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直流系统


直流系统

直流系统


直流系统的作用及组成 充电装置

二 三

蓄电池组 UPS不间断电源



一、直流系统的作用及组成
(一)直流系统的作用
直流系统是给信号及远动设备、保护及自动装 置、事故照明、断路器(隔离开关)分合闸操作 提供直流电源的电源设备。 直流系统是一个独立的电源,在外部交流电中 断的情况下,由后备电源—蓄电池继续提供直流 电源,保障系统设备正常运行。 直流系统的用电负荷极为重要,对供电的可靠 性要求很高。直流系统的可靠性是保障厂用电 (站用电)安全运行的决定性条件之一。

各种用电设备(包括继电保护及自动装 置、断路器分合闸、载波通信、事故照明等) 的工作都离不开直流电源。在系统发生故障, 厂(站)用电中断的情况下,如果直流电源 系统不能可靠地为工作设备提供直流工作电 源,将会产生不可估计的损失。

因此,有人把直流设备比喻为发电厂 (变电站)的心脏。

(二)基本概念
1、直流母线:直流电源屏内的正、负极主母 线。 2、合闸母线:直流电源屏内供断路器合闸机 构等动力负荷的直流母线。 3、控制母线:直流电源屏内供保护及自动控 制装置、控制信号回路等的直流母线。 4、直流馈线:直流馈线屏至直流小母线和直 流分电屏的直流电源电缆。

合闸母线与控制母线的区别
1、控制母线提供持续的,较小负荷的 直流电源;而合闸母线提供瞬时较大的电源, 平时无负荷电流。在合闸时电流较大,会造 成母线电压的短时下降。

2、控母电压一般为220V,合母电压稍 高一些,为240V。

?为什么不用交流电源呢? ?直流电源与交流电源相比, 优势在哪里?

? 1、输出电压稳定。 ? 2、单个直流屏有二路交流输入(自动 切换),加上蓄电池,相当于有三个 电源供电,供电稳定。 ? 3、假如用交流电源,当系统发生短路 故障,电压会因短路而降低,使二次 控制电压也降低,严重时会因电压低 而使断路器跳不开!

(三)对直流系统的要求
直流系统可靠性的要求很高,为使其满足这样 要求,必须做到以下几点: 1、合理选择直流系统的额定电压。

220V直流系统 110V直流系统 48V直流系统

1) —48V系统:

正极接地,负极为—48V。 主要用于通讯系统设备。 电压低,容量小,电缆短,要求电缆截 面积小。 蓄电池个数少,占地面积小,经济。 抗干扰能力差,带负载能力弱。

使用-48V电源是历史原因造成的。 使用最早的通讯网是电话网,话机是由 电讯局供电的,选48V是在当时的条件下 尽可能提高用户到端局的距离(36V是安 全电压,超过太多不安全)。后来为了 兼容早期设备、降低成本考虑,局端通 讯设备还是用-48V电源。

? 正极接地主要是为了防止电极的腐蚀。减少由 于继电器或电缆金属外皮绝缘不良时产生的电 蚀作用,使继电器和电缆金属外皮受到损坏。 ? 在电蚀时,金属离子在化学反应下是由正 极向负极移动的。继电器线圈和铁芯之间的绝 缘不良,就有小电流流过,电池组负极接地时 ,线圈的导线有可能蚀断。反之,如电池组正 极接地,虽然铁芯也会受到电蚀,但线圈的导 线不会腐蚀,铁芯的质量较大,不会招致可察 觉的后果。正极接地也可以使外线电缆的芯线 在绝缘不良时免受腐蚀。

2) 110V系统:

A、110V直流系统要求绝缘水平较低,从而提高

了运行的安全性。
B、110V系统直流网络较小,接地几率相对220V

的直流网络要小,提高了控制系统的可靠性。
C、110V蓄电池个数少,占地面积小,比用220V 的安装和维护工作简单。

3)、

220V系统:

A、 所带设备多,负荷功率较大,供电距离较长,采 用110V电压时,电缆截面较大,投资增加,通过技术 经济比较,采用220V较好。 B、220V直流电源对变电站的事故照明比较有利,接线 简单。因为通常我国照明电压采用220V,如果使用 110V直流系统事故照明备用电源时,需要采用逆变装 置或其它办法来解决事故照明的供电问题,较为复杂

