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UPS电源的基础知识 梅兰日兰电子 中国 有限公司 UPS简介 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UPS的基本运行原理 单机 并机 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梅兰日兰UPS发展史UPS的基本技术指标 目录 page2 UPS的基础知识 UPS的定义UPS是英文UninterruptablePowerSupply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 page3 UPS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 page4 UPS的基础知识 UPS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 LinearLoad 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 DeformingLoads 或污染负载 PollutingLoad 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 page5 UPS的基础知识 UPS的主要作用 电网中的骚扰 定义 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 根据GB4824 1996的标准词汇 选用 骚扰 一词 page6 UPS的基础知识 UPS的主要作用 电网中的骚扰停电 短时间的 长时间的 page7 UPS的基础知识 UPS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 page8 UPS的基础知识 UPS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 page9 UPS的基础知识 UPS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 page10 UPS的基础知识 UPS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EN50160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 380V 220V 相数 三相五线制或三相四线制 单相三线制 page11 UPS的基础知识 UPS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GB12326 90 电能质量 电压允许波动和闪变 GB T14549 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 又避免电网中的骚扰进入和影响负载 page12 UPS的基础知识 UPS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 page13 UPS的基础知识 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骚扰阻挡在负载之前 即使负载对电网不产生骚扰 又使电网中的骚扰不影响负载 page14 UPS的主要作用1 两路电源之间的无间断相互切换 UPS的基础知识 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 page15 UPS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 UPS的基础知识 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 page16 UPS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 UPS的基础知识 UPS的分类和拓扑结构 1 被动后备式 PassiveStandby 也称为离线式OFF Line 组成充电器逆变器电池滤波器 调压器 page17 UPS的基础知识 UPS的分类和拓扑结构 1 被动后备式 PassiveStandby 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 page18 UPS的基础知识 UPS的分类和拓扑结构 1 被动后备式 PassiveStandby 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 page19 UPS的基础知识 UPS的分类和拓扑结构 1 被动后备式 PassiveStandby 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 page20 UPS的基础知识 UPS的分类和拓扑结构 1 被动后备式 PassiveStandby 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 page21 UPS的基础知识 UPS的分类和拓扑结构 2 线互动式 LineInteractive 组成 静态开关双向逆变器电池旁路开关 page22 UPS的基础知识 UPS的分类和拓扑结构 2 线互动式 LineInteractive 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 page23 UPS的基础知识 UPS的分类和拓扑结构 2 线互动式 LineInteractive 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 page24 UPS的基础知识 UPS的分类和拓扑结构 2 线互动式 LineInteractive 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 page25 UPS的基础知识 UPS的分类和拓扑结构 2 线互动式 LineInteractive 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 page26 UPS的基础知识 UPS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 page27 UPS的基础知识 UPS的分类和拓扑结构 3 双转换式 DoubleConversion 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 page28 UPS的基础知识 page29 单机UPS的基本组成 1 整流 充电器 由可控硅三相全控整流桥功率电路和相应的控制电路组成 它将电源1输入的交流电变换成直流电 供给电池组充电及逆变器的输入 2 逆变器 由IGBT逆变功率电路和相应的控制电路组成 它将整流 充电器输入的直流电变换为正弦交流电供给负载 3 旁路静态开关 由反并联的可控硅功率电路和相应的控制电路组成 它实现负载在逆变器与旁路电源2之间的不间断切换 4 电池电路 由可充电的电池组组成 将直流能量贮存在电池组中 当电源1停电或超限时 向逆变器电路释放能量 以对负载进行后备式的供电 5 各种隔离保护装置 a Q1 整流器输入开关 b QF1 电池电路保护开关 c Q4S 电源2或静态旁路输入开关 d Q5N 逆变器输出开关 e Q3BP 手动维修旁路开关 page30 UPS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 