第七章、UPS电源.doc

目录第七章 不间断电源(UPS)系统.第一节、 不间断电源(UPS)概述第二节、 不间断电源(UPS) 系统的应用第一节、 不间断电源(UPS)概述一、 不间断电源(UPS)的主要功能当主电源出现故障或完全停电时，对重要的负荷提供独立的和不间断的电源，使供电维持预定的工作时间，并且向用户提供高质量的正弦波电源。另外，不间断电源可以作为重要负荷的备用电源。二、 海上石油平台不间断电源(UPS)的用途1、作为临时应急电源以便在主电源和备用应急电源发生故障时, 给通信、导航、火灾控测及仪表控制等系统供电至少半小时。2、为保证整个电气系统的安全操作，真空开关（VCB）和空气开关（ACB）的跳闸电源来自UPS，电压为110V。三、 不间断电源(UPS)的基本组成一台设计良好的UPS电源应该包括如下部分：1、 交流输入滤波回路以及整流回路；2、 蓄电池及充电回路3、 PWM脉冲宽度调制型的逆变器4、 各种保护（过流、过压、空载保护，电池电压过底，电池极性和交流极性检测）线路及相关指示灯和喇叭；5、 交流主电源供电与UPS逆变器供电之间的自动切换装置6、 控制回路。如图1-1所示。四、 不间断电源(UPS)的主要类型 不间断电源(UPS)的主要有以下四种类型：1、在线式(On line)UPS电源，其单机输出功率从0.7kVA1500kVA 对于这样的机型，当用户采用多机“冗余”配置方案时，可将69台具有相同输出功率和相同型号不间断电源直接并机而形成70008000 kVA的大型不间断电源供电系统，向用户提供高质量的正弦波电源。2、在线互动式(Interactive)UPS电源。其单机输出功率从0.7kVA20KVA，对于这种情况来说，当主电源在150V264V的范围内，不间断电源向用户提供经铁磁谐振稳压器或经变压器抽头调压处理的一般主电源，当主电源电压低于150V,或高于264V时UPS电源才向用户提供真正的“UPS逆变器高质量的正弦波”电源。当主电源供电正常时，这种UPS 的逆变器承担起电池充电器的功能。3、后备式（off line）正弦波输出不间断电源。其单机输出功率从025kVA2kVA，当主电源在170264V的变化范围内，不间断电源向用户提供经变压器抽头调压处理的主电源，当主电源电压低于170V,或高于264V时不间断电源才向用户提供真正的“不间断电源逆变器”高质量的正弦波电源。4、后备式（off line）方弦波输出UPS电源。其单机输出功率从025kVA1kVA当主电源在165V270V的变化范围内，用户使用的是主电源，当主电源电压低于165V,或高于270V时，UPS电源才向用户提供具有稳压输出特性的50HZ方波电源，由于这种UPS向用户提供的时50Hz方波，所以不容许用户带电感性负载（例如电风扇、日光灯等）否则，不是造成UPS电源的逆变器烧坏，就是造成用户的负载损坏。按照技术性能的优劣排列，其顺序是在线式(On line)UPS电源、在线互动式(Interactive)UPS电源、后备式（off line）正弦波输出UPS电源、后备式（off line）方弦波输出UPS电源源根据近几年的市场销售来看，后备式（off line）正弦波输出UPS电源因其性能价格比不好，已逐渐被淘汰。常用的UPS不间断电源品种及主要性能参数见表7-2厂家SENTECKSENDENPUSLETOSHIBA型号UPS-500UPS-500UPS-1000RUPS-1000输出功率0.5kVA0.5kVA1kVA1kVA输入电压220v+12%-12%220v+12%-12%220v+10%-10%220v+10%-15%输入频率50Hz5%50Hz5%50Hz5%50Hz5%输出波形方波方波正弦波，失真度5%正弦波，失真度3%输出电压220v+5%220v+10%220v+8%-5%220v+3%输出频率50Hz10%50Hz10%50Hz+5%50Hz1%输出电压瞬变特性过载能力差差较好100%负载变化时1.0%150%,60秒效率0.80.850.80.850.80.7电池供电时间全载5分半载10分全载5分全载12-15分半载35-45分全载10-12分电池组2x(12V,6AH)2x(12V,6AH)2x(12V,24AH)8x(12V,6AH)转换电压170Vac170Vac170Vac170Vac工作方式后备式后备式后备式在线式五、不间断电源(UPS)的工作原理采用以微处理器调控为特征的小型在线UPS电源为例介绍UPS的工作原理。如图1-2所示，UPS有两条供电通路向负载供电,一条是主电源直接经交流旁路通道被送到小型转换继电器的常闭触点。另一条是主电源经整流滤波器和逆变器通道到小型转换继电器的常开触点。