2、选择的蓄电池容量必须满足要求。 满足全站事故停电时,直流电源负荷、最 大冲击负荷及1h事故照明等用电需要;且能保 证直流母线电压在规定的额定值(正常运行时,

操作电源母线电压波动范围小于5%额定值;事
故时操作电源母线电压不低于90%额定值;失

去浮充电源后,在最大负载下的直流电压不低于
80%额定值),波纹系数小于5%。

3、充电设备稳定可靠,各项功能与技术指标满足 要求。

4、有合理的直流系统接线,该接线要方便于运行
与维修,最主要是对整个直流系统与控制系统及保

护装置的运行最为可靠。
5、直流系统对蓄电池、充电机及系统的运行情况

要有完善的检测功能,当任何一部分发生异常时要
发出就地告警信号及通过监控系统向远方的集控中

心发出告警信息。

(四)运行规定
1、电压规定 ①220V直流母线电压应经常保持在220V±5V的 范围内。 ②蓄电池应经常处于浮充电状态,端电压通常 应在2.23V/单体。 2、温度规定 ①正常状况下,蓄电池温度应在15℃~25℃之 间。最高不得超过30℃,最低不得低于10℃。 ②在大充电时,蓄电池电解液温度不得超过 35℃~45℃。否 则,应降低充电电压或停止充电。 ③蓄电池室室温应保持在15℃~25℃为宜。

(五)直流系统的基本组成 直流系统主要有充电屏、蓄电池(屏)、 馈线屏及监测系统等部分组成。

直流系统

蓄电池组

充电屏

馈线屏

监控系统

充电机
充电模块

电池组

馈线
合 闸 母 线

交 流 配 电

充电模块
供电模块 供电模块

降 压 硅 链

蓄 电 池

控 制 母 线

交流监控单元
RS485

模块监控单元
RS485

直流监控单元

系统监控模块

RS232

监控

1、充电模块(高频开关电源模块): 在交流不断电的情况下,给直流母线供电; 同时给蓄电池组充电,使蓄电池组工作在最 佳状态,延长蓄电池组的使用寿命。 2、蓄电池组: 在交流断电的情况下,维持直流电源系统的 供电,是直流电源系统的核心部分。其容量 、性能和健康状况对整个直流电源系统的正 常运行起到重大作用。

3、馈线屏(交流配电、直流馈电) 为直流电源系统中的充电装置、各控制 负荷和动力负荷进行电源的合理配置。实现 交流输入、直流输出、电压显示、电流显示 等功能。所使用的器件如:电源线、接线端 子、交流断路器、直流断路器、接触器、防 雷器、分流器、熔断器、转换开关、按钮开 关、指示灯以及电流、电压表等等

4、智能监控模块: 对整个直流电源系统的运行状况进行实 时监测,控制蓄电池组的充、放电过程。 主要包括:绝缘检测单元、电池巡检单元、 开关量检测单元、降压单元等。

(1)绝缘检测单元 直流系统绝缘监测单元是监视直流系统 绝缘情况的一种装置,可实时监测线路对 地漏电阻,此数值可根据具体情况设定。 当线路对地绝缘降低到设定值时,就会发 出告警信号。直流系统绝缘监测单元目前 有母线绝缘监测、支路绝缘监测。

绝缘监测单元

当绝缘值低于10KΩ时,装置开始报警。

(2)电池巡检单元 电池巡检单元就是对蓄电池在线电压 情况巡环检测的一种设备。可以实时检测 到每节蓄电池电压的多少,当哪一节蓄电 池电压高过或低过设定时,就会发出告警 信号,并能通过监控系统显示出是哪一节 蓄电池发生故障。电池巡检单元一般能检 测2V-12V的蓄电池和巡环检测1-108节蓄电 池。

电池巡检单元

(3)开关量检测单元 开关量检测单元是对开关量在线检测及 告警干节点输出的一种设备。比如在整套 系统中哪一路断路器发生故障跳闸或者是 哪路熔断器熔断后开关量检测单元就会发 出告警信号,并能通过监控系统显示出是 哪一路断路器发生故障跳闸或者是哪路熔 断器熔断。目前开关量检测单元可以采集 到1-108路开关量和多路无源干节点告警输 出。

