UPS 基本概念.ppt

1 什么是UPS 中文是 不间断电源 uninterruptiblepowersupply 它是能够实现两路电源之间无间断地相互切换的电气装置 有时人们叫它 不停电电源 这种说法从专业上来说是不确切的 因为电源是能够提供电能 实现其他能量转换成电能的装置 UPS不能依靠能量的转换来提供电能 因此从严格意义上讲 UPS不是一种电源 它只是提供一种两路电源之间无间断转换的机会 这才是UPS设计的主要思想 UPS的价格之所以昂贵 就是贵在这种不间断切换的特点上 UPS CVCF BAT 2 为什么要使用UPS 理论上讲 供电设备应提供固定幅值和频率的正弦波电压 比如低压配电系统中400V 50Hz 但实际的情况是 市电在额定值附近波动 在欧洲 EN50160标准定义了低压配电系统中正常的电压波动范围 电压 10 到 15 一周内95 情况下必须在 10 之内 频率 4 到 6 一年内99 5 情况下必须在 1 之内 电能质量国家标准摘要由于供电网络和负载的复杂性 以及自然界的雷击 地电和人为因素的影响 电网供出的交流电存在各种质量问题 3 电能质量国家标准摘要 4 电能质量国家标准摘要 5 电网存在的质量问题 6 7 UPS在信息系统中的位置 People 人员 工作态度专业知识操作技能等 Process 流程 设备操作流程组织结构管理流程等 InformationTechnology 信息系统 数据应用程序操作系统服务器网络设备等 Environment 环境 NCPI NCPI NetworkCriticalPhysicalInfrastructure 即网络关键基础物理设施 NCPI包含3个子系统 电力供应子系统空调调节子系统IT设备机械支撑子系统 8 使用UPS的目的 两路电源之间的无间断相互切换 隔离作用 电压变换作用 频率变换作用 提供一定的后备时间 TheUPSsolution 9 UPS的两路电源无间断相互切换功能 UPS 三类供电 一类供电 M1 M2 输出 10 UPS的隔离作用 整流器 直流 逆变器 交流输入 交流输出 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 既使负载对电网不产生干扰 又使电网中的干扰不影响载 11 UPS的电压变换作用 输入 电压变换 输出 380V 220V 380V 400V 415V 稳压作用 12 UPS的频率变换作用 50Hz 50Hz 60Hz 400Hz 输入 频率变换 输出 稳频作用 13 UPS的后备功能 整流器 逆变器 交流输入 负载 电池 UPS带有电池 贮存一定的能量 一方面在电网停电或发生间断时继续供电一段时间来保护负载 另一方面在UPS的整流器发生故障时使用户有时间来保护负载 按照用户的要求 后备时间可以是5分钟 10分钟 15分钟 30分钟 电池占UPS价格的一半 90分钟等 甚至更长 14 TheUPSsolution highqualityandavailability 15 UPS的分类 动态型 旋转型 发电机 惯性飞轮 直流发电机 蓄电池静态型输出功率 小功率100KVA输出波型 方波 阶梯波 准正玄波 标准正玄波输出相数 单相输出 220V 50HZ 三相输出 380V 50HZ 功率器件 可控硅 SCR SiliconControlRectifier 功率晶体管 GTR GiantTransistor MOS场效应晶体管 MOSFET Metal OxideSemiconductorFieldEffectTransistor 绝缘栅场效应晶体管 IGBT InsulatedGateBipolarTransistorIPM IntelligentPowerModule 16 UPS的分类 后备时间 标准机型 15分钟 长延时机型 2小时 逆变频率 高频机 PWM频率 20KHZ 不带隔离变压器 工频机 PWM频率 10KZH 带工频输出变压器 功率传输调整方式 串联调整方式 双变换在线式 负载功率流经两条串联回路 并联调整方式 在线互动式 负载功率流经两条并联回路 串并联调整方式 双逆变电压补偿在线式 负载功率流经串并联回路 控制回路 模拟控制 模拟信号 