

常见四种架构UPS原理 在线式UPS工作模式

UPS主要模块功能介绍
常见大型UPS原理架构

整流器(一):
?

功能

– 将市电AC电源转换成稳定的DC电源(直流稳压电源)
– 输送足够能量供给逆变器带负载和给电池充电。 – 缓启动/功率爬升。
?

主要组成
– 整流桥 中/小容量UPS采用二极管、IGBT、双向SCR 中/大容量UPS采用SCR 、IGBT – DC滤波电容 – PFC功率因数校正电路

逆变器(一):
功能: 把整流器或电池送来的DC电源变换成电压稳定(额定值±1%) ,频率稳定(额定值±1-2%,本机振荡精度可达额定值±0.05%) ,谐波含量少(THD<5%,在峰值因数为3:1),干净的再生正弦 波AC电源供给负载。允许DCV变化范围:320V-490V。 组成: - - - - IGBT三相逆变桥 AC输出滤波电容 输出变压器 控制逻辑电路

静态开关(一):
功能
- 在发生以下情况时,无中断地(同步)把负载电源转接 到旁路电源:UPS输出端发生过载、甚至短路、逆变器 故障(包括过温,超/欠压) - 具有比逆变器更强过载能力(100%可达200ms)

组成
- 用SCR做成无触点开关,在旁路和逆变器侧各有一组。

- 正因为无触点,开关速度快,从而保证转换无中断,
不会产生因电弧引起的高频干扰,影响负载运行。

手动维修旁路
功能:

为在不中断负载电源情况下,检修UPS。
辅助触点发出信号,禁止逆变器启动。 组成: 加锁的手动开关。 控制:

手动控制、严格按操作步骤,把负载从逆变器供电
转到手动维修旁路及恢复逆变器供电。

电池(一)
功能:

当市电中断或超限时,供给逆变器能量(DC电源)
保证负载电源不会中断。 组成: 阀控铅酸电池(VRLA)——全密封免维护电池。 电池柜或电池架

电池开关
安装在电池柜内或电池房内温度传感器

电池选配

– 功率算法

根据每2伏单元放电功率计算电池容量(AH) P*1000*cosφ W= -------------η·N * 6 式中:P-UPS容量(VA)

W-每2伏单元之提供的功率(W)
η-UPS效率(一般可取0.9) Cosφ-UPS输出功率因数(一般取0.8)

N-一组电池中电池数量(此处为12V电池)
注:若2V电池则N*1 6V电池则N*3

电池选配
? ? ? ?

– 功率算法

放电终止电压一般取1.67V 根据客户要求电池支持时间查表,决定电池型号及组数 如查表结果组数过多(>3),则考虑大容量电池。 上述计算公司是按UPS满载考虑,可视客户情况,按80%负载计算 (可降低容量或组数)

例:7200/30KVA UPS,客户要求支持m分钟
计算W 30*1000*0.8 W= -------------- = 138(W) 0.9*32*6 查表:大力神UPS12-225电池(75AH),当终止电压为1.67V时,30分钟可以 提供161W功率,故选一组(32只)则可达到要求。

电池选配
?

– 电流算法

根据最大放电电流计算电池容量(AH) 最大放电电流 P*1000*cosφ Imax = -------------η·Vend 式中:Imax——最大放电电流(A) P——UPS额定容量(KVA) cosφ——UPS输出功率因数(一般取0.8) η——UPS效率(一般取0.9) Vend——该型号UPS放电终止电压(V)

电池选配
? ?

– 电流算法

查放电曲线确定电池放电率 计算所需电池容量 电池容量(AH)=K*电池最大放电电流*放电时间 其中,K为调整系数,如下表:
用 户 要 求 的 0.5 放电时间 25 ℃ 时 的 系 2.86 数 1 2 2 1.64 3 1.34 4 1.26 5 1.20 6 1.12 8 1.07 9 1.03 10 1

例:7200/30KVA UPS 电池支持时间1小时的电池容量计算。 30*1000*0.8 Imax = -------------- =83.33(A) 0.9*32*10 从曲线上查得调整系数为2 : 电池容量(AH)= 83.33*2*1 =176(AH)≈200AH

二、UPS 原理

? ? ? ?

常见四种架构UPS原理 在线式UPS工作模式

UPS主要模块功能介绍
常见大型UPS原理架构

传统SCR整流UPS(工频)
优点:输入输出隔离、电网扰动不会影响负载、电池直接挂在母线上 缺点:体积大,重量大、成本高、输入谐波电流大、污染电网

旁路输入

主路输入

输出

无隔离三相UPS(高频机)
优点:功率因数高、谐波电流小、输入特性好、体积小、重量轻

缺点:输入输出不隔离、电网的扰动对负载有影响;不可带半波 整流非对称性负载

旁路输入

主路输入

输出

高频整流UPS(工频)
优点:输入输出隔离 、供电质量好、输入特性好、功率因数>0.99、 谐波电流<3%、负载适应能力强 缺点:成本高、体积较大、 重量较重

旁路输入

主路输入

输出

UPS 基础培训

三、UPS 分类

UPS 分类
按工作原理不同,UPS分为: 离线式(后备式UPS、互动式UPS) 在线式UPS
按供电体系不同,UPS分为: 单进单出UPS 三进单出UPS 三进三出UPS 按输出功率不同,UPS分为: 小功率(<10kVA) 中等功率(10至30kVA) 大功率(>30kVA)