(4)降压单元 降压单元就是降压稳压设备,是合母电 压输入降压单元,降压单元再输出到控母, 调节控母电压在设定范围内(110V或220V) 。当合母电压变化时,降压单元自动调节, 保证输出电压稳定。 常用的降压稳压装置有硅链降压、斩波 稳压与高频开关模块直供控制母线稳压三种 。

二、充电装置
(一)充电装置的作用 充电设备是直流系统中最为关键的设备, 它的技术指标高低与运行稳定与否就直接关系 直流系统的技术指标及运行稳定性。 作用:从单相或三相交流电网取得交流电, 并将其转换为符合要求的直流电。平时为负荷 供电,为蓄电池充电。

(二)整流知识简介
1、单相半波整流滤波器

上图中, (a)是电路原理图, (b)是整流波形图 。由于整流器具有单向通导的特性,所以输入电压 U1经整流器VD整流后就变成了单向脉动波Uo,而

输入的负半周被隔离掉。
一般整流器后面都有电容滤波器,如图(a)中C

,将脉动波变成直流波Uc,如图 (b)所示。

2、单相全波整流滤波器

上图(a)所示是单相全波整流电路原理图,图 (b)是它的整流波形图。由图中可以看出,这是两 个单相半波整流器的组合。

需指出的是,有时这种整流器前面加了变压器
,目的是使次级电压可以根据设计的要求随意变化



3、三相半波整流滤波器

在三相半波整流电路中,三相中的每一相都 和零线单独形成了半波整流电路,其整流出 三 个电压半波在时间上依次相差叠加,并且整流 输出波形不过零点。 在输出波形图中,一个周期中有三个宽度为 120°的整流半波。 N相平直虚线是整流滤波后 的平均输出电压值。虚线以下和各正弦波的交 点以上(细虚线以上)的小脉动波是整流后未 经滤波的输出电压波形。

4、三相全波整流滤波器

三相全波整流桥不需要输入电源的零线( 中性线)。 在输出波形图中,N相平直虚线是整流滤 波后的平均输出电压值。虚线以下和各正弦 波的交点以上(细虚线以上)的小脉动波是 整流后未经滤波的输出电压波形。

(三)充电设备的技术要求
1 、波纹系数要小。 按继电保护技术规程要求,在充电、浮 充装置不与蓄电池并联时,其波纹系数应不 大于5%,直流系统设计技术规程要求不大于 2%。 所谓波纹系数是指直流电压中,脉动量 峰值与谷值之差的一半,与直流输出电压 平均值之比。

2、稳压精度高 要求充电、浮充装置有较高的稳压精度, 才能保证蓄电池的正常运行,保证控制母线的 电压稳定在额定值。提出稳压精度要求,一方 面是由于交流电源有可能出现±10%的电压变 化。 另一方面是蓄电池本身对充电、浮充电电 压的变化范围有要求。例如,要求普通铅酸蓄 电池的浮充电电压在2.15~2.17V,阀控式铅酸 蓄电池浮充电电压为2.23~2.28V。

直流系统设计技术规定要求,浮充电时稳 压精度应不大于±2%,充电时应不大于 ±5%。一般认为阀控式铅酸蓄电池的充电 和浮充电装置在各种情况下稳压精度不应 大于±1%。 继电保护规程要求:装置直流电源电压, 最低电压不低于额定电压的85%,最高电压 不高于额定电压的110%。

3、 充电装置应具有恒定电流、恒定电 压功能,能以自动浮充电、自动均衡充 电、手动充电三种运行方式。
4、 充电装置内应有限流功能。在与蓄 电池组并联,负荷中出现冲击电流时, 大部分电流应由蓄电池组承担,以防止 充电装置出现过电流跳闸。

(四)高频开关充电机
随着电力电子技术的发展,高频开关电源越来越趋于完 善,高频开关型充电机在直流系统中得到越来越多的应用。 将三相交流电经整流后转换成较平滑的直流,再经全桥 PWM(脉宽调制)电路转换为高频交流电,其转换频率大约 在20~200kHz之间,再经高频变压器隔离降压后进行整流输 出。由于其频率高,高频变压器的体积很小,转换效率很高 。使用高频开关电源不但使配置简化,可维护性好,而且使 直流电源的各项技术指标大大提高。

二、直流系统的基本组成(二)

高频开关电源一般做成模块化结构, 一套直流电源有若干个模块并联而成,模 块间设有均流功能,即负载电流有各模块 平均分摊。 ? 当其中一个模块故障时,该模块自动 退出运行不会影响其它模块的正常工作, 其输出电流由其它模块分担,故障模块可 以在运行中拔出维修,称作热插拔。
?

