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UPS基本概念 什么是UPS 电能质量国家标准摘要电网存在的质量问题UPS的分类UPS的基本组成部件功率因数UPS系统的组成 GE数字能源 电源质量刘天宇 南区 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 VFI BAT 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 电能质量国家标准摘要 电能质量国家标准摘要 电能质量国家标准摘要 电网存在的质量问题 电网存在的质量问题 电噪 频率波动 断电 谐波 尖峰 欠压 过压 电网中干扰的类别与比例 UPS的作用 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 UPS的两路电源无间断相互切换功能 UPS 二路供电 一路供电 M1 M2 输出 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 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 220V UPS的频率变换作用 50Hz 50Hz 60Hz 输入 频率变换 输出 稳频作用 60Hz 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15分钟 30分钟 1小时 2小时等 甚至更长 UPS的高质量及高可靠性供电 UPS的分类 动态型 旋转型 发电机 惯性飞轮 直流发电机静态型后备式在线互动式双变换在线式 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 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 静态UPS 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 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 静态UPS 双变换在线式 工作原理 对于大规模集中式的应用 真正在线式或称双转换系统见上图 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 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 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 静态UPS 双变换在线式 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 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 UPS的基本组成部件 整流器 逆变器 静态开关 电池 SitePro LanPro SG 工频 高频 PFC整流器 TruePro UPS整流器 SCR工频整流器由三只或六只可控硅SCR组成的三相整流桥 分别称为六脉冲和十二脉冲整流器 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 IGBT 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 UPS整流器 正弦脉宽调制 SPWM 逆变器正弦脉宽调制是根据能量等效原理发展起来的一种脉宽调制法 利用三角波和正弦波的共同作用而产生出正弦脉宽调制波 目前市场上UPS大多采用这种逆变器调制方式 采用IGBT和空间矢量调制技术 UPS逆变器 空间矢量调制 SVM 逆变器空间矢量调制是新一代脉冲宽度调试 PWM 逆变器调制技术 SVM采用先进的PWM转换技术来驱动绝缘栅双极型晶体管 IGBT SVM的目标是使用较简单的转换形式组合来生成输出电压矢量 在传统的PWM中 三角波还与基准正弦波进行比较 结果是经过脉冲宽度调试的矩形波 用于为IGBT提供闸控信号 PWM信号必须进行实时计算 通常需要进行三维计算 三个相角上各一次 以确定逆变器状态 通过使用SVM 计算简化为极坐标平面中的二维 空间矢量 提高了响应速度 改善了系统性能 GEUPS采用这种逆变器调制技术 UPS逆变器 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 容错功能 有意识的逆变器停机 过载超过了逆变器限定的能力 过温 内部故障 以下的任意一种原因都可能导致自动切换 UPS静态旁路 1 RealOn lineTechnology DoubleConversion TherectifieralwaysconvertsACintoDC chargesthebatteryandfeedstheinverter Theinvertercontinuouslysuppliestheloadwithconstantvoltageandfrequency Whenthemainsfails theinverterisautomaticallysuppliedbythebattery Rectifier Battery Inverter StaticBypass Load Mainsinput 容错功能使UPS具有高可用性 2 RealOn lineTechnology DoubleConversion