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ups 系统 1 UPSUPS 系统系统 一 简述一 简述 UPSUPS 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 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 二 为什么要使用二 为什么要使用 UPSUPS 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 1 从电网提取电流的波形与电压波形不一致的负载 2 阻抗随加在其两端的电压而变化的负载 3 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 ups 系统 2 三 三 电网中的骚扰电网中的骚扰 A A 何为何为电网中的骚扰电网中的骚扰 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时的现象 B B 电网中的骚扰分类电网中的骚扰分类 1 停电 短时间的 长时间的 2 电压变化 电压跌落 过电压 欠电压 电压尖峰 三相不平衡 骚扰骚扰 特征特征 主要起因主要起因 主要后果主要后果 停电停电 Power outages 间断间断 Micro outages 电压完全消失 10 毫秒 大气条件 切换 故 障 电网施工 运行故障和数据丢失 计算 机系统 或生产中断 连续处 理过程 停电停电 Outages 电压在一个周期以上的完全消失 短时停电 3 分钟 70 的停电都小于 1 秒钟 长时停电 3 分钟 大气条件 切换 故 障 意外事故 电网 施工 视停电持续时间而定 机器 停机并危及人身 如电梯 数据丢失 如计算机系统 或 生产中断 如连续处理过 程 ups 系统 3 3 频率变化 频率波动 过高 过低 闪烁 4 其它骚扰 高频瞬态冲击 谐波 电磁兼容性 C C 电网中骚扰的解决方案电网中骚扰的解决方案 1 为了消除这些电网中的干扰 制定有关的供电标准 i 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 ii 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 380V 220V 相数 三相五线制或三相四线制 单相三线制 骚扰骚扰 特征特征 主要起因主要起因 主要后果主要后果 频率频率变化变化 Frequency variations 频率频率波动波动 Frequency fluctuations 频率的不稳定性 典型情况为 5 6 10 秒钟时间间隔的平均值 发电机组的调整 发电机组的运行失调 频率不稳定的电源 这些变化超出了某些仪表 和计算机的容限范围 通常 为 1 因此可能会导 致数据的错误或丢失 闪烁闪烁 Flicker 由于电压和频率 35 Hz 的下降造成照明系统的闪 烁 电焊机 电动机 电弧 炉 X 光机 激光 电 容组 生理骚扰 骚扰骚扰 特征特征 主要起因主要起因 主要后果主要后果 其它骚扰其它骚扰 Other disturbances 高频瞬态高频瞬态 HF transients 突然 巨大和非常短暂的电 压跳变 类似于电压尖峰 大气现象 雷击 和电网切换 破坏设备 加速 老化 器件或绝 缘故障 极短的持续时间 Short duration 1 微秒 幅值 100 微秒 峰值为额定电压的 3 到 5 倍 频率为几百 KHz 感性负载停机或高压故障通过 电磁耦合传输到低压系统 谐波失真谐波失真 Harmonic distortion 非线性负载吸收的谐波电流造成 电流和电压的波形失真 25 次以 上的谐波往往可以忽略不计 带磁芯的电力机械 电动机 空载 变压器 等等 开关电源 电弧 炉 变频调速器 设备需增容 温度 升高 电容谐振 毁坏变压器 电动 机噪声增大 电磁兼容性电磁兼容性 EMC 电磁或静电的传导或辐射骚 扰 目标是保证低发射率和 高抗扰性 电子部件 晶体管 可控硅 二极 管 的开关 静电释放 敏感性电子装 置的功能失常 ups 系统 4 2 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 i 国际电工委员会制定的标准 IEC1000 3 2 ii 欧洲标准 EN60555 2 iii 瑞士标准 ASE3600 iv 美国标准 IEEE519 v 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 3 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 D D 各种电气装置解决方各种电气装置解决方案的比较案的比较 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 计算机房供电允许变化的范围计算机房供电允许变化的范围 