三、蓄电池
1、定义
蓄电池是储存直流电能的一种设备,它能 把电能转变为化学能储存起来(充电),使用 时再把化学能转变为电能(放电),供给直流 负荷,这种能量的变换过程是可逆的。 也就是说,当蓄电池已部分放电或完全放 电后,两电极表面形成了新的化合物,这时如 果用适当的反向电流通入蓄电池,就可使已形 成的新化合物还原成原来的活性物质,供下次 放电之用。

2、分类
根据电极或电解液所用物质的不同,蓄电 池一般分为铅酸电池和碱性电池两种。 酸性蓄电池:端电压高、冲击电流大,适合于断 路器合分闸的冲击负荷,但其寿命短,运行维 护复杂。 碱性蓄电池:体积小、受命长,维护方便,但事 故时放电电流较小。

常用的蓄电池一般有 碱性镉镍电池 防酸铅酸蓄电池(防酸隔爆型、防酸消氢型) 阀控式密封铅酸电池

二、直流系统的基本组成(三)
碱性镉镍电池
采用金属镉作负极活性物质,氢氧化镍作正极活 性物质,正、负极材料分别填充在穿孔的附镍钢带( 或镍带)中,经拉浆、滚压、烧结、化成或涂膏、烘 干、压片等方法制成极板。电解液通常为氢氧化钠或 氢氧化钾溶液。 优点是轻便、抗震、寿命长。 大型袋式和开口式镉镍电池主要用于铁路机车、 矿山、装甲车辆、飞机发动机等作起动或应急电源。 圆柱密封式镉镍电池主要用于电动工具、剃须器等便 携式电器。小型扣式镉镍电池主要用于小电流、低倍 率放电的无绳电话、电动玩具等。

敞开式防酸酸铅蓄电池
敞开式蓄电池应用最早。此种电池用铅板做电 极,硫酸溶液作电解质。 该电池存放硫酸溶液的缸体不密封,充放电过 程中产生氢气,伴有酸雾,对环境污染很大。硫 酸溶液中的水份挥发后还会造成电解液的比重变 化,影响电池容量,缩短电池寿命。所以这种电 池需要经常测量端电压与内阻,还要测量电解液 的比重,必要时需要补充蒸馏水。
防酸隔爆式 防酸消氢式

阀控型铅酸蓄电池是80年代末期从国 外引进的一种新型铅酸蓄电池。
电解液有胶体与液体两种,液体的一般吸附 在极板间由超细玻璃纤维制成的隔膜中,吸附比 约为90%。阀控型蓄电池存储电解液的缸体是密 封的,在缸体上装有一个安全排气阀,当内部气 体压力超过规定值时,阀门自动排气,直到压力 恢复正常自动关闭。无论电池立放或卧放,电解 液都不会溢出。所以它不需要添加电解液,维护 工作量小。

?阀控密封铅酸蓄电池的最佳运行环境温度 为15-25℃ ,环境温度一旦超过25℃ ,只 要温度每升高10 ℃,蓄电池的使用寿命就 会减少一半。

3、蓄电池主要构成 :容器、电解液和正、负 电极构成 4、蓄电池工作原理 :蓄电池的正极板和负极 板插入电解液中时,发生化学反应,由于正 负极板材料不同,正负极板电位不同,正负 极板便产生电位差。在外电路没有接通时, 正负极板之间的点位差就是蓄电池的电势; 在外电路与负载接通时,就有电流流过负载 ,也既是蓄电池向负载放电。当蓄电池放电 后将负载断开,使其与直流电源相连。

5、蓄电池的特性参数
(1) 蓄电池容量:单位用Ah(安时)表示 蓄电池最重要的电气参数就是蓄电池的容量,蓄电 池的额定容量是指在规定的电解液温度和比重条件下, 对给定的放电时间和放电终止电压,制造厂给出的蓄电 池的安时数,即放电的安培数和放电时间的乘积。 所以从蓄电池额定容量的定义来看,蓄电池的容量 是一个变化的量,它与蓄电池电解液的温度、比重条件 有关,也与放电的电流大小,放电终止电压有关,随着 时间的推移,蓄电池也会老化,同样它的容量也会减小 ,所以在讨论蓄电池容量时,一定要与环境条件和放电 要求联系起来。

