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UPS的组成与基本原理


第3章 冗余备份应急电源技术 章
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UPS电源的组成与 电源的组成与 基本原理

MGE UPS SYSTEMS
梅兰日兰电子(中国)有限公司

目录
? 3.1.1.UPS的基础知识 的基础知识
> UPS的定义 的定义 > UPS的主

要作用 的主要作用 > UPS的基本组成 的基本组成

? 3.1.2.UPS的基本运行原理 的基本运行原理
> 正常运行方式 > 电池后备运行方式 > 旁路运行方式 > 维修运行方式

3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的定义 的定义 > UPS是英文 是英文Uninterruptable Power Supply的缩写,中文译 的缩写, 是英文 的缩写 不间断电源” 为“不间断电源”; > 它是能够实现两路电源之间不间断地相互切换的电气装置; 它是能够实现两路电源之间不间断地相互切换的电气装置; > 从严格意义上讲,UPS不是一种电源,它不是依靠能量形式 的转换来提供电能,它只是提供一种两路电源之间无间断 切换的机会,这才是UPS的主要设计思想; > UPS的价格之所以昂贵,就是贵在这种不间断切换的特点上

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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的定义 的定义
> UPS是电力电子技术的产品: 是电力电子技术的产品: 是电力电子技术的产品

以电力为对象,以电子技术为手段实现控制的技术称为电力电子技术 电力电子技术。 电力电子技术 它的主要任务是利用电力和电子器件实现对电能的控制和转换。

– 从1956年第一只可控硅(SCR)诞生之日起,即进入了电 力电子技术的时代。70年代末期由微电子技术与电力晶体 管(GTR)技术相结合,进入了现代电力电子技术 现代电力电子技术的时代。 现代电力电子技术 – 现代电力电子技术应用于所有的电气工程领域,例如:发 电厂的储能设备、直流输电设备、动态无功补偿、电力机 不间断电源、开关电源、中高频 车牵引、变频调速电机、不间断电源 不间断电源 感应电炉、电视、办公自动化、通讯、汽车自动化、家用 电器等等 。
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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的主要作用 的主要作用——为什么要使用 UPS? 的主要作用 为什么要使用 ?
> 随着电子技术的飞速发展,各种各样的用电器越来越多,而这其中的绝 随着电子技术的飞速发展,各种各样的用电器越来越多, 大部分都是非线性负载(Non-Linear Load): 大部分都是非线性负载 :
– 从电网提取电流的波形与电压波形不一致的负载; 从电网提取电流的波形与电压波形不一致的负载; – 阻抗随加在其两端的电压而变化的负载; 阻抗随加在其两端的电压而变化的负载; – 产生谐波电流的负载又称为畸变负载(Deforming Loads)或污染负载(Polluting Load);

> 一方面,这些非线性负载给电网带来了大量的谐波 谐波以及其它的干扰 干扰,使供 谐波 干扰 电的质量越来越坏; > 另一方面,一些重要的用电部门,如机场、医院、银行等和一些重要的用 电设备:如计算机、通讯设备等,对供电质量 供电质量的要求越来越高:不仅要求 供电质量 不停电,还要求电压、频率稳定,还要求波形准确完好。简而言之,需要 有一个干净或净化的电源; > 这就使得负荷 用电器 与电网供电质量之间的矛盾日趋加深,必须解决。 这就使得负荷(用电器 与电网供电质量之间的矛盾日趋加深,必须解决。 用电器)与电网供电质量之间的矛盾日趋加深 > 在诸多的解决电源的方案中,UPS是最好的解决方案。 在诸多的解决电源的方案中, 是最好的解决方案。 是最好的解决方案

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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的主要作用 的主要作用——电网中的骚扰(定义) 电网中的骚扰(定义) 的主要作用 > 骚扰(disturbance):任何可能引起装置、设备或系统性能降 低或对有生命、无生命的物质产生损害作用的现象; > 干扰(interference):由骚扰引起的设备、传输通道或系统性 能下降的现象; 从严格意义上讲,“骚扰”和“干扰”是两个不同的概念: 从严格意义上讲, 骚扰” 干扰”是两个不同的概念: “骚扰 骚扰”是一种客观存在的现象; 骚扰 “干扰 干扰”是一种在“骚扰”作用下,使敏感设备受到影响时的现 干扰 象。
根据GB 4824-1996 的标准词汇,选用 骚扰 一词。 的标准词汇,选用“骚扰 一词。 骚扰”一词 根据

