交流不间断电源设备.ppt

2019/8/9,1,主要内容 交流不间断供电系统组成、分类 UPS在通信电源中的地位 UPS的发展极其趋势 UPS的基本组成 后备式UPS电源 在线式UPS电源 三端式UPS电源 UPS工作原理与主要电路技术 逆变电路 静态开关 UPS操作维护,2019/8/9,2,重点难点 本章重点 UPS在通信电源中的地位 UPS电源供电系统的配置形式 UPS工作原理与主要电路技术 本章难点 UPS主要电路技术,2019/8/9,3,本章的目的和要求 掌握交流不间断电源供电系统在通信电源中的地位 知晓UPS的概念、分类、组成 了解UPS主要性能技术指标 掌握UPS逆变工作原理及主要电路 了解UPS的使用、维护常识,2019/8/9,4,在电源系统中，UPS是英语“Uninterruptible Power Supply”的缩写，意为交流不间断供电系统，也称交流不间断电源。 UPS是一种能够提供持续、稳定、不间断的交流电源供应的设备。 市电供电电源存在的质量问题 目前，我国市电供电电源质量一般为： 电压波动10%，频率50Hz0.5Hz 有些地区，还达不到这个标准 市电电网中存在的主要污染 市电电网中接有各式各样的设备，来自外部、内部的各种噪声，又会对电网形成污染或干扰，这些污染主要有以下几种 ：,5.1 UPS概述,2019/8/9,5,电压浪涌 一个周期或多个周期，电压超过额定电压值的110%。如重型设备的关机，由于电网中电流突然消失，其线路电感反电势造成电压上升；另一方面，线路电阻上电压降的突然消失。 电压尖峰 指在二分之一周至100ms期间内，叠加达6000k V 以上的电压脉冲。如雷电、开关操作，电弧式故障和静电放电等因素造成。 电压瞬变 电压瞬变是指在10ms100ms期间，叠加在市电电压上达20kV的脉冲电压。其产生和电压尖峰差不多，只是在量上有区别。 噪声电压 指叠加在工频电压上的低幅度，而频率范围很宽的高频分量。这种现象，在电网中很普遍，它的产生一般是电机电刷打火，继电器动作，广播发射，微波空中传播，电弧焊接，远距离雷电等。,2019/8/9,6,过压 过压是指超过电网电压正常有效值一定百分比的稳定高电压。一般是由于接线错误，电厂或电站的误调整，附近重型设备关机。对单相电压而言，也可能是由于三相负荷不平衡或者是中线接地不良等原因造成。 电压跌落 电压跌落是指一个或多个周期电压低于80%85%额定电压有效值。主要是由于附近重型设备的启动或者电动机类机器启动造成。 欠压 欠压是指低于正常市电有效值一定百分比的稳定低电压。这主要是由于这负荷而造成电网电压的降低。 电源中断 电源中断是指超过一周期的无电状态。,2019/8/9,7,以上污染或干扰对计算机或其他敏感先进仪器设备所造成的后果不尽相同。如电源中断，可能造成硬件损坏；电压跌落，可能会使硬件提前老化、文件数据受损；过压或欠压、浪涌电压等，可能会损坏驱动器、存储器、逻辑电路，还可能产生不可预料的软件故障；噪声电压和瞬变电压以及电压叠加，可能损坏逻辑电路和文件数据等等。 我们知道，这些污染或干扰，供电电网是较难避免的，而这些污染或干扰对于计算机的动作，对于要求市电输出保持良好正弦波形且不带干扰的设备来说又是十分不利的。 UPS的产生 为了保证计算机类或其他敏感先进仪器设备的安全运行，为了满足上述设备对供电电源质量提出的严格要求，而发展和普及起来的一种新型供电系统（Uninterruptible Power System），称为“不间断电源系统”或“不停电供电系统”，简称UPS。,2019/8/9,8,UPS的分类 目前，市场上的UPS品牌种类繁多，其分类方法如下： 按其工作方式分类可分为 后备式 早期的后备式UPS在市电供电正常时，市电直接通过交流旁路和转换开关供电于负载，交流旁路相当于一条导线，逆变器不工作，此时供电效率高但质量差。 