1、 控制部件：一台UPS中至少应该包括以下控制部件：1） 交流输入EM1/RF1滤波器及整流滤波器2） 免维护密封电池组及其充电器3） 采用脉宽调制方式运行的逆变器4） 控制电路及微处理器所用的直流辅助电源5） 各种自动保护控制电路6） 微处理器及故障“自诊断”检测系统7） RS232或DB9接口及其相应的电源监控软件2、工作原理:如图1-1所示，主电源经EM1/RF1 滤波器对于来自电网的电磁干扰和射频干扰进行衰减和抑制处理，然后分四路分别送往以下各后级电路，第一路直接经交流旁路供电通路送到转换继电器的常闭触点；第二路经充电器对不间断电源内的蓄电池进行“浮充”充电，以便一旦主电源终端时蓄电池有足够的能量来维持不间断电源正常工作；第三路送到具有“输入功率因数校正”特性的整流滤波器的输入端；第四路向锁相同步电路送去同步跟踪信号。当按下位于不间断电源前面板上的“开机起动”开关后，由电池组所提供的高压直流电源经内部的低压直流辅助电源进行DC/DC处理后，产生控制电路和微处理器所需的低压直流电源（5V和12V），此时微处理器开始进行初始化自检操作程序，之后，在微处理器的控制下，逆变器电源进入正常运行阶段。采用脉宽调制法控制的整流器、滤波器将不稳压的市电电源变成幅值稳定的直流高压电源V1，并且将V1 送到逆变器的直流总线的输入端。当市电电源供电正常时，在微处理器的调控下从DC/DC变换器送出的另一直流电源的电压V3小于从整流器输出的直流电源电压V1 。在此条件下，由于二极管D处于反向偏执状态，因此DC/DC变换器不向逆变器提供能量。与此同时，逆变器在微处理器所送入正弦脉宽调制脉冲的调控下，重新将直流电源V1变成标准的50Hz正弦波V4。由于在不间断电源的逆变器的调控器中电压负反馈控制电路 微处理机 逆变器电源输出电压组成闭环负反馈控制电路，保证不间断电源的逆变器向负载提供稳压精度为0.5%1%的稳压电源。不间断电源内部的 锁相同部电路可以保证从逆变器输出的电压具有如下特性：当主电源的频率在锁相同部电路容许的同步窗口内（50Hz-+2Hz）内时，逆变器输出的电压与主电源的频率保持锁相同部关系，当主电源的频率超过锁相同部电路容许的同步窗口（50Hz-+2Hz）时，逆变器电源不再跟踪主电源，而是回到不间断电源本机的振荡频率50Hz。在不间断电源内配备有后备直流电源供电系统，系统由蓄电池和DC/DC直流变换器组成，在不间断电源运行中，如果遇到主电源出故障或停电，在微处理器的控制下，DC/DC直流变换器将立即投入运行，将蓄电池的端电压提升到完全符合逆变器输出要求的电源V1的电平上以确保不间断电源所输出的电源不间断的向负载供电。由于在不间断电源的逆变器中采用高频（20Hz40 Hz）的正弦脉宽调制技术(SPWM)，从逆变器输出的正弦波电源既有非常标准的正弦波形，带线性负载时，其波形失真度为12%，带非线性负载时，其波形失真度为5%。3、自动保护功能为了确保不间断电源中的逆变器和电池祖等关键部件不致因偶然操作而损坏，需要在不间断电源中设置各种保护，其中有两种自动保护电路是必不可少的。1）不间断电源逆变器输出过载或短路的自动保护当遇到负载端出现严重过载，甚至短路时，保护电路将会立即将不间断电源的逆变器电源至于自动关机状态，以防止位于逆变器电源中的晶体管、MOS管或IGBT管等功率放大元件被烧毁。与此同时，为了确保对用户负载的连续供电，控制电路还将在完成上述操作的同时，让不间断电源做一次从逆变器供电 交流主电源供电的切换操作，这样一来，负载就可以利用驱动能力很强的主电源来暂时维持正常工作。2）电池电压过低自动保护当不间断电源在运行过程中主电源出现故障或主电源供电中断时，蓄电池组将立即承担起向逆变器提供直流电的工作。随着主电源故障时间的延长，电池组的端电压将逐渐下降。当电池组的端电压下降到“电池电压过低”阈值电平时，为了防止电池组因过度放电而损坏，不间断电源将通过“电池电压过低自动保护电路”将逆变器置于立即关机状态，从而达到停止电池放电的目的。六、UPS个 各部分功能简介1)、蓄电池目前在不间断电源中，广泛使用蓄电池作为储存电能的装置。蓄电池的工作是先用直流电源对其充电，将电能转化为化学能储存起来，当主电源供应中断时，不间断电源将依靠储存在蓄电池中的能量维持其逆变器的正常工作。此时蓄电池通过放电将化学能转化为电能提供给不间断电源使用，目前被广泛使用的中小型不间断电源是无需维护的密封式铅酸蓄电池，它的价格大约占不间断电源总生产成本的1/32/5。据统计在返修中的UPS电源中，由于蓄电池故障而引起的不间断电源不能正常工作的比例大约占1/4，对于常延时（4或8小时）不间断电源而言，蓄电池的成本甚至超过不间断电源主机的成本。由此可见，如果正确的使用和维护好蓄电池组，可以延长蓄电池的使用寿命，蓄电池的寿命一般科达35年以上。2）不间断电源蓄电池的种类不间断电源要求所选用的蓄电池必须具备短时间内输出大电流的特性,一般要求蓄电池后备供电时间在10分钟。目前常用的蓄电池由三种都属于铅酸蓄电池。