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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的主要作用 的主要作用——电网中的骚扰 的主要作用 > 停电:短时间的、长时间的...
骚扰 停电(Power outages) 停电
间断(Micro-outages) 间断

特征

主要起因

主要后果

电压完全消失 ≤ 10 毫秒。

大气条件、切换、故 运行故障和数据丢失(计算 障、电网施工。 机系统)或生产中断(连续处 理过程)。

停电(Outages) 停电

电压在一个周期以上的完全消失: 大气条件、切换、故 视停电持续时间而定, 机器 - 短时停电:≤ 3 分钟 障、意外事故、电网 停机并危及人身(如电梯), (70% 的停电都小于 1 秒钟) 施工。 数据丢失(如计算机系统)或 - 长时停电:> 3 分钟 生产中断(如连续处理过 程)。

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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的主要作用 的主要作用——电网中的骚扰 的主要作用 > 电压变化:电压跌落、过电压、欠电压、电压尖峰、三相不平衡...

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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的主要作用 的主要作用——电网中的骚扰 的主要作用 > 频率变化:频率波动、过高、过低、闪烁...

骚扰

特征

主要起因

主要后果

频率变化 频率变化(Frequency variations) 变化 频率波动 波动(Frequency 频率的不稳定性。 - 发电机组的调整; 这些变化超出了某些仪表 频率波动 fluctuations) 典型情况为+5%、 6% (10 - 发电机组的运行失调; 和计算机的容限范围(通常 秒钟时间间隔的平均值)。 - 频率不稳定的电源。 为 ± 1%) ,因此可能会导 致数据的错误或丢失。 由于电压和频率(< 35 Hz) 电焊机、电动机、电弧 闪烁(Flicker) 生理骚扰。 的下降造成照明系统的闪 炉、X-光机、激光、电 烁。 容组。

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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的主要作用 的主要作用——电网中的骚扰 的主要作用 > 其它骚扰:高频瞬态冲击、谐波、电磁兼容性...
骚扰 特征 主要起因 主要后果
破坏设备、加速 老化、器件或绝 缘故障。 其它骚扰(Other disturbances) 其它骚扰 高频瞬态(HF transients) 突然、巨大和非常短暂的电 大气现象(雷击)和电网切换。 高频瞬态 压跳变。 类似于电压尖峰。 极短的持续时间 (Short duration) 稍长的持续时间 (Medium duration) 较长的持续时间 (Long duration) 谐波失真(Harmonic 谐波失真 distortion)
< 1 微秒 小型感性负载的起动,低压继电 幅值 < 1 到 2 kV 器和接触器的重复开、关。 频率为几十 MHz 1 微秒到 100 微秒 故障 (闪电)或高压开关的 峰值为额定电压的 8 到 10 倍, 切换通过电磁耦合传输到低压 频 率为几 MHz > 100 微秒 峰值为额定电压的 3 到 5 倍 频率为几百 KHz)。 非线性负载吸收的谐波电流造成

系统。 感性负载停机或高压故障通过 电磁耦合传输到低压系统。

带磁芯的电力机械(电动机、 空载 设备需增容,温度 电流和电压的波形失真。25 次以 变压器,等等)、开关电源、电弧 升高,电容谐振, 毁坏变压器,电动 炉、变频调速器。 上的谐波往往可以忽略不计。
机噪声增大。

电磁兼容性(EMC) 电磁兼容性

电磁或静电的传导或辐射骚 电子部件(晶体管, 可控硅, 二极 敏感性电子装 扰。目标是保证低发射率和 管)的开关、静电释放。 置的功能失常。 高抗扰性。
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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的主要作用 的主要作用——电网中骚扰的解决方案 电网中骚扰的解决方案 的主要作用 电网中骚扰的
> 为了消除这些电网中的干扰,制定有关的供电标准:
–供电标准EN 50160 定义了欧洲配电系统中的如下一些正常波动:电压 +10% 电压 到 -15% (每10分钟间隔的平均有效值),其中每周95%的时间必须在±10%的 范围内; 频率 +4% 到 -6% ,一年中有99.5%的时间在±1%的范围内 – 国家标准《电子计算机场地通用规范》(GB/T-2887-2000)中关于机房供配电 电压: 相数: 要求如下: 频率:50Hz, 电压:380V/220V,相数:三相五线制或三相四 频率:

线制/单相三线制: 线制/单相三线制:
计算机房供电允许变化的范围 级别 项目 电压变化(% 电压变化 % ) 频率变化(Hz) 频率变化

A级 -5~ +5 ~ -0.2~ +0.2 ~

B级 - 10~ +7 ~ -0.5~ +0.5 ~

C级 -15~ +10 ~ -l~ +l ~

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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的主要作用 的主要作用——电网中骚扰的解决方案 电网中骚扰的解决方案 的主要作用 电网中骚扰的
> 为了消除这些电网中的干扰,制定有关的法规,限制用电器对电网造成 的扰动,规定用电器给公共电网带来的干扰限值:
–国际电工委员会制定的标准IEC1000-3-2, –欧洲标准EN60555-2, –瑞士标准ASE3600, –美国标准IEEE519; –以及国家标准GB 12326-90(电能质量-电压允许波动和闪变)、GB/T 14549

-93 (电能质量-公用电网谐波)等。

> 人们用了多年的时间来寻找各种解决办法最后才创造出UPS这样的新型设 备, 使电网和用电器进行隔离, 既避免负载对电网产生干扰, 又避免电 网中的干扰进入和影响负载。

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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的主要作用 的主要作用——电网中的骚扰,各种电气装置解决方案的比较 电网中的骚扰, 的主要作用 电网中的骚扰
隔离变 电源净 调谐滤 动态机 铁磁共 稳压器 化器 压器 波器 组 振 UPS 噪声 电压变化 频率变化 瞬间间断 断电 谐波 后备时间 无 * * * * * * * 有 * * * * * * * * * 电力 UPS * * * * * *

在众多的解决方案中,只有UPS的抗电网干扰的功能 最全面、性能最好,因而得到各个领域的广泛应用。
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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的主要作用 的主要作用
1.两路电源之间的无间断相互切换; 两路电源之间的无间断相互切换; 两路电源之间的无间断相互切换

第二路供电 第一路供电

一类供电 三类供电 UPS 输出

2.隔离作用:将瞬间间断、谐波、电压波动、频率波动以及电压噪声等电 隔离作用: 隔离作用 网干扰阻挡在负载之前,即使负载对电网不产生干扰,又使电网中的干 扰不影响负载;

输入

整流器

直流

逆变器

输出

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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的主要作用 的主要作用
3.电压变换作用:输入电压等于或不等于输出电压,如380V/380V, 电压变换作用:输入电压等于或不等于输出电压, 电压变换作用 , 380V/220V,包括稳压作用; ,包括稳压作用;

220Vac (稳压作用) 220Vac UPS 230Vac 240Vac

4.频率变换作用:输入频率等于或不等于输出频率,如50Hz/50Hz, 频率变换作用: 频率变换作用 50Hz/60Hz,包括稳频作用;

50Hz(稳频作用) 50Hz UPS 60Hz(频率变换)

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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的主要作用 的主要作用
5.提供一定的后备时间:UPS的电池贮存一定的能量,在电网停电或 提供一定的后备时间: 的电池贮存一定的能量, 提供一定的后备时间 的电池贮存一定的能量 间断时继续供电一段时间来保护负载;后备时间为10分钟 分钟、 分钟 分钟、 间断时继续供电一段时间来保护负载;后备时间为 分钟、30分钟、 60分钟或更长。 分钟或更长。 分钟或更长

输入

整流器

直流

逆变器

输出

电池

1)和5)是保证对负载供电的连续性; 和 是保证对负载供电的连续性; 是保证对负载供电的连续性 2)、3)和4)是保证对负载供电的质量。 是保证对负载供电的质量 、 和 是保证对负载供电的质量。

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去 去 去去 去 去去

3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识

? UPS的基本组成 的基本组成
去 如 去去去

监控PC机
旁 如旁 旁 旁 旁

(13)

(14)

通 通 板
(5)

modem 板

维修旁路 静静 开开 负 负

(10)

如 如如 如 如 如如如

(7)

(4) (11) (6) (8)

市电 电网

FAH
(12) (15)

正 正旁 旁旁旁

(1) 整流器

(2) 逆变器 (9) (3) 电池 (16)

输入配电 和保护开 关

滤波 器选 件

充电器

旁 输输 如 和 和开 和 开
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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的基本组成-(1)整流器 充电器 的基本组成- 整流器 整流器/充电器 的基本组成 > 将主交流输入电源的交流电压转换成直流电压的变换器。 将主交流输入电源的交流电压转换成直流电压的变换器。 用于: 用于:
– 为逆变器提供电源; 为逆变器提供电源; – 对电池进行充电和浮充电。 对电池进行充电和浮充电。