在近年的后备式UPS往往在交流旁路上配置了交流稳压电路和滤波电路加以改善。 在线互动式 它是界于后备式和在线式工作方式之间的UPS设备，它集中了后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点。,2019/8/9,9,在线互动式UPS的逆变器一直处于工作状态：市电正常，UPS的逆变器反向工作给电池组充电；市电异常，逆变器立刻开始逆变工作，将电池的直流电压转换为交流输出。 在线式 在线式一般采用双变换模式。市电正常，输入交流电压通过充电电路不断对电池进行充电，同时AC/DC电路将交流电压转换为直流电压，然后通过脉冲宽度调制技术（PWM）由逆变器再将直流电压逆变成交流正弦波电压供给负载，起到无级稳压的作用。 市电中断时，后备电池开始工作，此时电池的电压通过逆变器变换成交流正弦波或方波供给负载 。 综上所述，在线式UPS无论是市电供电正常时，还是市电中断由电池逆变供电期间，在线式UPS逆变器始终处于工作状态，这就从根本上消除了来自电网的电压波动和干扰对负载的影响，真正实现了对负载的无干扰、稳压、稳频以及零转换时间。,2019/8/9,10,按其容量可分为： 小容量3kVA以下 中小容量3kVA10kVA 中大容量10kVA以上 按输入/输出方式分为 单相输入/单相输出 三相输入/单相输出 三相输入/三相输出 按备用时间分为 标准机 长效机,2019/8/9,11,UPS的功能 双路电源之间的无间断切换 如图所示，两路电源(一类供电电源和三类供电电源)可通过UPS实现无间断切换。,图 双路电源无间断切换,隔离干扰功能 在UPS中，交流输入电压经整流后，加入逆变器，逆变器对负载供电， 如图所示。这样将干扰与负载隔离。,图 UPS的隔离,2019/8/9,12,电压变换功能 通过UPS， 可以将输入电压变换成需要的电压。 频率变换功能 通过UPS，可将输入电压的频率变换成需要的频率，如图7 - 4所示。,图 UPS的电压变换功能,图 UPS的频率变换功能,2019/8/9,13,后备功能 UPS后备功能如图所示。UPS中的蓄电池，贮存一定的能量，市电间断时蓄电池通过逆变器可继续供电。后备时间可以为5、 10、 15、 30、 90 min甚至更长。,图 UPS的后备功能,2019/8/9,14,UPS的发展趋势 智能化，数字化技术 采用了集中监控系统，用多个有独立供应电源的微处理器来控制整流器、逆变器和内部静态旁路，因而提高了系统的数字化程度和可靠性 功率器件高速驱动和控制技术 第1代UPS的功率开关为可控硅，第2代为大功率晶体管或场效应管，第3代为IGBT（绝缘栅双极晶体管）。 冗余技术 开发新的应用技术，可实现UPS内的多模块冗余并机运行。 低功耗，低污染，节省使用成本 UPS加装高效输入滤波器，并采用功率因数校正技术，可减少电网污染对供电的影响；同时整流器使用IGBT技术，可将输入功率因数提高到接近于一，对电网的污染已降到了近似阻性负载的水平。,2019/8/9,15,5.2 UPS的基本组成及工作原理,5.2.1 UPS的基本组成 UPS由输入整流滤波电路、 功率因数校正电路、 蓄电池组、 充电电路、 逆变电路、 静态开关电路、 控制监测显示及保护电路等组成。 逆变器是UPS电源的核心设备 整流模块为能量变换设备（AC/DC），逆变器也是能量变换设备（DC/AC） 蓄电池为储能设备 输入整流滤波电路 UPS中，常用的整流电路有单相不可控和可控整流电路、 三相不可控和可控整流电路。 滤波器可分为电容输入或电感输入两种。 