5、蓄电池的特性参数
(2) 放电率:在规定的放电电流,规定的放电 时间,放出规定的容量又不低于规定的电压。不 同的蓄电池有不同的放电率。如10h 率,4h 率 等等。 (3) 电压: (4) 使用寿命:一般按充放电的循环次数计; 对浮充电的蓄电池一般按年数计。

6、蓄电池充放电相关概念定义
初充电:新安装的蓄电池或大修中更换的蓄电池第一 次充电,称为初充电。初充电电流为1.0倍I10(10小时 率放电电流),单体电池充电电压到2.3~2.4V时电压 平衡,电压下降即可投运,即转为浮充运行。 浮充电:在充电装置的直流输出端始终并接着蓄电池 和负载,以恒压充电方式工作。正常运行时充电装置 在承担经常性负荷的同时向蓄电池补充充电,以补偿 蓄电池的自放电,使蓄电池组以满容量的状态处于备 用。 均衡充电:为补偿蓄电池在使用过程中产生的电压不 均现象,使其恢复到规定的范围内而进行的充电。

核对性放电:在正常运行中的蓄电池组,为了检验 其实际容量,将蓄电池组脱离运行,以规定的放电 电流进行恒流放电,只要其中的一个单体蓄电池放 到了规定的终止电压,应停止放电。 定时均充:为了防止电池处于长期浮充电状态可能 导致电池单体容量不平衡,而周期性地以较高的电 压对电池进行均衡充电。 限流均充:以不超过电池充电限流点的恒定电流对 电池充电。 恒压均充:以恒定的均充电压对电池充电。

7、蓄电池直流系统的运行方式
(1)充电-放电运行方式 充电-放电运行方式就是将充好电的蓄电池组接在直 流母线上对直流负荷供电,同时断开充电装置。当蓄电池 放电到其容量的75%~80%时,为保证直流供电系统的可

靠性,即自行停止放电,准备充电,改由已充好电的另一
组蓄电池供电。

(2)浮充电运行方式

浮充电运行方式就是将充好电的蓄电池组与浮充电整
流器并联工作,平时由整流器供给直流负荷用电,并以不 大的电流向蓄电池组浮充电(以补充电池因有漏电而使其 电压下降的缺陷),使蓄电池处于满充电状态。浮充电运 行的蓄电池组能承担短时冲击负荷(如断路器合闸电流) 和事故负荷。

?

8、直流系统的接线方式
? 说明

(1)直流系统中的主要电源是蓄电池组,其次是充电和 浮充电设备。220~500kV变电所蓄电池正常情况下以浮 充电方式运行。直流负荷实际上由浮充电设备供电,蓄 电池处于浮充电状态。
(2)当有两组蓄电池时,每段直流母线接一组蓄电池和 一套浮充电设备。充电设备两组蓄电池共用。两套浮充 电设备应接在不同的交流电源回路。

(3)110kV以下变电所一般采用单母线接线,220~500k V变电所常用的直流母线接线方式有单母线分段和双母 线两种。
(4)330kV及以上电压等级变电站应采用三台充电、浮充 电装置,两组蓄电池组的供电方式。

(5)重要的220kV变电站应采用三台充电、浮充电装置, 两组蓄电池组的供电方式。

a.充电装置 直接上母线, 提高了直流 母线供电可 靠性。 b.蓄电池组 上直流母线 的电源开关 与联络开关 相互闭锁保证2组蓄电池不可能并联运行。

9、蓄电池的运行与维护
(1)浮充电运行的蓄电池组,除制造厂有特殊 的规定外,应采用恒压方式进行浮充电。浮充电时, 严格控制单体电池的浮充电压上、下限,防止蓄电 池因充电电压过高或过低而损坏。 (2)新安装或大修中更换过电解液的防酸蓄电 池组,第一年内,每半年进行一次核对性放电试验。 运行一年后的防酸蓄电池组,每隔一、两年进行一 次核对性放电试验。