级别级别 项目项目 A 级级 B 级级 C 级级 电压变化电压变化 5 5 10 7 15 10 频率变化频率变化 Hz 0 2 0 2 0 5 0 5 l l ups 系统 5 四 四 UPSUPS 的主要作用的主要作用 1 两路电源之间的无间断相互切换 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 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 ups 系统 6 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 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 说明 说明 1 1 和和 5 5 是保证对负载供电的连续性 是保证对负载供电的连续性 2 2 3 3 和和 4 4 是保证对负载供电的质量 是保证对负载供电的质量 ups 系统 7 五 五 UPSUPS 的基本组成的基本组成 如果只有一路电源 通信 板 负 载 正常交 流输入 旁路交流输 入 静态 开关 1 2 3 4 5 6 7 9 8 10 13 14 11 15 16 12 去楼宇监控系统 去电话网络 输出配 电和保 护开关 FAH modem 板 监控PC机 维修旁路 市电 电网 滤波 器选 件 输入配电 和保护开 关 逆变器 整流器 充电器 电池 1 整流器整流器 充电器充电器 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 2 逆变器 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 3 3 电池 电池 ups 系统 8 a 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 b 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 c 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 4 4 静态开关 静态开关 a 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 b 以下的任意一种原因都可能导致切换 i UPS 自行关机 ii 超越逆变器容量上限的过载 iii 内部故障 5 5 手动维修旁路开关手动维修旁路开关 a 用于在维护时将负载切换到旁路 b 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 6 6 市电输入开关 市电输入开关 7 7 静态旁路输入开关 静态旁路输入开关 8 8 逆变器输出开关 逆变器输出开关 9 9 电池断路器 电池断路器 6 7 8 9 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 1010 旁路输入隔离变压器旁路输入隔离变压器 选件选件 当负载由旁路供电时提供 UPS 输入 输出的电气隔离 1111 电压匹配变电压匹配变压器压器 选件选件 将电压调节至所需的值 1212 输入谐波滤波器输入谐波滤波器 选件选件 ups 系统 9 在主电源输入端 有可能需要在整流器安装谐波滤波器 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配电总线中的电压失真度 将 THDU 总谐波电压失 真度 控制在允许的水平内 1313 内置通信接口板 内置通信接口板 1414 调制解调器接口 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 1515 输入配电柜和保护 输入配电柜和保护 选件选件 1616 输出配电柜和保护 输出配电柜和保护 选件选件 15 16 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 六 六 UPSUPS 的基本运行原理的基本运行原理 A 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 ups 系统 10 手动 旁路 整流器 充电器 电池 负载 Iu I输入 I1 浮充或再充电 主交流 输入 旁路交流 输入 逆变器 静态 开关 B 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 手动 旁路 整流器 充电器 电池 负载 Iu 主交流 输入 旁路交流 输入 逆变器 静态 开关 C 恢复充电运行方式 ups 系统 11 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 手动 旁路 整流器 充电器 电池 负载 Iu I输入 I1 浮充或再充电 主交流 输入 