UPS的内部接线及工作原理

1 UPS的内部接线及工作原理课件 第一部分 概述 1 1定义UPS UninterruptiblePower 即不间断电源 是将蓄电池与主机相连接 通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备 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稳定 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立即将电池的直流电能 通过逆变零切换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 UPS设备通常对电压过高或电压过低都能提供保护 2 1 2UPS电源的分类按电路主结构分为四大类1 后备式UPS 2 在线式UPS 3 串并联调整式UPS 4 在线互动式UPS 3 4 按后备时间分类 标准机和长效机 1 标准机 配备有内置蓄电池组的UPS称为标准机 一般配置蓄电池容量较小 用于短时间供电 如5 15分钟 使用户及时保存数据和系统正常关机 由于受体积和重量的限制 标准机仅局限于中 小功率的UPS 2 长效机 需外接蓄电池组的UPS称为长效机 长效机的容量从几百伏安到几十千伏安可供选择 在实际应用中长效机有着很大的机动性 用户可以根据自己所需后备时间的长短来确定采用何种容量的蓄电池 5 2020年1月16日 1 3主要组成部分其中 1 整流器整流器把交流电能变为直流电能 为逆变器和蓄电池提供能量 其性能的优劣直接影响UPS的输入指标 可控硅整流器可控硅整流器输出容量大 可靠性高 工作频率低 滤波器体积大 噪声大 适用于输入电压低 功率大的UPS 二极管与绝缘栅双极晶体管 IGBT 组合型整流器二极管与IGBT组合型整流器的工作频率高 具有功率因数校正功能 滤波器体积小 嗓声低 可靠性高 适用于中小功率UPS 6 2020年1月16日 2 逆变器逆变器用以把市电经整流后的直流电能或蓄电池的直流电能转换为电压和频率都比较稳定的交流电能 其性能的优劣直接影响UPS的输出性能指标 IGBT逆变器工作频率高 2OkHz 滤波器体积小 噪声低 可靠性高 7 2020年1月16日 3 旁路开关旁路开关是为提高UPS系统工作的可靠性而设置的 能承受负载的瞬时过载或短路电流 因UPS的逆变器采用电子器件 如IGBT管的过载能力仅为125 当UPS供电系统出现过载或短路故障时 UPS将自动切换到旁路 以保护UPS的逆变器不会因过载而损坏 UPS供电系统转入旁路供电后 是由市电直接供给负载的 因市电的系统容量大可提供足够的时间使过载或短路回路的断路器跳闸 待系统切除过载或短路回路后 旁路开关将自动转换回来 由UPS继续向其他负载供电 旁路开关可分为以下几种 8 2020年1月16日 静态旁路开关静态旁路开关为无触点开关 由晶闸管开关器件构成 所谓电子式静态转换开关 是将一对反向并联的快速晶闸管连接起来 作为UPS在执行由市电旁路供电至逆变器供电切换操作时的元件 由于快速晶闸管的接通时间为微秒级 同小型继电器毫秒级的转换时间相比 它只是小型继电器的千分之一左右 因此 依靠这种先进技术 可以对负载实现转换时间为零的不间断供电 正常工作时 只有逆变器供电通道或交流旁路电源通道中的一路电源向负载供电 只有当UPS需要执行由交流旁路电源供电至逆变器供电切换操作时 才会出现短暂的 约几毫秒至几十毫秒 两路交流电源在时间上重叠向负载供电的情况 静态开关可以将转换时间缩短到lms以下 甚至1OOus以内 但损耗较大 9 2020年1月16日 动态旁路开关动态旁路开关为有触点开关 由接触器和断路器构成 靠机械动作完成转换 动态开关转换过程会有几十毫秒的供电中断 故不能应用于重要的负载场合 现代的UPS己很少采用 4 蓄电池蓄电池用以为UPS提供一定后备时间的电能输出 在市电正常时 由充电器为其提供电能并转换为化学能 在市电中断时 其将化学能再转换为电能 为逆变器提供能量 10 