微处理器逻辑功能 分立元件 小规模IC 部分数字控制 部分数字化信号控制 DSP数字信号处理器 分立元件 中大规模IC 全数字控制 全数字化信号控制 双DSP数字信号处理器 门阵列 大规模IC 专用IC 显示方式 LED显示 参数显示 中屏LCD显示 功能及参数显示 大屏LCD触摸显示 人性化界面 运行方式 单机运行多机运行 主从备份 并联运行 技术发展方向 高输入功率因数 高变换效率 高输入电流峰值因数 全数字处理控制电路 智能化功率变换器件 专用集成电路 软开关技术 综合发展方向 高频化 小型化 智能化 数字化 网络化 人性化 模块化 大功率化 高可靠性 高可用性 高稳定性 遥测 遥控 17 动态UPS 这一类UPS使用旋转机械来实现UPS的功能 获得 旋转逆变器的功能 这一类UPS实际上是将一台高度简化的静态逆变器与一个电动机 发电机结合在一起 逆变器滤除市电的骚扰 同时只控制其输出电压的频率 通常以方波的形式 并为电动机 发电机组供电 电动机 发电机组有时还会与飞轮组合在一起 电动机 发电机组产生以逆变器输出频率为参考的正弦波电压输出 18 静态UPS的分类 后备式 在线互动式 双变换在线式 19 后备式 工作原理 大多数基本类型的备份电源采用离线式或后备式技术 如上图表示 如果市电供给交流电源 它直接通过UPS传输到所连接的负载 电池充电器把输入的交流电转换成直流电 维持电池充电 如果市电故障 逆变器将电池的直流电转换成交流电供给负载 逆变器在大多数时间里运行在后备方式 充电器仅保持电池充电状态的功率 一旦市电出现超出规定范围的变化 逆变器从空载到100 负载供电 时间在几毫秒之内 逆变器从电池获得电能 直到电池耗尽 这种技术通常称为 单重转换 因为在任何的给出点 电源仅转换一次 性能特点 市电利用率高 可达98 以上 输入功率因数和输入电流谐波取决于负载性质 输出能力强 对负载电流波峰因数 浪涌系数 输出功率因数 过载等没有严格限制 转换时间一般为4 10ms 由于它的低成本和高效率 这类UPS是保护家用计算机或备份的独立工作站运行非关键业务或文娱活动设备应用的理想产品 这类的许多产品还包括基本的浪涌保护 但并不提供任何真正的电源调节作用 20 在线互动式 工作原理 在线互动式UPS技术提供相近水平的保护 同离线式技术有点相似 在线互动式产品采用变压器或电感器串联在市电电源和负载之间 如图所示 这种串联式电感器提供一定程度的电压调节 使UPS逆变器能够同输入电源 相互作用 互动式名称的由来 在多数情况下 这种 双向的 转换器是恒定的电压装置 它用改变输出相位角去调节负载的变化 由于相位角不能够快速变化 需要电池提供功率差 这会导致电池寿命的减少 在线互动式产品的另一个限制是如果不由电池供电运行 它不能完全地使输入电源隔离负载 公用电源的干扰 频率上的干扰和其它电源的异常情况可能直接传送到关键负载上 因为它不是完全的电气隔离 性能特点 当市电存在时 市电利用率高 可达98 以上 输入功率因数和输入电流谐波取决于负载性质 对负载电流波峰系数 浪涌系数 输出功率因数 过载等没有严格的限制 市电掉电时 输出有转换时间 但比后备式要小 由于它提供基本电压调节和它的标准结构中包括更先进的通信能力 在线互动式UPS作为选择考虑成本 效率因素来保护关键的工作站和中小型网络配置时得以应用 如果认为采用一个更高级的集中式电源解决方案不值得的话 它也不失为一种好的解决方案 21 双变换在线式 工作原理 对于大规模集中式的应用 真正在线式或称双重转换系统见图 提供最佳水准的保护 在这项技术中 整流器将交流输入电源整流成直流电 输出逆变器将直流电转换成洁净的交流供电给关键负载 连接到直流母线的电池在正常运行时处于浮充电 如果输入电源超出规定的范围 电池提供电源给逆变器和关键负载 22 性能特点 将关键负载和交流输入完全隔离 逆变器总是在向负载供电 当输入电源中断时 输出电压没有瞬时的下降 因为逆变器总处在运行的状态 并总是由直流输入供电 共模噪声防护 输出逆变器通常包括一个隔离变压器 这一隔离变压器可以产生一个分离的中性线 这样就使得UPS被电气隔离 从而对负载提供共模噪声保护 市电存在时 串连的两个变换都承担100 的负载功率 