四、UPS不间断电源
1.UPS的定义
UPS(Uninterruptible Power System ),即不间断电源,是一种含 有储能装置,以逆变器为主要组成部分 的恒压恒频的不间断电源。主要用于给 单台计算机、计算机网络系统或其它电 力电子设备提供不间断的电力供应。

当市电输入正常时,UPS 将市电稳压后供 应给负载使用,此时的UPS就是一台交流市电 稳压器,同时它还向机内电池充电; 当市电中断(事故停电)时, UPS 立即将机 内电池的电能,通过逆变转换的方法向负载继续 供应220V交流电,使负载维持正常工作并保护 负载软、硬件不受损坏。 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相互切换的机会, 这才是UPS的主要设计思想。

2、UPS的主要作用——为什么要使用 UPS? 随着电子技术的发展,各种各样的用电器越来

越多,而绝大部分都是非线性负载 。
非线性负载负载又称为畸变 (Deforming)负载

或污染 (Polluting)负载。
由于负载与供电质量之间的矛盾日趋加深,必 须寻找解决方案。 在诸多的解决电源的方案中,UPS是最好的解决 方案。

2、UPS的主要作用——解决电网中的骚扰 –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 统出现性能下降的现象。 从严格意义上讲,“骚扰”和“干扰”是两个不同的概念: –“骚扰”是一种客观存在的现象;

–“干扰”是一种在“骚扰”作用下,使敏感设备受到影响之 后的现象。
–根据GB 4824-1996 的标准词汇,选用“电网骚扰”一词更为 准确。

2、UPS的主要作用——解决电网中的骚扰
– 停电:短时间的、长时间的... – 电压变化:电压跌落、过电压、欠电压、电压尖峰 – 频率变化:频率波动、过高、过低、闪烁... – 其它骚扰:高频瞬态冲击、谐波、电磁兼容性... – 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。

2、UPS的主要作用
①.两路电源之间的无间断相互切换 ? ? ? à ? ? ? ? : ? ? ? ? ? ?? ? ? ?
? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? à ? ? ? ? UPS ? ? ? ?

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网骚 扰阻挡在负载之前,即使电网中的骚扰不影响负载,又使负载对 电网不会产生骚扰:

? ? ? è

? ? ? ÷? ÷

±? ? ÷

? ± ? ? ? ÷

? ? ? ?

③.电压稳定作用:
> 输入电压忽高忽低,如额定输入电压380V/220V,电压变 化在323~418V,UPS输出供负载电压380V/220V ± 1%: 交流输入电压:323~418V 直流输入电 压:176~264V

UPS

输出:380V± 1%

以三项输入单项输出为列:380输入/380V输出 输出电压:323~418V
直流输入电 压:176~264V

UPS

输出:220V± 1%

以三项输入单项输出为列:380输入/220V输出

④.频率稳定作用:
> 输入频率60/50Hz ± 6%变化,输出60/50Hz ± 0.01% :

输出频率:47~53HZ

UPS

50Hz ± 0.01%

⑤.提供一定的后备时间:
> UPS的电池贮存一定的能量,在电网停电或间断时继续供电一段 时间来保护负载;后备时间为10分钟、30分钟、60分钟或更长。

? ? ? è

? ? ? ÷÷ ?

±÷ ? ?

? ± ? ? ? ÷

? ? ? ?

? ? ? ×

①和⑤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。

3.UPS的基本拓扑结构 (1)被动后备式
也称离线式
– 组成:
充电器 交流输入

? 充电器
? 逆变器 ? 电池
电池

逆变器

? 滤波器/调压器
正常方式 电池后备方式 负载

滤波器 / 调压器

(1)被动后备式 (Passive Standby,也称为离线式(OFFLine))
– 应用:小于2KVA的UPS; – 优点:电路简单,价格便宜; – 缺点:频率不能调节,切换时有间断。

(2)线互动式(Line
Interactive)

主交流 输入
如果只有一路交流输入

旁路交流 输入

– 组成:
? 静态开关

静态开关

? 双向逆变器
? 电池 ? 旁路开关

电池

逆变器

维修旁路

正常方式 电池方式 旁路方式 负载

(2)线互动式(Line Interactive):
– 应用:
? 此种配置不太适合中-大功率和为敏感性负载的供电,因为 无法进行频率的调节。 ? 但近年来,数据中心基于追求“高效节能”的原因,在大 功率的UPS中又重新采用这种配置,例如Delta变换式。