2020年1月16日 5 隔离变压器在ups电源供电系统中之所以要配置隔离变压器 有些是ups电源设备本身要求的 隔离变压器是ups电源电路的一个重要的组成部分 有的是为了改善系统供电质而设置的 还有的是为了电网与负载设备的电压置式之间的匹配而设置的 11 2020年1月16日 第二部分 UPS的工作原理及特点 2 1后备式UPS 特点 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 转换时间长 后备式UPS的逆变器不是经常工作的 因此不易掌握逆变器的动态状况 容易形成隐性故障 适合不太重要的单台PC机使用 12 2020年1月16日 工作原理为 当市电电正常时 电网电压在UPS输入电压变化范围内 一路市电通过整流器对蓄电池进行充电 而另一路市电通过自动稳压器初步稳压 吸收部分电网干扰后 再由旁路转换开关直接提供给用户 此时 蓄电池处在充电状态 直到蓄电池充满而转人浮充状态 当电网电压或电网频率超出UPS的输入范围时 即在非正常的情况下 交流电的输入被切断 充电器停止工作 蓄电池进行放电 在控制电路的控制下逆变器开始工作 使逆变器产生220V 50Hz的交流电 此时UPS供电系统转换为由蓄电池一逆变器继续向负载供电 13 2020年1月16日 后备式正弦波输出UPS的主要特点 输出波形失真系数小于5 当负载过轻时 其波形失真系数将有所增大 因此这种UPS的负载需达到其额定值的30 以上 控制电路采用了5OHz市电同步技术 在一定程度上解决了市电一逆变器之间供电转换时的交流电同步问题 目前转换时间大约为4ms 其转换时间决定了它对负载大约有4ms的供电中断 小于微型计算机允许的中断值lOms 处于市电供电状态时 由于市电是直接通过抗干扰滤波器对负载供电的 因此噪声较小 处于逆变器工作状态时 由于脉宽调制频率为8kHz 因此噪声偏大 一般在55dB左右 市电或逆变器供电时均采用同一电源变压器 其交流输出端的相线与零线的位置是固定的 14 2020年1月16日 2 2在线式UPS 15 2020年1月16日 工作原理及特点 不管电网电压是否正常 负载所用的交流电压都要经过逆变电路 即逆变电路始终处于工作状态 在线式UPS一般为双变换结构 所谓双变换是指UPS正常工作时 电能经过了AC DC DC AC两次变换后再供给负载 当然为了提高的可靠性 双变换大线式UPS一般增加了自动旁路电路 小功率采用继电器转换便能满足要求 而大功率一般为采用可控硅 SCR 方式的静态开关 功率较大的UPS在此基础上还增加了手动旁路 维修开关 用于维修时保证负载继续运行 16 2020年1月16日 在线式UPS真正实现了对负载的无干扰 稳压 稳频供电 在线式UPS输出的正弦波的波形失真系数小 目前一般市售产品的波形失真系数均在3 以内 当市电供电中断时 UPS的输出不需要一个开关转换时间 因此其负载电能的供应是平滑稳定的 在线式UPS能实现对负载的真正的不间断供电 因此从市电供电到市电中断的过程中 UPS对负载供电的转换时间为零 由于在线式UPS工作过程是平时对蓄电池充电 当市电供电中断或超出UPS允许输入范围时 再由逆变器将蓄电池的电能逆变成交流电能 因此其电能的转化过程中有大约20 的电能损失 而且该过程所产生的热能又影响周围蓄电池的寿命和电路的可靠性 17 2020年1月16日 传统双变换在线式UPS这是一种目前应用历史最长 认为性能最好的UPS 它的结构特点是除了具有整流器和逆变器外 还有输出隔离变压器 增加隔离变压器主要原因是 由于过去电力电子器件的限制 缺少高耐压 大电流的功率器件作逆变器 整流器变换出的直流电压不能很高 所以逆变器输出的交流电电压较低 需要输出隔离变压器再进行一次升压 因其配有输出隔离变压器 可以将负载与市电中线进行有效的隔离和缓冲 它的工作特点是交流市电经整流器变为稳压直流 经过电容滤波后由逆变器变换为纯净的交流电 再经输出隔离变压器输出稳定适用的交流电压供给负载 18 2020年1月16日 2 3在线互动式UPS 19 2020年1月16日 