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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的基本组成-(2)逆变器 的基本组成- 逆变器 的基本组成 > 将直流电压转换成满足严格要求的交流电压的转换器 。 直流电 将直流电压转换成满足严格要求的交流电压的转换器。 压
– 正常情况下来自整流器; 正常情况下来自整流器; – 后备期间来自电池。 后备期间来自电池。

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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的基本组成-(3)电池 的基本组成- 电池 的基本组成 > 在市电电网发生下列情况时使UPS继续运行: 市电电网发生下列情况 下列情况时 继续运行 继续运行:
– 市电电网断电; 市电电网断电; 电网断电 – 电网电力的指标超出了UPS允许的容限范围。 电网电力的指标超出了 允许的容限范围。 的容限范围

> 标准的电池后备时间是从10分钟到30分钟,并且根据需要延长。 > 根据后备时间的不同,电池可装在UPS机柜内或分开的柜体内。

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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的基本组成-(4)静态开关 的基本组成- 静态开关 的基本组成 > 用于将负载从逆变器切换到旁路,并且在切换时对负载的供电 用于将负载从逆变器切换到旁路, 没有任何中断( 没有任何中断(因为切换动作是由电子元件而不是机械元件完 成的)。 成的)。
> 以下的任意一种原因都可能导致切换: 以下的任意一种原因都可能导致切换: – UPS自行关机; 自行关机; – 超越逆变器容量上限的过载; 超越逆变器容量上限的过载; – 内部故障。 内部故障。

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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的基本组成-(5)手动维修旁路开关 的基本组成- 手动维修旁路开关 的基本组成
> 用于在维护时将负载切换到旁路。 用于在维护时将负载切换到旁路。 > 转换到旁路方式运行不会导致对负载供电的中断,因为转换是通过 转换到旁路方式运行不会导致对负载供电的中断, 静态开关进行的。 静态开关进行的。

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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的基本组成-(6)市电输入开关、 的基本组成- 市电输入开关 市电输入开关、 的基本组成
(7)静态旁路输入开关、 静态旁路输入开关、 静态旁路输入开关 (8)逆变器输出开关和 逆变器输出开关和 (9) 电池断路器

> 这些置于 这些置于UPS内的装置在维护期间隔离各种组件; 内的装置在维护期间隔离各种组件 内的装置在维护期间隔离各种组件; > 电池短路器 提 供 电池过放电保护 、 保护整流 器 /充电器和逆变器免 充电器和逆变器免 受电池短路的影响。 受电池短路的影响。

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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的基本组成 的基本组成
(10)旁路输入隔离变压器 选件 旁路输入隔离变压器(选件 旁路输入隔离变压器 选件) > 当负载由旁路供电时提供 当负载由旁路供电时提供UPS输入 输出的电气隔离; 输入/输出的电气隔离 输入 输出的电气隔离; (11) 电压匹配变压器 选件 电压匹配变压器(选件 选件) > 将电压调节至所需的值。 将电压调节至所需的值。 (12)输入谐波滤波器 选件 输入谐波滤波器(选件 输入谐波滤波器 选件) > 在主电源输入端,有可能需要在整流器安装谐波滤波器; 主电源输入端 有可能需要在整流器安装谐波滤波器; 输入端, > 目的是消除反送回配电系统的谐波电流:谐波电流是由整流器中的二极 目的是消除反送回配电系统的谐波电流: 配电系统的谐波电流 管或可控硅的开关作用产生的,它是产生电压失真度的原因之一; 可控硅的开关作用产生的 电压失真度的原因之一 管或可控硅的开关作用产生的,它是产生电压失真度的原因之一; > 安装谐波滤波器可以降低配电总线中的电压失真度。将THDU (总谐波电 安装谐波滤波器可以降低配电总线中的电压失真度 配电总线 总谐波电 压失真度)控制在允许的水平 控制在允许的水平内 压失真度 控制在允许的水平内;