目前被广泛使用的经济型HS型蓄电池和低温工作的AHH型蓄电池适用于长放电时间要求得CS型蓄电池小型密封式M型蓄电池其中第三种M型电池因其体积小，而且密封无需维护而广泛应用于小型UPS电源中。以上各种蓄电池的结构，原理和特点见表7-3，常用的中、小型UPS电源中的蓄电池规格和特性见表7-3、7-4、7-5、7-6表7-3蓄电池的结构，原理和特点名称涂桨式高效铅电池复盖式铅电池小型密封铅电池型号HSCSM活性物质阳极二氧化铅（PbO2）阴极海绵状铅（Pb）电解液稀硫酸（H2SO4）比重1.24/201.215/20反应式PbO2 + 2H2SO4 + Pb=PbSO4 +2H 2O+ PbSO4标称电压2.0V阳极板结构在铅锑合金格子里填充阳极活性物质在铅锑合金心棒与外包覆的玻璃纤维管之间填充阳极活性物质在铅钙合金格子里填充阳极活性物质阴极板结构铅锑合金格子里填充阴极活性物质铅钙合金格子里填充阴极活性物质表7-4日本汤浅牌（Yuasa）NP型电池的技术参数型号电压（伏）容量（安时）厂x宽x高（厘米）重量NP6-121269.3x7.3x10.72.0NP12-1212121.5x9.8x115.1NP15-12121518.1x7.6x16.75.9NP24-12122417.5x16.6x12.58.65NP38-12123819.7x16.5x1713.8NP65-12126535x16.6x17.422.8NP100-121210041x17.5x2533表7-5美国大力神 （Dynasty）密封面维护电池规格型号电压（伏）容量（安时）厂x宽x高（厘米）重量UPS12-95123319.5x13x18.412.1UPS12-170125022.8x13.6x22.218.2UPS12-225127526.1x17.4x23.824.6UPS12-275129030.6x17.4x2429UPS12-3001210033x17.4x2432.5UPS12-4751214033.4x17.2x27.848UPS6-6201220032.1x17.4x25.932.6表7-6德国阳光牌（Dryfit）A400系列蓄电池的技术规格型号电压（伏）20小时放电速率的标称时）厂x宽x高（厘米）重量A406/1656165244x190x25331A412/201220176x167x1237.7A412/501250306x175x19020A412/851285286x26x20837A412/10012100513x189x19540A412/12012120513x223x19549A412291x216702）、脉冲宽度调制逆变器（PWM）在不间断电源中，逆变器把由主电源滤波后得到的直流电或者来自蓄电池的直流电，重新变换成频率稳定、输出电压受负载影响小、波形畸变因数满足负载要求的交流电。目前在小型不间断电源的逆变器中，普遍采用脉冲宽度调制技术来实现将直流重新变为交流的目的。脉冲宽度调制是采用宽度和距离不同的一组脉冲来等效正弦波电压，属于这类方法的有；单脉冲法、多脉冲法，消除特定谐波法，谐波效应最小法，三角波调制法，最小法形畸变率控制法等，这些方法的特点是：不仅可以改善输出电压的波形，而且还可以很方便地调节逆变器的输出电压有效值。虽然在设计逆变器时，已经考虑最大限度的抑制低次谐波分量，但是即使设计良好的逆变器，它的输出电压波形的畸变因数仍然在10%左右，为了满足波形畸变因数小于5%的要求，必须增加滤波器环节。一般小型的不间断电源中，滤波器是利用输出变压器漏电电感和并联电容组成滤波网络来实现的。滤波器对逆变器的特性由很大影响。它可以表现为：l 抑制逆变器输出电压中的谐波分量l 改善负载浪涌期间输出电压的瞬态响应特性l 限制负载短路时浪涌电流的上升率l 滤波器电路有一定的“续流”效应。在不同的不间断电源中当在逆变器供电和主电源供电之间产生转化时“续流”效应有助于实现不间断电源向负载提供不间断的供电。第二节 不间断电源(UPS) 系统的应用用户在挑选不间断电源时应根据自己的要求和可能来确定挑选标准，一般说来用户应该考虑一下三个因素： 1、产品的技术性能用户在考虑产品技术性能时，一般用户都注意到如下指标：输出功率、输出电压波形、波形失真系数、输出电压稳定度、输出频率稳定度、蓄电池可供电时间长短等因素。就目前的电子技术水平而言，保证不间断电源的交流输出电压的静态稳定度来说是不成问题的。然而对有的不间断电源品种而言，它的电压输出瞬态响应特性却很差这表现在：当负载突然加载或突然减载时，不间断电源的电压输出波动大。严重时，当负载突变时，有的不间断电源根本不能正常工作除了不间断电源的瞬态响应特性之外，还需十分注意不间断电源的负载特性（指不间断电源的某些技术参数是负载电流大小的函数）和承受瞬间过载的能力等性能参数应该指出的一点，方波输出的不间断电源不能带任何电感性负