工作原理及特点 在线互动式UPS有时被称为 准在线 输出UPS 在市电正常时 在线互动式UPS供给负载的是改善了的市电 市电故障时 负载完全由蓄电池提供的能量经逆变器变换后供电 在线互动式UPS中有一个双向 既可以当逆变器使用 又可作为充电器 所谓互动式就是指电源根据输入市电情况通过升降压或逆变实时调整电压输出 在线互动式UPS与双变换式相比 由于没有经过两次变换 其功率损失明显低于双变换机 因而效率高 可达95 以上 在市电供电时过载能力可达200 不带PFC的双变模式UPS由于采用可控硅 或二极管 整流 即使负载为线性负载 也会对市电产生较强的谐波电流 但互动式UPS在带线性负载时不会对市电产生污染 这种拓朴的缺点是 20 2020年1月16日 在市电供电时 输入电压只是幅度有所改善 而输入的失真 干扰等传递给了输出 动态性能不好 在输入电压或负载电流突变时 输出电压突变较大 恢复到新稳态所需时间长 稳压精度较差 对电网适应范围窄 如要提高精度和扩大适应范围 则必须增加变压器抽头的个数 UPS的输入功率因数由负载决定 如带计算机等整流性负载时 其输入功率因数也只有0 7左右 当双向变换器作为充电器使用时 其充电电压和电流不可控 大大地降低了蓄电池的使用寿命 21 2020年1月16日 2 4串并联调整式UPS串并联调整式UPS多采用双逆变电压补偿技术也称为Delta技术 它成功地将交流稳压技术中的电压补偿原理运用到UPS的主电路中 Delta变换型UPS的结构图 22 2020年1月16日 工作原理及特点 Delta变换器是一个正弦波电流源 串接在主电路中 它的功能是提供正弦波电流 监控蓄电池组的充电电平 调整输入功率因数 以及补偿市电电压与输出电压之间的差值 U 从电路结构上讲 它是一个双向变换器 逆变时输出功率 在主电路中对输入电压进行补偿 整流时吸收功率 对输入电压进行补偿 该拓朴一般应用在三相大功率UPS中 这种双变换电路拓朴把交流稳压技术中的电压补偿原理应用到UPS的主电路拓朴中 在主调压的基础上 再叠加一个可大可小 可正可负的电压 来弥补UPS输出电压与输入市电的差异 使UPS拓宽了市电输入范围 提高了输出稳压精度 23 2020年1月16日 1 Delta变换器它是一组DC AC和AC DC双向变换器 它的输出变压器的副边串联在UPS主电路中 其作用有三个 对UPS输入端进行输入功率因数补偿 使输入功率因数等于1 输入谐波电流降到3 以下 当市电存在时 与主变换器一起完成对输入电压的补偿 当输入电压高于输出电压额定值时 Delta变换器吸收功率 反极性补偿输入 输出电压的差值 当输入电压低于输出电压额定值时 Delta变换器输出功率 正极性补偿输入 输出电压的差值 是串联补偿 变换器承担的最大功率 当输入电压处于上限和下限时 仅为 输出功率的20 相当于输入电压变化范围 24 2020年1月16日 所以功率强度很小 最大有功功率仅为输出功率的1 5左右 功率余量大 这就大大增强了UPS的输出能力 与双变换在线式UPS相比 过载能力得到了增强 200 1min 不再对负载电流波峰系数予以限制 可从容地对付冲击性负载 也不再对负载功率因数进行限制 输出有功功率可以等于标定的kVA值 与主变换器一起完成对蓄电池的充电和浮充功能 25 2020年1月16日 2 主变换器该变换器同样是DC AC和AC DC双向变换器 它的功能有四个 同Delta变换器一起完成对输入 输出电压差值的补偿 同Delta变换器一起完成对蓄电池的充电和电压浮充功能 随时检测输出电压 保证输出电压的稳定 是个电压源 并对负载电流谐波成分进行补偿 使其不对电网产生影响 属于并联补偿 当市电中断时 全部输出功率由主变换器给出 并且保证输出电压不间断 轮换时间为零 当负载电流发生畸变时 也由主变换器调整补偿掉 在市电存在时 由于两个逆变器承担的最大有功功率仅为输出功率的1 5左右 所以元器乃至整机的寿命可靠性必然大幅度提高 整机效率在很大的功率范围内都可达到96 26 2020年1月16日 串并联调整结构UPS的缺陷 在市电存在时 