– 优点:电路简单,效率高; – 缺点:频率不能调节,动态特性差。

(3)双转换式
(Double- Conversion,又称为 在线式On-Line)

主交流 输入 如果只有一路交流输入

旁路交流 输入

– 基本组成:
? 整流器/充电器

整流器 / 充电器

手动维 修旁路

? 逆变器
? 静态旁路开关 ? 手动维修旁路开关 ? 电池
逆变器 正常方式 电池方式 电池 静态开关 () 静态旁路

逆变器串联在交流 输入与 负载之间

旁路方式
负载

(3)双转换式(又称为在线式)
– 应用:
? ? ? 在这种配置中,由于使用了静态开关,将负载切换到逆变器 所需的时间可以忽略不计; 而且,输出的电压和频率完全独立于输入电压和频率。这意 味着这种类型的UPS可以被设计作为频率转换器使用。 实际上,这种类型是中大功率的主要配置(10KVA以上)。
注意: 这种类型的UPS常常被称作“在线式”,这表示负载由逆变器
连续供电而不管交流输入电源的状态如何。

– 优点:稳压稳频、切换无间断;

– 缺点:价格昂贵。

4.双转换UPS的电路组成(主电路)
1).整流-充电器: 由可控硅三相全控整流桥功率电路和相应的控制电路组成。它将电源1输 入的交流电变换成直流电,供给电池组充电及逆变器的输入。 2).逆变器:
电 池 主 电 源 输 入 旁 路 电 源 输 入

UPS Q1 QF1 Q4S

由IGBT逆 变功率电路和相应的控制电路组成。它将整流-充电器输入的 直流电 变换为正弦交流电供给负载。
3).旁路静态开关: 由反并联的可控硅功率电路和相应的控制电路组成。它实现负载在逆变器 与旁路电源2之间的不间断切换。 4).电池电路: 由可充电的电池组组成。将直流能量贮存在电池组中,当电源1停 电或超 限时,向逆变器电路释放能量,以对负载进行后备式的供电。 5).各种隔离保护装置:

Q3BP

Q5N

负 载

a. Q1:整流器输入开关;
b. QF1:电池电路保护开关; c. Q4S:电源2或静态旁路输入开关; d. Q5N:逆变器输出开关;

e. Q3BP:手动维修旁路开关。

4.双转换UPS的电路组成
去楼宇监控系统 去电话网络
(14)

(13)

监控PC机

通信接 口板

modem

(5) 维修旁路 (10) 如果只有一路电源 (7) 旁路交 (4) 静态

负载

流输入

开关
(8)

市电 电网

逆变器 输出开 关

(11)

FAH
(12) (15)

(6) 主交

滤波器

流输入

(1)

整流器 充电器

(2) 逆变器 (9)电池断路器 (3) 电池 (16)

输入配电 保护开关

输出配电 保护开关

5.双转换UPS的基本运行原理 ? 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 转换模式由此得名。 –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。

5.双转换UPS的基本运行原理

? 电池后备运行方式:
– 市电停电或超限、电池 放电的工作方式:
? 当交流输入电压超出UPS所 允许的容限范围或市电中断 时,整流器/充电器自动停止 工作,电池组立即无间断地 投入,继续通过逆变器为负 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 正常时返回到正常运行方式 。

5.双转换UPS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 仍然经过整流/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。 – 对于密封式铅酸电池通常 为恒流恒压的充电方式, 这时的输入电流通常为最 大输入电流阶段,是设计 电缆、断路器的重要参考 数据。

? 旁路运行方式
– 当停止逆变器时,负载可以无 间断地切换到旁路交流输入; – 根据安装方式的不同,可能由 市电或后备电源供电; – 引起旁路运行的可能原因有: ? UPS内部故障; ? 负载电流瞬变电流尖峰(冲 击电流或故障清除电流); ? 人为地停止逆变器。 – 旁路运行时,负载不受保护, 因此是降级运行方式。

? 维修运行方式 – 对UPS进行维修时,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的内部电 路进行隔离,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。 – 维修方式时,负载不受保 护。

5.双转换UPS的基本运行原理
? 提高UPS可靠性的方法-热备份式并联: – 可由两台不同容量的UPS组成,主机带重要负载,备机带次要负载 或不带载;主机到备机的切换无间断。 – 优点:可靠性最高;连接简单;后备时间延长。 – 缺点:不能增容;过载能力不能增大。