功率因数校正电路 UPS中，市电经整流后采用大容量电容器进行滤波而且整流电路输出端还并联有蓄电池。在电容器或蓄电池充电期间将形成脉冲电流。该电流峰值很高，产生高次谐波电流并导致功率因数下降，功率因数校正电路可使电网输入电流变为与输入电压同相位的正弦波。,2019/8/9,16,蓄电池组 蓄电池组是UPS的蓄能设备。市电正常时，蓄电池充电，将电能转化为化学能并储存起来。市电中断时，UPS蓄电池中的电量维持逆变器工作。 目前中小型UPS中广泛使用阀控铅酸蓄电池。长延时(4h或8h)UPS中，蓄电池的成本甚至超过主机的成本。 充电电路 UPS中，一般充电电路都是独立工作的。也就是说，即使不用逆变器，只要将交流电源接通，充电电路就开始工作。充电过程中，先采用恒流充电，当蓄电池的电压达到浮充电压后，转为恒压充电， 直到电池被充足。主电路一般采用开关型整流电路，为了缩短充电时间，各种快速充电电路在UPS中也得到了应用。 逆变电路 作用是将市电整流后的直流电压或蓄电池电压变换成交流电压。,2019/8/9,17,静态开关电路 作用是保护UPS和负载， 并实现市电旁路供电和逆变器供电的转换。 UPS过载时，为了保护逆变器，当市电正常时，UPS通过静态开关将输出由逆变器转换到市电； 逆变器出现故障时，为了保证负载不断电，UPS的输出也通过静态开关输出切换到市电。 由于UPS内部一般都有同步锁相电路，同时静态开关转换时间较短， 因此在转换过程中不会出现供电间断。小型UPS一般采用快速继电器作为静态开关，大中型UPS则采用反向并联的快速晶闸管作静态开关 控制、监测、显示及保护电路 UPS输出电压的精度、波形失真度以及工作可靠性均与控制电路密切相关。 控制电路主要有SPWM产生电路、闭环调压电路、同步锁相电路等。 为了使UPS可靠工作，还应具有较完善的保护电路， 一般的UPS中都有： 电池电压过低自动保护电路； 逆变器输出过载或短路自动保护电路； 逆变器过压自动保护电路； 市电电压过高自动保护电路； UPS延迟启动自动保护电路等。 为了随时掌握和了解工作状态和运行情况， UPS中还设有监测电路、 显示电路及报警电路。,2019/8/9,18,后备式UPS电源的组成 后备式UPS电源的组成如图5-1所示：,图5-1 后备式UPS电源的组成框图,当市电供电正常时，经低通滤波器抑制高频干扰，经调压器对电压变化起伏较大的市电进行稳压处理，再经转换开关K1向负载供电，而整流器对蓄电池组充电，使电池始终处于充足状态，以备一旦市电不正常时，改由蓄电池通过逆变器，经由转换开关K2向负载供电。 综上所述，这种UPS最大特点是结构简单、价格便宜噪声低，但绝大部分时间，负载得到的是稍加稳压处理过的“低质量”正弦波电源。,SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出,2019/8/9,19,在线式UPS电源的组成 在线式UPS电源的组成如图5-2所示：,图5-2 在线式UPS电源的组成框图,市电首先经UPS内部滤波器、整流器变为直流电源，再利用PWM方式经逆变器重新将直流电源变成纯正的高质量的正弦波交流电源，通过这样的变换，市电中的所有干扰几乎都被过滤掉，这就避免了由市电带来的任何电压或频率波动及干扰等影响。 当市电供电出故障或完全停电时，利用蓄电池组继续向逆变器提供直流电源，保证了UPS向用户提供高质量的正弦交流电源。一旦UPS发生故障时，静态开关接通旁路系统，由市电直接经过静态开关向负载供电。,2019/8/9,20,三端式UPS电源的组成 三端式UPS电源的组成如图5-3所示,图5-3 三端式UPS电源的组成框图,三端式UPS由整流器、蓄电池和三端口稳压器等组成，其结构如图5-3所示。