Delta变换器承担的最大有功功率为额定功率的20 左右 但两个变换器承担的无功功率可能为输出功率的一倍 效率是个可变量 只有市电输入为额定值 负载为线性负载时 效率才达到最高值 尽管输入由两只可控硅隔离 当输入停电甚至出现短路时 相当于Delta变换器的负载出现过载或短路 将会断电 Delta变换器将进入保护状态 若保护失效 则故障将是毁灭性的 27 2020年1月16日 Delta变换型UPS虽然也是一种双变换电路 但不同于传统双变换型UPS 传统型UPS中两个变换器的工作是不可逆的 即第一个变换器只管整流 第二个变换器只管逆变 而图中两个变换器都是可逆工作的 两个变换器随时交替工作在整流和逆变状态下 在PWM控制下经LC滤波后取平均值 整流宽度大于逆变宽度时 平均值效果是给出功率 反之是吸收功率 28 2020年1月16日 不同UPS的比较 第三部分 UPS的选择与配置3 1UPS常用的三种供电方案 29 2020年1月16日 正常时由UPS主回路整流 逆变双转换进行负载供电 当整流器故障或主输入电源消失 则由后备蓄电池组逆变转换给负载供电 当逆变器故障或后备电池消失后 转由旁路电源进行供电 当UPS需要维护时 可切换至维修旁路回路工作 正常工作时 由UPS主回路整流 逆变双转换进行负载供电 两台UPS平均承担系统总负载 各承担50 当主机整流器故障或主输入电源消失 则由后备蓄电池组逆变转换给负载供电 两台UPS仍然各承担50 负载 当1台UPS故障时 系统自动识别并使其自动脱离整个系统 由另1台带100 负载继续供电 当2台UPS同时有故障时 负载可经UPS内部静态旁路开关转到公用旁路供电 30 2020年1月16日 31 2020年1月16日 正常工作时 双电源负载由来自于不同交流UPS电源供电 由UPS主回路整流 逆变双转换后进行负载供电 两台UPS不存在平均承担系统总负载的问题 无论UPS运行在逆变 电池或旁路状态 只要UPS输出端口有输出 则每一个负载都有两路独立的电源负载供电 当其中1台UPS完全故障 全停 并退出时 所有负载仍可由另1台UPS继续供电 3 2一般UPS系统设计过程如下UPS负载分类及容量统计UPS采用供电体系判别UPS供电方案确定UPS系统如何配置隔离变压器电池后备时间计算UPS的监控及后台管理 32 2020年1月16日 33 2020年1月16日 UPS容量计算工作时当负载容量为UPS容量的60 70 时 UPS处于最佳工作状态 经验公式 列 问用电负荷为5kW 功率因数为0 8时 选多大容量UPS 计算 选10KVAUPS即可 34 2020年1月16日 UPS供电方案确定 UPS系统应采用何种供电体系 起决于系统带负载的容量和输入电源要求 需要单相供电还是三相供电 只要负载中有一个三相负载 就必须采用三进三出的UPS系统 如果所有的负载都是单相负载 则选用何种供电体系 起决于所有的负载的容量总合 一般来说 10KVA容量以下系统 采用单进单出供电体系 10 80KVA容量的系统 采用三进单出供电体系 100KVA以上系统 采用三进三出供电体系 在一些工厂 虽然所有的负载都是单相 但也只在10 40KVA容量的系统采用三进单出供电体系 主要原因源于 供配电系统设计规范 GB500522009中的规定 是上游变压器容量和允许的不平衡电流大小决定的 35 2020年1月16日 具体应采用何种供电方案 起决于系统所带负载的重要性 对于运行当中可以有计划中断或停止运行的设备 可以选用单机供电 对于运行当中不能停电的重要单电源负载 选用并机供电 对于可以接入两路UPS电源的负载 优先选用双母线供电方案 选用具体的供电方案可以参考下表 实际运用中必须根据行业具体的项目 负载重要程度 运行中的实践经验积累 进行合理的选择 36 2020年1月16日 UPS系统如何配置隔离变压器隔离变压器在UPS中起到的主要作用可以归纳为 改变系统接地形式 提升输出电压 抑制共模电压干扰 抑制对上游配电系统的3次谐波干扰 对输入电源进行电气隔离 改变系统接地形式采用脉冲整流 IGBT逆变方式的UPS 