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 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 2 UPS的基本电路和组成 page31 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 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 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 2 UPS的基本电路和组成 page32 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GalaxyPW系列 上线隔离变压器能安装在UPS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 2 UPS的基本电路和组成 page33 13 内置通信接口板和 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 RS232ASCII 使用SNMP协议的以太网卡 JBUSRS485 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 2 UPS的基本电路和组成 page34 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GalaxyPW系列的UPS来说 这种保护措施可以作为选件集成在UPS中 在上线低压开关屏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 在下游低压开关屏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 2 UPS的基本电路和组成 page35 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 UPS的基本运行原理 page36 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 page37 UPS的基本运行原理 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 page38 UPS的基本运行原理 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 page39 UPS的基本运行原理 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 page40 UPS的基本运行原理 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 page41 UPS的基本运行原理 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具有各自的静态旁路 可实现 并联冗余 并联增容 优点 并联简单 不增大占地 价格适当 负载均分 缺点 所有UPS的旁路必须是同一路电源 可靠性略低 page42 UPS的基本运行原理 提高UPS可靠性的方法 公共旁路并联由2到6台同等容量的并联型UPS组成 采用大容量的公共静态旁路开关柜 以便实现 并联冗余 或并联增容 优点 公共旁路过载能力大 可靠性高 缺点 占地面积大 价格昂贵 page43 UPS的基本运行原理 并联冗余的UPS系统的组成 并联UPS系统由两台单机型UPS直接并联组成 UPS内部除增加了负载电流均分的连接线和两台UPS静态旁路的互锁电路 防止其中一台UPS逆变器停止时 其静态旁路误导通的情况 此外 其它电路与单机UPS完全相同 UPS的基本运行原理 page44 1 正常运行状态 负载由UPS1和UPS2的整流器 逆变器向负载供电 同时向各自的电池组充电 每台UPS的逆变器各带50 的负载运行 UPS的基本运行原理 page45 2 一台UPS故障状态 当其中一台UPS故障时 例如 UPS1 会自动退出运行 由剩下的一台UPS带100 负载运行 对故障的UPS可通过断开其Q1 QF1 Q4S Q3BP和Q5N等隔离开关进行安全地维修 维修之后再投入运行 其状态如1所述 即使在UPS没有发生故障时 也可利用这种状态对其内部进行维护保养 例如 清扫灰尘 紧固联接件 检测或更换电池等 UPS的基本运行原理 page46 3 UPS过载状态 当负载端发生较小过载时 由于UPS逆变器具有165 的过载能力 两台冗余的UPS已具有2x165 的过载能力 因此不会出现转静态旁路的现象 这里所说的过载状态应是负载端发生了大于330 的过载 这时两台UPS的控制电路会自动将负载从逆变器上切换到静态旁路上 当过载消失后会自动转回到逆变器上工作 如果过载长时间不消失 则静态开关经过一定的过载延时后会自动关闭 UPS的基本运行原理 page47 4 维修状态 当两台UPS不幸同时故障时 可利用其手动维修旁路向负载供电 同时断开内部的隔离开关对UPS进行安全检修 UPS的基本运行原理 page48 5 电池运行状态 当市电包括发电机不能正常供电时 UPS的电池组会自动放电 以维持负载的正常运行 UPS的基本运行原理 page49 从动态UPS 静态UPSUPS由早期电动机 发电机组成的动态机组发展到以半导体变流技术为基础的静态UPS 分立元件 数模电路 集成电路UPS的控制技术由早期的分立元件发展到数字集成电路 微处理器控制电路 到现在的16位微处理器控制电路 SCR GTR IGBTUPS的功率器件由早期的可控硅 SCR 逆变器发展到电力晶体管 GTR 逆变器 到现在为绝缘门极晶体管 IGBT UPS的整流器基本采用SCR桥式整流 个别UPS厂家已采用IGBT 或采用SCR IGBT混合的含功率因数校正功能的整流器 容量小于30KVA 例如梅兰日兰的GALAXY3000型UPS 数码管 LCD 图形界面 计算机通信UPS的人机对话界面从只有数码管 发展到有图形显示界面 现在又发展到了可以通过计算机的接口实现人机对话 梅兰日兰UPS发展史 page50 梅兰日兰UPS发展史 page51 梅兰日兰UPS发展史 page52 梅兰日兰静态不间断电源的发展历史由此可见 梅兰日兰每两到三年 即推出一个新产品 每五到六年 即更新一代同容量的产品 所以梅兰日兰的UPS始终保持着技术领先性能优异的特点 成为用户信赖的著名品牌 梅兰日兰UPS发展史 page53 UPS的常用技术指标 基本技术指标 page54 主交流输入主输入电压U1 380V 15 主输入频率F1 50Hz 10 输入范围越宽 对市电的要求越低 电池放电的机会越少 受市电影响也越小 启动电流 小于In 额定电流 UPS应具有斜坡启动的功能 以减小启动电流对电网的冲击 造成输入开关跳闸 输入功率因数PF 0 8 SCR 6p 或0 9 SCR 12p 0 95 SCR IGBT 0 99 PFC IGBT 输入电流谐波总失真度THDI 30 SCR 20 到30 SCR IGBT 10 SCR 12p 5 PFC IGBT THDI越大 对电网注入的谐波含量越大 特别是使用发电机时应注意 UPS的常用技术指标 基本技术指标 page55 旁路交流输入旁路输入电压U2 380V 10 旁路输入频率F2 50Hz 10 输入范围越宽 要求负载的输入范围也越宽短路电流ISC2 xxKA表示静态旁路的短路承受能力 对下线的保护装置很重要注 建议主电源与旁路电源采用分离供电方式 因为这样能提高系统的整体可靠性 但如果主低压开关柜中没有两个分离的回路时 主交流输入和旁路交流输入也可以由同一主电源提供 分为二根电缆 UPS的常用技术指标 基本技术指标 page56 UPS交流输出稳态输出电压 380V 0 5 到 3 输出电压越精确 对计算机的供电越稳定 但IE