三端口稳压器的铁芯为双磁分路结构，每个初级绕组和次级绕组都有一个磁分路，并联电容与每个磁路组成LC振荡回路，当达到谐振点时，构成饱和电感，使次级工作于饱和区，若初级输入电压变化时，次级输出电压恒定不变，实现了稳压的目的。,2019/8/9,21,Delta变换型UPS电源的组成 Delta变换型UPS的组成如图5-4所示,图5-4 Delta变换型UPS的组成框图,Delta变换型UPS实际上就相当于一台串联调控型的交流稳压电源。,2019/8/9,22,Delta变换型UPS主要调控职责 对市电电压进行稳压处理。将原来不稳定的普通市电电源变成电压稳压精度为380V+1%的交流稳压电源。 但对于来自市电电网的频率波动、电压谐波失真和各种传导性电磁干扰等电源问题无实质性的改善。 Delta变换型UPS共有四条供电通道向用户的负载供电： 主供电通道：市电输入主电路静态开关补偿变压器输出 逆变器供电通道：蓄电池主变换器输出。 交流旁路供电通道：市电输入旁路静态开关输出。 维修旁路供电通道：市电电源维修旁路开关输出。,2019/8/9,23,5.2.2 UPS逆变工作原理与主要电路技术 逆变电路 单相逆变器的逆变电路有推挽式、半桥式、全桥式等。均用于中小型UPS系统。全桥式逆变电路应用场合多，下面介绍半桥式逆变器和全桥逆变器结构原理和控制方法。 半桥式逆变电路的工作原理 半桥式逆变电路的工作原理如图5-5所示：,开关管V1和V2构成构成一个桥臂及反并联二极管D1和D2构成另一个桥臂，两个桥臂的中点A和B为输出端，可以通过变压器Tr变压输出，也可以由这两端直接等压输出。因为电容C1C2，容量较大，故其电压，ui是比较稳定的，中点B的电位基本不变。UB1/2Ui，而A点的电位则取决于开关管V1和V2的工作情况。,图： 半桥式逆变器主电路,2019/8/9,24,全桥式逆变电路的工作原理 全桥式逆变电路的工作原理如图5-6所示：,图5-6 全桥式逆变器电路,功率晶体管VT1,VT4和VT2,VT3在分别获得激励信号后，进入轮流导通或截止状态。从而在变压器初级和次级侧分别产生交流电压U1和U2，经过次级L,C滤波电路的作用使负载取得正弦电压。,2019/8/9,25,静态开关 静态开关的作用 静态开关的作用是切断发生故障的电源输出，做到逆变器输出和市电旁路输出间的无间断切换。 静态开关主电路原理 1kVA2kVA在线式UPS电源，其逆变器输出和交流旁路供电间切换，大多采用快速继电器作为切换元件，这种瞬间的供电中断不会影响微型计算机中开关电源的供电，但不能满足通信设备要求电源不中断的需要 容量在2KVA以上的UPS电源而言，由于继电器工作电流的增大，且继电器拉断瞬间所产生的火花将产生高温而损坏接点，或者在常开和常紧闭接点间形成电弧而将两个交流电源产生瞬间短路。所以继电器用于切换仅限于小容量UPS电源。 小型UPS一般采用快速继电器作为静态开关，大中型UPS则采用反向并联的快速晶闸管作静态开关。,2019/8/9,26,UPS电源中锁相电路 锁相环路工作原理和基本特性 锁相环路（PLL）早在1943年应用于黑白电视机水平同步电路中，1956年锁相环应用于第一批人造卫星。60年代之后，在通信、航天、测量、计算机等诸多方面获得广泛应用。目前采用CMOS期间数字型锁相环路已广泛应用于电子领域，以实现锁相稳频、锁相调频、锁相解调、锁相同步及锁相控制等功能。 在UPS电源中逆变器输出正弦电压，必须与备用交流电源正弦电压同频率和同相位。 锁相环路的组成 由鉴相器（PD）、环路低通滤波器LPF、压控振荡器VCO三个主要部件组成，由图5.12所示 。