旁路交流 输入 逆变器 静态 开关 D 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 手动 旁路 整流器 充电器 电池 负载 I故障 I Isc2 故障 主交流 输入 旁路交流 输入 逆变器 静态 开关 E 维修运行方式 ups 系统 12 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 手动 旁路 整流器 充电器 电池 负载 Iu Iu 主交流 输入 旁路交流 输入 逆变器 静态 开关 七七 UPSUPS 分类分类 UPS 已从 60 年代的旋转发电机发展至今天的具有智能化程度的静止式全电 子化电路 并且还在继续发展 主流的 UPS 厂商有 APC 山特等 都提供各种级 别的 UPS 满足不同用户群的需要 目前 UPS 一般均指静止式 UPS 按其工作方 式分类可分为后备式 在线互动式及在线式三大类 1 后备式 UPS 平时处于蓄电池充电状态 在停电时逆变器紧急切换到 工作状态 将电池提供的直流电转变为稳定的交流电输出 因此后备式 UPS 也被 称为离线式 UPS 后备式 UPS 电源的优点是 运行效率高 噪音低 价格相对便 宜 主要适用于市电波动不大 对供电质量要求不高的场合 比较适合家庭使用 然而这种 UPS 存在一个切换时间问题 因此不适合用在关键性的供电不能中断的 场所 不过实际上这个切换时间很短 一般介于 2 至 10 毫秒 而计算机本身的 交换式电源供应器在断电时应可维持 10 毫秒左右 所以个人计算机系统一般不 会因为这个切换时间而出现问题 后备式 UPS 一般只能持续供电几分钟到几十分 钟 主要是让您有时间备份数据 并尽快结束手头工作 其价格也较低 对不是 太关键的电脑应用 比如个人家庭用户 就可配小功率的后备式 UPS ups 系统 13 内部示意图 后备式 UPS 有高频 UPS 及工频 UPS 电脑用 UPS 一般用高频 UPS 为宜 但一 般不接感性负载 如打印机 复印机 如果需要带感性负载那么最好采用工频 ups 工频 UPS 还具有防雷击功能 2 在线互动式 UPS 是指在电网正常供电 而且其电压和频率在允 许范围内 通过自动旁路开关由电网直接向负荷供电 当电网电压和频率 不稳定 超过允许范围内时 则市电通过整流器逆变器向负荷供电 当电 网电压 频率稳定在设定的范围内 UPS 又经自动旁路开关由电网直接向 负荷供电 当电压 频率超过允许范围 则市电又转回到通过整流器逆变 器向负荷供电 内部示意图 互动式 UPS 的优点 成本低 正常情况下效率高 输出电压稳定 缺点 输 出频率不稳定 存在转换时间 4ms 不适用场合 不适合发电机组供电和市电 不稳定环境 不适合高速通信及计算机应用 3 在线式 UPS 在线式 UPS 在工作时 首先将市电转化为直流电给 UPS ups 系统 14 电池充电 同时逆变器将此直流电逆变为交流电为负载供电 由于市电经过了交 流到直流 再到交流的转换过程 所以市电中原有的干扰和脉冲电压成分已经过 滤得非常干净 因此 由在线式 UPS 逆变出来的电压很稳定 由于逆变电路始终 在工作 所以当停电时 UPS 能马上将其存储的电能通过逆变器转化为交流电对 负载进行供电 从而达到了输出电压零中断的切换目标 另外广告里提到的双变 换就是指这款 UPS 的输出电压经过了两次交直流的互相转换过程 而高频则表示 UPS 内部工作在高频环境下 高频 UPS 的好处是体积小 重量轻 工作效率高 其坏处是抗过载抗冲击能力差 八 八 如何正确使用和维护如何正确使用和维护 UPSUPS 现在不少 ISP 网络服务提供商 为保证自己服务器上的信息能随时被外界 访问 都使用 UPS 来持续向服务器供电 UPS 供电系统由主机和蓄电池两部分组 成 这两部分价格不但昂贵 而且对使用环境特别讲究 如果用户不能正确使用和 维护 UPS 不但不能使 UPS 有效地发挥作用 严重时可能会缩短其使用寿命 1 1 对存放重要信息的计算机进行重点保护对存放重要信息的计算机进行重点保护 每台计算机都有可能因电源电压不稳定或者由于其他原因引起计算机在使 用过程中突然断电 对于一般计算机来说 这种突然断电可能是再平常不过的事 情了 但如果对那些存放重要信息的计算机来说 可能就会给用户带来不可估量 的损失 因此从保护的实用价值角度出发 用户应该只对那些少数的重要计算机 进行电源保护 以便让 UPS 保障物有所值 2 2 根据保护对象选择合适的根据保护对象选择合适的 UPS UPS ups 系统 15 如果选购 UPS 是为了保护存放重要信息的计算机 那么必须确保 UPS 能提供 额定值正常范围的保护电压 这样在市电出现停电的时刻 UPS 能瞬间完成切换 到后备电源的过程 使计算机在短时断电时仍能顺畅运行 不会出现数据丢失和 系统关闭的现象 在市电电源中断时间超长的情况下 UPS 可以启动电源管理软 件安全关闭计算机系统 保证数据的完整性 这样 UPS 不仅保护计算机的硬件 也保护了硬件内的数据 