由于采用的是全桥变换器 其经过逆变器的输出回路是不带中性线的 一般来说 UPS的负载通常必须具有中性线 因此 该UPS的输出电压不能直接接至负载 必须在UPS逆变器的输出端增加中性线 通过在UPS逆变器的输出端增加 三角 星 隔离变压器 便可在输出端增加中性线 从而改变系统的接地形式 37 2020年1月16日 设置在逆变器输出端的隔离变压器同时还起到了逆变器与用电设备的电气隔离的作用 38 2020年1月16日 提升输出电压采用脉冲整流 IGBT逆变方式的UPS 整流器将市电转换为直流电源 400V直流电源经PWM脉宽调制后 相电压只有180V 因此 在逆变器的输出端需设置变比为1 1 22的输出隔离变压器 以便将180V脉宽调制波提升到输出相电压幅值220V 抑制对上游配电系统的3次谐波干扰用电负荷中荧光灯 节能灯 办公设备等产生3次谐波的设备较多时 采用三角 星接法的隔离变压器 可抑制3次谐波对上游配电系统的影响 39 2020年1月16日 抑制共模电压干扰在电气设备的电源回路中 由于三相负荷的不平衡导致中性线和PE线间存在着电位差 这是因中性线通过三相不平衡电流产生的电压降而引起的 电子信息设备的信号电压和逻辑电压只有几伏 如果此电压降过大将使电子信息设备不能正常工作 此电压降被称作共模电压干扰 设置隔离变压器将输入电源与输出电源电气隔离 其二次绕组另起一电源系统给电子信息设备供电 则中性线与PE线间的电位差在此处又从0V开始 共模电压干扰可有效地降低 40 2020年1月16日 对输入电源进行电气隔离UPS系统的旁路隔离变压器主要作用是对旁路输入电源进行电气隔离 使来自于不同电源的电气系统通过隔离变压器形成新的电气系统 如图所示 UPS输入端的两个不同电源 主路输入电源 旁路输入电源 通过隔离变压器进行隔离 在输出端形成一个不受输入电源影响的独立的接地系统 41 2020年1月16日 42 2020年1月16日 UPS电池的计算与选择蓄电池容量 AH 是指在标准环境温度下 25 电池在给定时间指点终止电压时 1 80v 可提供的恒定电流 0 1C10 A与持续放电时间 10h H的乘积 I T 确定了UPS和蓄电池的品牌和UPS系统的后备时间 可以根据蓄电池数据中提供的很功率放电数据表或恒电流放电曲线 通过功率法 估算法以及电源法等计算方法来计算确定蓄电池的型号和容量 43 2020年1月16日 1 恒功率法 查表发 这种方法比较简便 根据蓄电池恒功率放电参数可以快速准确的选出蓄电池的信号 首先计算在后备时间内 每个2V单体电池至少应向UPS提供的恒功率 根据厂家提供的Vmin下的恒功率放电参数表中 找出等于或大于Pnc的功率值 这一功率值所对应的型号既能满足UPS系统的要求 如果表中所列的功率值小于Pnc值 可通过多组电池并联的方式达到要求 44 2020年1月16日 2 估算法这是根据蓄电池恒电流放电曲线来确定蓄电池容量和型号的方法 首先计算UPS系统要求的电池最大电流 Imax电池组提供最大电流Umin电池组最低电压根据UPS要求的后备时间从恒电流曲线查出放电速率n 然后根据放电速率定义 n Imax C10得出配置蓄电池的额定容量C10并确定电池型号 45 2020年1月16日 3 电源法I电池组电流Q电池组容量 ah K电池保险系数 取1 25T电池放电时间H电池放电系数 见表1U蓄电池放电时逆变器的输出电压 V 单体电池电压为1 85V时 A电池温度系数 1 当放电小时率 10时 取0 006 当1 放电率 10时 取0 008 当放电率 1时 取0 01 t实际电池所在地最低环境温度值 所在地有采暖设备时 按15 考虑 无采暖设备时 按5 考虑 46 2020年1月16日 表1电池放电系数表 47 2020年1月16日 4 恒流法Q 所需配置的电池容量 单位 安培 小时 Ah P 负载功率 单位 瓦 W T 备用时间 单位 小时 h V 电池组额定电压 见产品手册参数表 电池逆变效率 见产品手册参数表K 电池放电系数 48 2020年1月16日 举例说明 台达NT系列