所以UPS整机的效率较低 由于全部的负载功率都由逆变器承担 因而UPS的输出能力不理想 对负载提出限制条件 如负载电流峰值系数 过载能力 输出功率因数等 对可控硅整流器还存在输入功率因数低 无功损耗大 输入谐波电流对电网产生污染等缺点 23 UPS用功率器件 1 可控硅 晶闸管 SCR普通型SCR电压高达6000V 电流达数千安培 自身电压降约为1 5V 开通时仅需在控制极上加一个小触发脉冲 关断电路复杂 工作频率不大于500HZ 主要用做整流器和静态开关 2 MOSFET晶体管全控型器件 采用电压控制 开关速度快 但其输入阻抗高 承载能力和工作电压较低 多用于电压为500V以下的低功率高频率能量变换装置 3 BJT 功率GTR 晶体管开关时间长 自身压降大 往往要求驱动电路输出很大的电流 造成较大的功耗 4 IGBT场效应晶体管IGBT是新发展起来的复合型电力电子器件 既有单极型电压驱动的MOSFET的优点 又有双极型器件BJT耐压高 电流大的优点 IGBT的最高电压为1200V 最大电流为1000A 工作频率高达100KHZ 普遍用于逆变器和斩波器 有的也用于整流器 24 UPS的基本组成部件 充电器 逆变器 静态开关 电池 25 逆变器 固定频率斩波在一个正弦周期内 斩波脉冲的前沿相位总是固定的 脉冲间隔相对于斩波频率是均匀的 通过在固定的时间间隔内调节脉冲宽度 来符合基准正弦波 图中的两条正弦波包络线对应于基准正弦波的容限范围 1 采用IGBT和频率调制PWM斩波技术 26 自由频率斩波在一个正弦周期内 斩波脉冲的前沿相位是不固定的 脉冲间隔也是不固定的 斩波频率适配于调整的需要 即基准正弦波形的变化率 当基准正弦波形的变化率增大时 斩波频率增大 斩波脉冲的宽度减小 变窄 反之 当基准正弦波形的变化率减小时 斩波频率下降 斩波脉冲的宽度增大 变宽 在整个周期内 尽管自由频率斩波的平均斩波频率与固定频率技术的斩波频率是相同的 大约为几kHz 但其调整性却更好 因为换向在正弦波变化率较高的区域内加速 27 GalaxyPW Galaxy3000 Galaxy CometS31 低频 高频 充电器 PFC整流器 28 标准整流器这是由六只可控硅SCR组成的三相整流桥 这种类型的整流器吸收n 6k 1 这里的k为整数 次的谐波电流 主要是H5和H7 H11和H13的幅值相对较小 利用滤波器可以控制这些谐波对上线的注入 洁净 PFC 功率因数校正 整流器这种类型的整流器由六只内置的IGBT组成的三相整流桥和正弦波调整系统组成 这种技术确保了输入电压和输入电流 同为完美的正弦波 即不含谐波 相位相同 即输入功率因数接近于1 有了这种类型的整流器 就不再需要滤波器了 29 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间断 容错功能使供电系统在各级供电发生故障的情况下以 低级 方式运行 在维修所必须的时间内 负载继续得到供电并创造产值 容错系统 有意识的逆变器停机 过载超过了逆变器限定的能力 这种切换可以被人为地禁止 内部故障 以下的任意一种原因都可能导致自动切换 30 容错功能提高了可用性 31 UPS的储能技术 UPS需要一个储能系统在市电故障或超限的情况下给逆变器供电 存储的能量必须具有如下的特性 它能立即用来提供过渡市电的间断 短期的电压下降或停电时的电力 具有足够的功率来为所有负载供电 即其额定容量等同于UPS系统本身的额定容量 后备时间 通常为10分钟 能适合负载的需要 并且能持续到获得其它的能源 例如由一台发电机组提供长时间的后备 可以使用的储能技术 电池 密封铅酸电池 开口铅酸电池 镍镉电池 超级电容 飞轮 传统飞轮 以低速旋转 每分钟1500转 并结合发电机组 中速 每分钟7 000转 或高速 每分钟30 000到100 000转 飞轮 32 输入功率因数和输出功率因数 输入功率因数低时的危害 视在功率的损失 电缆中的温度升高 中线电流增大 自污染负载 损坏电容 变压器降容 Derating 越高越好 UPS的供电质量 线性负载 非线性负载 33 对各种电气装置 谐波电流既不会产生有功功率也不会产生无功功率 只是通过焦耳效应产生损耗 即转变为焦耳热 ri2 34 所