如果选购的 UPS 是为了保护网络服务器 那么选购的 UPS 除了要具有防浪涌电压功能外 还应具有防止数据线浪涌的功能 以确保 UPS 在 市电电源停电时可在满载条件下至少运行 5min 以上 从而避免网络交换设备受 到市电的干扰 另外 适配服务器的 UPS 最好还要有智能电池管理功能 3 3 不能长期按照额定功率来运行不能长期按照额定功率来运行 UPS UPS 在许多人看来 要充分发挥 UPS 的功效就应该让 UPS 一直在额定功率状态下 运行 这样虽然正确 但是如果 UPS 长期满载运行可能会大大缩短其使用寿命 UPS 使用的原则应该是让 UPS 尽量用于关键设备 而不是把根本就没有必要进行 电源保护的设备都连接到UPS上 这样只能额外加重UPS的运行负担 缩短其使用 寿命 正确的做法是适度控制好 UPS 的负载率 保证 UPS 的负载量不超过其 额定功率的 85 当然也没有必要让 UPS 过分低载运行 4 4 后备式后备式 UPSUPS 不宜用在对电源敏感的设备上不宜用在对电源敏感的设备上 后备式 UPS 平时处于蓄电池浮充状态 在停电时逆变器切换到工作状态 将 电池提供的直流电转变为稳定的交流电输出 不过这种 UPS 存在一个切换时间的 问题 不适合用在对电源敏感的设备保护上 因为尽管这种 UPS 切换时间很短 但是对电源敏感的设备 例如一些控制精度非常高的设备来说 不但要求电源电 压要持续 而且还必须稳定 一旦电源有微小的波动 其工作状态就能发生很大的 变化 5 5 应确保应确保 UPSUPS 的配电柜使用的是空气开关的配电柜使用的是空气开关 为了确保 UPS 的使用安全 还必须注意 UPS 配电柜使用的开关 因为如果接 UPS 的配电柜采用普通的老式闸刀开关 这种开关在接通或者断开电源的时候会 有拉弧的现象 这种现象会产生突发尖端电流 从而对市电电源产生额外的干扰 如果配电柜采用的是新式空气开关 就可以利用空气开关的消弧功能来避免拉弧 现象 从而确保市电电源的稳定性 另外旧式开关由于采用的是熔断式保险丝 ups 系统 16 在电流响应方面比较迟钝 这样一旦遇到短路或者其他特殊情况时 就不能及时 切断电源 6 6 保护服务器的保护服务器的 UPSUPS 应具有智能管理功能应具有智能管理功能 服务器是网络中的核心 网络中所有重要的信息全部存放在其中 一旦服务 器发生意外 整个网络可能就处于瘫痪状态 为了能及时对服务器的任何异常作 出响应 这就要求与服务器相连接的 UPS 具有智能管理功能 例如对服务器的供 电能进行自动管理和调整 或者说当电源遇到突发故障时 UPS 能自动关闭服务 器的操作系统并关闭其电源 另外 UPS 的智能功能还包括将服务器的有关信息通 过网络传递给操作系统或网络管理员 以便服务器管理人员能实时地进行远程控 制和管理 7 7 让蓄电池在合适的环境中工作让蓄电池在合适的环境中工作 对于电源柜内的铅酸蓄电池 用户能做哪些维护工作呢 其实 对蓄电池所做 的维护工作最重要的就是让蓄电池在合适的环境中工作 因为蓄电池对工作环境 的温度有较高要求 温度适宜可以让蓄电池发挥出最佳潜能 而且还会延长蓄电 池的使用寿命 为此 尽可能地让蓄电池的工作环境温度保持在 25 左右 如果 温度过高会缩短蓄电池使用寿命 温度太低 UPS 达不到标称的延时 另外在组装 蓄电池时 要千万注意不能将容量不同 出厂品牌不同的电池混合使用 这样会让 UPS 的实际使用效果大打折扣 8 8 所选所选 UPSUPS 的容量应该与保护对象的功率相匹配的容量应该与保护对象的功率相匹配 不同容量大小的 UPS 在价格上相差是很大的 如果选择的 UPS 容量低于负载 功率 那么 UPS 就不能正常对这些设备提供电源保护 相反 如果选择的 UPS 容量 明显高于负载设备功率 UPS 使用容量必然只能达到需要保护的设备的功率 那 么 功率高的那一部分所花费的资金就浪费了 因此用户在选择 UPS 时最好先把 需要保护的设备的功率计算一下 然后再选择一个容量至少和负载要求一样大的 UPS 当然 如果用户需要保护的设备在将来可能会增加的话 可以在现有基础之 上适当考虑一些余量 9 9 不要把电感不要把电感性负载连接到性负载连接到 UPSUPS 上上 由于电感性负载在接通电源或者断开电源的一瞬间 会产生振荡电流 这种 电流的峰值将远远大于 UPS 所能承受的电流值 这种振荡电流很容易引起 UPS 的 ups 系统 17 瞬时超载 如果超载的次数很多 将会大大缩短 UPS 的使用寿命 因此建议不要把 一些不重要的电感性负载 例如把电冰箱或者空调之类的家用电器连接到 UPS 上 10 10 在选购时要学会检测在选购时要学会检测 UPS UPS 为了检验选购的UPS是否符合实际需要 在选购UPS之后 还必须通过现场测 试来确认一下所选的 UPS 是否与实际需要相符 测试时主要检查的内容包括对 UPS 的启动检查 报警和自动关机检查 电池供电 充电时间检查 市电 电池切 换点检查等 检测 UPS 能否对计算机提供断电保护简单的方法就是突然拔掉 UPS 的