UPS电源的组成与基本原理.ppt

UPS电源的组成与 基本原理 培训资料 /sundae _meng w.UPS的基础知识 UPS的定义 UPS的主要作用 UPS的分类和拓扑结构 UPS的基本组成 w.UPS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 目录 /sundae _meng 1. UPS的基础知识 wUPS的定义 UPS是英文Uninterruptable Power Supply的缩写，中文译 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 ； 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 page 3 /sundae _meng wUPS的定义 UPS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 。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的时代 。 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 车牵引、变频调速电机、不间断电源、开关电源、中高频 感应电炉、电视、办公自动化、通讯、汽车自动化、家用 电器等等 。 page 4 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的主要作用为什么要使用 UPS？ 随着电子技术的飞速发展，各种各样的用电器越来越多，而这其中的绝大 部分都是非线性负载(Non-Linear Load)： 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； 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以及其它的干扰，使供 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，对供电质量的要求越来越高:不仅要求 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。 在诸多的解决电源的方案中，UPS是最好的解决方案。 page 5 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的主要作用电网中的骚扰 停电：短时间的、长时间的. page 6 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的主要作用电网中的骚扰 电压变化：电压跌落、过电压、欠电压、电压尖峰、三相不平衡. page 7 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的主要作用电网中的骚扰 频率变化：频率波动、过高、过低、闪烁. page 8 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的主要作用电网中的骚扰 其它骚扰：高频瞬态冲击、谐波、电磁兼容性. page 9 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的主要作用电网中骚扰的解决方案 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% 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 电要求如下： 频率：50Hz， 电压：380V220V，相数：三相五线制或三相 四线制单相三线制： page 10 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的主要作用电网中骚扰的解决方案 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。 page 11 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的主要作用电网中的骚扰，各种电气装置解决方案的比较 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 。 page 12 1. UPS的基础知识 /sundae _meng 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； page 13 wUPS的主要作用 1.两路电源之间的无间断相互切换； 1. UPS的基础知识 /sundae _meng 4.频率变换作用：输入频率等于或不等于输出频率，如50Hz/50Hz， 50Hz/60Hz，包括稳频作用； page 14 wUPS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， 380V/220V，包括稳压作用； 1. UPS的基础知识 /sundae _meng 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。 page 15 wUPS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 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。 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的分类和拓扑结构 （1）被动后备式(Passive Standby ，也称为离线式OFF-Line) 组成 充电器 逆变器 电池 滤波器/调压器 page 16 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的分类和拓扑结构 （1）被动后备式(Passive Standby， 也称为离线式OFF-Line) 工作原理 正常运行方式：负载由市 电通过一个可消除某些特 定的骚扰并提供一定程度 的电压调节的滤波装置为 负载供电；逆变器运行在 被动后备的模式下；充电 器对电池组进行浮充电以 保证电池处于充满的状态 ； page 17 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的分类和拓扑结构 （1）被动后备式(Passive Standby， 也称为离线式OFF-Line) 工作原理 电池放电运行方式：当 交流输入电压超出了UPS 的允许容限范围，或市电 中断时，逆变器和电池在 经过一个很短的切换时间 (切换时间小于10毫秒)之 后投入，以保证对负载的 继续供电，直到电池提供 的后备时间结束； page 18 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的分类和拓扑结构 w （1）被动后备式(Passive Standby ，也称为离线式OFF-Line) 工作原理 市电恢复正常后：在经 过很短的切换时间(切换 时间小于10毫秒)后,负载 切换回市电供电;充电器 开始给电池进行恢复充电 ，直到充满后转入浮充电 状态。 page 19 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的分类和拓扑结构 （1）被动后备式(Passive Standby，也称为离线式(OFF-Line) 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，切换有间断。 page 20 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的分类和拓扑结构 （2）线互动式(Line Interactive) 组成： 静态开关 双向逆变器 电池 旁路开关 page 21 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的分类和拓扑结构 （2）线互动式(Line Interactive) 工作原理： 逆变器以后备方式并联在交流 输入上，并且对电池充电。因 此逆变器与交流输入电源互动 （可逆向运行）。 正常模式：负载通过与交流输 入并联的逆变器获取经过调节 的电力。逆变器的作用是调节 输出电压和给电池进行浮充电 充电。输出频率取决于交流输 入的频率。 page 22 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的分类和拓扑结构 （2）线互动式(Line Interactive) 工作原理： 电池供电模式：当交流输入电压 超越UPS允许的容限范围或市电 中断时，逆变器和电池通过一个 静态开关无间断地切换给负载继 续供电，该静态开关同时也断开 交流输入以防止逆变器的电流倒 送回上线。