UPS 分类
按电池位置不同,UPS分为:
电池内置式UPS(标准机型) 电池外置式UPS(长延时机型)

按多机运行方式不同,UPS分为:
串联热备份UPS(用于中小功率机器) 直接并联UPS (用于中大功率) 双母线并联UPS (用于中大功率)

UPS 分类
按变压器特点不同,UPS分为:
高频UPS(高频机) 工频UPS(工频机)

按输出波形不同,UPS分为:
方波输出UPS 阶梯波(准正弦波)UPS 正弦波输出UPS

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四、UPS 基本术语和指标

UPS 基本术语 1

UPS 基本术语2
主路输入电源:Input Main Supply

静态旁路输入电源:Static Bypass Main Supply
维修旁路: Maintenance Bypass 隔离开关: Isolator

断路器:Circuit Breaker
整流器:Rectifier 逆变器:Inverter

直流母线: DC Bus

UPS 基本术语 3
后备时间: Autonomy Time

紧急停机: Emergency Stop
逆变不同步:INV Unsynchronized 单个UPS : UPS Module

冗余并机: Redundant Parallel
增容并机: Capacity Parallel

UPS 基本技术指标1 (以UL33为例)

UPS 基本技术指标2 (以UL33为例)

UPS 基本技术指标3 (以UL33为例)

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五、UPS 高可靠性的供电方案

方案一:主从机串联“热备份”方案
适用范围:中小功率机型 优点: 价格便宜,安装方式简单可靠。

缺点: 从机电池寿命缩短。
对单机抗阶跃负载能力要求高。 没有扩容能力。
主路 市电
AC/DC----DC/AC

负载

旁路

AC/DC----DC/AC

从机

从机输出

方案二:直接并机型冗余供电
适用范围:大功率机型 优点: 多台UPS平均分摊负载、可靠性高。 缺点: 控制电路复杂。成本高。 形式较多:直接并机(N+1)、并机柜方式(并机旁路柜) 、导航型方式、热同步方式。
主机 市电
AC/DC----DC/AC

负载

并机逻辑控制

从机
AC/DC----DC/AC

从机输出

方案二:直接并机型冗余供电
并联的目的
1、可以组成很大容量的交流电源系统; 2、可以组成冗余系统以提高系统的可靠性; 3、可以灵活配置系统的容量,便于扩容,并降低用户的初始投资; 4、系统具有很好的可维护性

并联的基本条件:除并机系统各单机必须满足机型和容量相同,软件
和硬件版本需一致外,还需满足以下条件:

?电压幅值相等

输出滤波器参数一致

?电压频率一致
?电压相位一致 ?均流一致

控制系统稳定

方案二:直接并机型冗余供电
冗余并机
UPS 1

扩容并机

.

UPS 1
UPS N 负载 ( N-1 )× Po < Pmax <= N× Po UPS N+1

.

负载
(N-1 )× Po < Pmax <= N× Po

.

UPS N

UPS N+X

方案三:双母线供电
双母线供电:
~
BCB

~ ~

~

优点:
- 解决单母线运行方式存在 的单点“瓶颈”问题。

UPS1

UPS2

- 系统稳定性、可靠性高
- 维修方便
母线二

母线一

缺点: - 系统配置负杂 - 成本高

一般负载

电子切换开关 重要负载

方案三:双母线供电
UPS AC PPC

TVSS 电池

母线一
STS 单电源 负载 双电源 负载

LBS
UPS

TVSS 电池

母线二
AC PPC

方案四:集中与分散供电
集中供电方式:

优点:可以实现网络设备资源的等电位控制,减小 传输误码率。
缺点:初期投资大,单机故障影响大。

分散供电方式: 优点:方案布置灵活,故障影响小。 缺点:如整个设备不能保持同地线,易引发干扰。

UPS 基础培训

六、 UPS技术发展趋势

UPS技术发展趋势
1、数字控制技术
?数字信号处理器(DSP)控制技术
?单片机控制技术

2、高频开关技术
?新型电力电子器件的应用技术 ?新型UPS电路拓朴

3、绿色电源技术
?功率因数校正(PFC)技术 ?电磁兼容(EMC)技术

UPS技术发展趋势
4、电池管理技术
?均浮充转换 ?温度补偿 ?放电终止电压自动调节

5、UPS冗余技术
?热备份技术 ?双母线并联技术 ?交流并联技术

6、UPS监控技术
?大量UPS的安全监控 ?多协议、跨平台应用 ?人机界面友好


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