,图5-12 锁相环电路组成框图,2019/8/9,27,5.3 UPS操作,在通信领域中，常用的UPS是在线式UPS，下面我们对它日常的操作做一些介绍。 UPS可处于下列三种运行方式之一： 正常运行所有相关电源开关闭合，UPS带载； 维护旁路UPS关断，负载通过维护旁路开关，连接到旁路电源； 关断所有电源开关断开，负载断电。 UPS开机加载步骤 UPS电源在第一次开机时，操作的手指在摁下开机开关时不应当立即离开开关，而是专注机器的启动情况，一旦有异常声响、烧焦等难闻气息或冒烟应当立即关掉机器。 留意：开机时门板要合上或关上，以防意外的电解电容等器件的爆裂而受伤!,2019/8/9,28,UPS从正常运行到维护旁路的步骤 负载由逆变器切换到静态旁路的操作过程如下： （1）关断UPS逆变器，负载切换到静态旁路。通常在主菜单上可以操作关断UPS逆变器。 （2）取下Q3手柄上的锁，并扳动Q3内的锁定杆，然后闭合维护旁路开关Q3。断开整流器电源输入开关Q1，UPS电源输出开关Q4，静态旁路开关Q2和电池开关，UPS已关闭，但市电通过维护电路向负载供电。 UPS在维护旁路下的开机步骤 包括如何启动UPS，并把负载从维护旁路切换到逆变器 （1）闭合UPS输出开关Q4和静态旁路开关Q2。 （2）闭合整流器输入电源开关Q1，整流器启动并稳定在浮充电压，可查看浮充电压是否正常。 （3）闭合电池开关。 （4）断开维护旁路开关Q3，并上锁。,2019/8/9,29,UPS关机步骤 （1）断开电池开关和整流器输入电源开关Q1。 （2）断开UPS输出开关Q4和旁路电源开关Q2。 （3）若要UPS与市电隔离，则应断开市电向UPS的配电开关，使直流母线电压放电。 UPS的复位 当因某种故障使用了EPO（紧急关机），待故障清除后，要使UPS恢复正常工作状态，需要复位操作 在系统调试时，选择手动方式从旁路切换到逆变器，UPS由于逆变器过温、过载、直流母线过压而关闭，当故障清除后，需要采用复位操作，才能把UPS从旁路切换到逆变器带载 操作复位按钮使得整流器、逆变器和静态开关重新正常运行。若是EPO后的复位，则还需用手动合电池开关。,2019/8/9,30,5.4 UPS的使用和日常维护,早期UPS的逆变器使用晶闸管，换向及抗干扰能力差（稳定性差），已逐步淘汰。 现在多功率晶体管、功率MOS管和IGBT。还有部分UPS已采用无输入/输出变压器的结构，与变压器的相比较具有体积小，质量小等特点，但故障率较高且抗高压冲击能力弱。 UPS的选用 选用UPS时，首先要确定UPS的类型，然后再查看UPS的具体技术指标，看看是否满足自己的需求。 UPS的选型原则 为适应现代通信电源工程技术标准的发展要求，UPS/逆变器选型遵循以下基本原则： （1）应用场合 （2） 安规认证 （3）EMC要求,2019/8/9,31,（4）输出容量 （5）输入电压 （6）输入频率 （7）输出功率因素 （8）油机适应能力 （9）输入/输出插头/插座 （10）智能管理和通信功能 （11）市场定位 （12）性价比 UPS日常维护与测试 维护工作的重要性 UPS的日常维护 清洁和检查 补充和浮充,2019/8/9,32,UPS系统的测试 （1）稳态测试 在UPS进入“系统正常”状态时对波形、频率、电压和效率的测试 （2）动态测试 UPS常见故障处理 UPS使用故障 知识性故障 操作性故障 延误性故障 维护性故障 经验性故障 环境性故障,2019/8/9,33,UPS器件或板级故障 不逆变 不逆变是指UPS用市电能正常工作，但市电中断时，蓄电池直流电压不能转变为220V交流电压。 方法：先测量蓄电池电压，看是否过低；控制电路检测到蓄电池电压过低后，就会中断逆变电路工作；其次查辅助电源是否正常，逆变管及驱动管有无损坏；最后检查输