UPS依靠电池的电力 持续运行，直到电池的后备时间 结束或市电恢复正常。如果市电 恢复正常负载将被切换回正常模 式，但这时逆变器开始给电池进 行恢复性充电。 page 23 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的分类和拓扑结构 （2）线互动式(Line Interactive) 工作原理： 旁路模式：这种类型的 UPS有可能配备旁路。 如果UPS的某项功能发 生故障，或发生过载， 负载可以被切换到旁路 交流输入（视安装情况 由市电或后备电源供电 ）。 page 24 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的分类和拓扑结构 （2）线互动式(Line Interactive) 应用：此种配置不太适合作为中-大功率为敏感性负载的电 源，因为无法进行频率的调节。由于这个原因，在除小功率 以外的设备中很少采用这种配置。通常小于10KVA，用于 非关键性负载。 优点：电路简单，价格便宜； 缺点：频率不能调节，动态特性差。 page 25 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的分类和拓扑结构 （3）双转换式(Double Conversion，又称为在线式On- Line) 基本组成： 整流器/充电器 逆变器 静态开关(静态旁路) 手动旁路开关(手动维 修旁路) 电池 逆变器串联在交流输入 和负载之间 page 26 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的分类和拓扑结构 （3）双转换式(Double Conversion，又称为在线式On-Line) 应用： 在这中配置中，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。 page 27 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的基本组成 page 28 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的基本组成(1)整流器/充电器 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： 为逆变器提供电源； 对电池进行充电和浮充电。 page 29 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的基本组成(2)逆变器 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 压 正常情况下来自整流器； 后备期间来自电池。 page 30 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的基本组成(3)电池 在市电电网发生下列情况时使UPS继续运行： 市电电网断电； 电网电力的指标超出了UPS允许的容限范围。 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。 page 31 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的基本组成(4)静态开关 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 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）。 以下的任意一种原因都可能导致切换： UPS自行关机； 超越逆变器容量上限的过载； 内部故障。 page 32 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的基本组成(5)手动维修旁路开关 用于在维护时将负载切换到旁路。当UPS上线和下游的频率一致时 方可进行切换。 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 静态开关进行的。 page 33 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的基本组成(6)市电输入开关、 (7)静态旁路输入开关、 (8)逆变器输出开关和 (9) 电池断路器 这些置于UPS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/充电器和逆变器免受 电池短路的影响。 page 34 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的基本组成 (10)旁路输入隔离变压器(选件) 当下线负载由旁路供电时提供UPS输入/输出的电气隔离； 在上线与下线的地线系统不一样的情况下尤其重要； 对于某些系列UPS，上线隔离变压器能安装在UPS主机柜里。 (11) 电压匹配变压器(选件) 将电压调节至所需的值。 (12)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上线安装谐波滤波器； 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上线的配电总线中的电压失真度。将上线的 THDU (总谐波电压失真度)控制在允许的水平内； page 35 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的基本组成(13)内置通信接口板 (14)调制解调器接口 除了需要友好的人-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 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； 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： 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 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： 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PC用监控软件(如Monitor-Pac软件)或楼宇能源管理系统 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Management-Pac软件)或者在电池电力终止 之前自动执行电脑系统的关机操作(例如Solution-Pac软件)。 page 36 1. UPS的基础知识 /sundae _meng wUPS的基本组成(15)输入配电柜和保护(选件)、 (16)输出配电柜和保护(选件) 以下设备可以随UPS一起提供： 通过在交流输入回路使用断路器提供上线低压保护。对于某些 系列的UPS来说，这种保护措施可以作为选件集成在UPS中； 在上线低压配电柜中安装断路器以保护UPS的交流输入(正常交 流输入及旁路交流输入); 在下线低压配电柜中安装断路器以保护不同的输出回路以避免 故障的扩散和传播； page 37 1. UPS的基础知识 /sundae _meng w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。 page 38 2. UPS的基本运行原理 /sundae _meng w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。 page 39 2. UPS的基本运行原理 /sundae _meng w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。 page 40 2. UPS的基本运行原理 /sundae _meng w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 式的不同由市电或后备 电源供电）,引起旁路运 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。 2. UPS的基本运行原理 page 41 /sundae _meng w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。 page 42 2. UPS的基本运行原理 /sundae _meng w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。 page 43 2. UPS的基本运行原理 /sundae _meng w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