5.双转换UPS的基本运行原理
? 提高UPS可靠性的方法-直 接并联 – 由2到4台单机型UPS组 成,每台UPS具有各自 的静态旁路,可实现: ? 并联冗余; ? 并联增容。 – 优点:并联方式简单、 不增大占地、价格适当 、负载均分。 – 缺点:所有UPS的旁路 必须是由同一路电源供 电;可靠性略低。

5.双转换UPS的基本运行原理
? 并联冗余UPS的系统组成:
并联UPS系统由两台单机 型UPS直接并联组成, UPS内部除增加了负载电 流均分的连接线和两台 UPS静态旁路的互锁电路, 防止其中一台UPS逆变器 停止时,其静态旁路误导通 的情况。 除此之外,其它电路与单
P1(kVA) Q5N Q5N QF1 电 池 主电源 输入 旁路电源 输入 电 池 主电源 输 入

UPS1 Q1 Q4S QF1

UPS2 Q1 Q4S

Q3BP

Q3BP

P1(kVA)

机UPS完全相同。
负 载 P < P1

5.双转换UPS的基本运行原理
旁路电源 输入 电 池 主电源 输入 电 池 主电源 输 入

(1)正常运行状态
负载由UPS1和
UPS2的整流器-逆变 器向负载共同供电, 同时向各自的电池 组充电,每台UPS 的逆变器各带50% 的负载运行。
P1(kVA) Q5N QF1 UPS1 Q1 Q4S

UPS2 Q1 QF1 Q4S

Q3BP

Q3BP

Q5N

P1(kVA)

负 载 P < P1

5.双转换UPS的基本运行原理
(2)一台UPS故障状态
当其中一台UPS故障时(例如: UPS1),会自动退出运行,由剩 下的一台UPS带100%负载运行。 对故障的UPS可通过断开其Q1、 QF1、Q4S、Q3BP和Q5N等隔离 开关进行安全地维修,维修之后 再投入运行,其状态如1所述。 即使在UPS没有发生故障时,也 可利用这种状态对其内部进行维 护保养,例如:清扫灰尘、紧固
P1(kVA) Q5N Q5N QF1 电 池 主电源 输入 UPS1 Q1 Q4S QF1 旁路电源 输入 电 池 主电源 输 入

UPS2 Q1 Q4S

Q3BP

Q3BP

P1(kVA)

联接件、检测或更换电池等。
负 载 P < P1

5.双转换UPS的基本运行原理
(3)UPS过载状态
当负载端发生较小过载时,两台 冗余的UPS已具有2 x 150%的过 载能力,因此不会出现转静态旁 路的现象。
QF1 UPS1 Q1 Q4S QF1 UPS2 Q1 Q4S 电 池 主电源 输入 旁路电源 输入 电 池 主电源 输 入

如果负载端发生了大于300%的过
载,这时两台UPS的控制电路会 自动将负载从逆变器上切换到静 态旁路上,当过载消失后再自动 切换返回到逆变器供电。 如果过载长时间不消失,则静态 开关经过一定的过载延时后会自
P1(kVA) Q5N Q5N Q3BP Q3BP

P1(kVA)

动关闭。
负 载 P < P1

5.双转换UPS的基本运行原理 (4)维修状态
电 池 旁路电源 输入 主电源 输入 电 池 主电源 输 入

当两台UPS不幸同时
故障时,可利用其手 动维修旁路向负载供 电,同时断开内部的 隔离开关对UPS进行
QF1

UPS1 Q1 Q4S QF1

UPS2 Q1 Q4S

Q3BP

Q3BP

安全检修。
P1(kVA)

Q5N

Q5N

P1(kVA)

负 载 P < P1

5.双转换UPS的基本运行原理 (5)电池运行状态
电 池 旁路电源 输入 主电源 输入 电 池 主电源 输 入

当市电包括发电
机不能正常供电 时,UPS的电池 组会自动放电, 以维持负载的正
QF1

UPS1 Q1 Q4S QF1

UPS2 Q1 Q4S

Q3BP

Q3BP

常运行。
P1(kVA)

Q5N

Q5N

P1(kVA)

负 载 P < P1


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