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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的基本组成-(13)内置通信接口板 的基本组成- 内置通信接口板 的基本组成
(14)调制解调器接口 调制解调器接口 > 除了需要友好的人 机界面对 除了需要友好的人-机界面对 机界面对UPS实行有效的监控之外,UPS与其外部电力和计算环 实行有效的监控之外, 实行有效的监控之外 与其外部电力和计算环 境(监控系统,楼宇和能源管理(BEM)系统 通讯的也变得越来越重要; 监控系统,楼宇和能源管理 系统)通讯的也变得越来越重要; 监控系统 系统 通讯的也变得越来越重要 > 梅兰日兰的 梅兰日兰的UPS内置了全面的通讯功能,标准机型配备以下装置: 内置了全面的通讯功能 内置了全面的通讯功能,标准机型配备以下装置: 机界面: – 带有图象显示和模拟图形面板的友好的人/机界面:该界面是围绕自监控系统 不同部件的状态;例如: 和自检测系统建立的, 和自检测系统建立的,能持续地指示UPS不同部件的状态;例如: – 电池监控系统具有全面的电池管理功能,可连续地监控电池的状态; – 温度监测系统监测电池温度; – 电池保护系统能够迅速地探测和定位电池的故障; – 内置的与环境的通讯接口,包括: 内置的与环境的通讯接口,包括: – 干接点; – RS 232 ASCII; – 使用SNMP协议的以太网卡; – JBUS RS485; – 用于Teleservice(远程服务)的调制解调器。 > 这些接口允许用户通过一台 用监控软件 如Monitor-Pac软件 或楼宇能源管理系 这些接口允许用户通过一台PC用监控软件 接口允许用户通过一台 用监控软件(如 软件)或楼宇能源管理系 软件 统来远程控制各种设备、或者享受远程服务的优越性,等等。 各种设备 统来远程控制各种设备、或者享受远程服务的优越性,等等。 > 它们还允许网管员管理整组的UPS(例如 它们还允许网管员管理整组的 例如Management-Pac软件 或者在电池电力终止 软件)或者在电池电力终止 例如 软件 之前自动执行电脑系统的关机操作(例如 例如Solution-Pac软件 。 软件)。 之前自动执行电脑系统的关机操作 例如 软件
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3.1.1 UPS的基础知识 的基础知识
? UPS的基本组成-(15)输入配电柜和保护 选件 、 的基本组成- 输入配电柜和保护 选件)、 输入配电柜和保护(选件 的基本组成
(16)输出配电柜和保护 选件 输出配电柜和保护(选件 输出配电柜和保护 选件) > 以下设备可以随UPS一起提供: 以下设备可以随 一 提供: – 通过在交流输入回路使用断路器提供低压保护。对于某些系列 通过在交流输入回路使用断路器提供低压保护。对于某些系列 回路使用断路器提供低压保护 某些

的UPS来说,这种保护措施可以作为选件集成在UPS中; 来说, – 在低压配电柜中安装断路器以保护UPS的交流输入(正常交流 在低压配电柜中安装断 配电柜中安装 正常交流 输入及旁路交流输入); 输入及旁路交流输入 及旁路 – 在低压配电柜中安装断路器以保护不同的输出回路以避免故障 在低压配电柜中安装断路器以保护不同的输出回 配电柜中安装断路器以保护不同的输出 的扩散和传播; 的扩散和传播;

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3.1.2 UPS的基本运行原理 的基本运行原理
? 正常运行方式
– 正常运行方式:提供给负 载的所有电力都经过整流/

充电器和逆变器的双重转 换(AC-DC-AC),双转换 模式因此而得名。整流器/ 充电器对电池进行浮充电 以保持电池处于满充状态。

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3.1.2 UPS的基本运行原理 的基本运行原理
? 电池后备运行方式
– 市电停电或超限、电池放

电工作方式:当交流输入 电压超出UPS允许的容限 范围或市电中断时,逆变 器和电池无间断地投入, 继续为负载供电。UPS将 持续运行直到电池放电时 间终止,或在市电恢复正 常时回到正常运行方式。

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3.1.2 UPS的基本运行原理 的基本运行原理
? 恢复充电运行方式
– 市电恢复正常(充电)工作

方式:提供给负载的电 力都经过整流/充电器和 逆变器的双重转换,同 时整流器/充电器开始给 电池进行恢复性充电。

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3.1.2 UPS的基本运行原理 的基本运行原理
? 旁路运行方式
当停止逆变器时,负载 当停止逆变器时, 可以无间断地切换到旁 路交流输入(根据安装方 式的不同由市电或后备 式的不同由市电或后备 市电 电源供电),引起旁路运 电源供电) 行的原因可能是: 行的原因可能是:
– UPS内部故障; – 负载电流瞬变电流尖峰(冲

击电流或故障电流); – 人为停止逆变器。

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3.1.2 UPS的基本运行原理 的基本运行原理
? 维修运行方式
– UPS维修时,通过手动的方

式将负载无间断地切换到维 修旁路,这样可以将UPS的 内部进行隔离,在不中断负 载的运行的情况下对UPS进 行维护和维修。 – 整流器/充电器,逆变器和 静态开关被关闭并从主电源 隔离出来。电池被其保护性 断路器隔离。

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