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UPS基础技术知识培训 一 UPS的定义和作用二 UPS的基本原理三 工频机与高频机四 UPS主要技术指标说明五 单相机与三相机对比 一 UPS的定义和作用 UPS 是英语 UninterruptiblePowerSupply 的缩写不间断电源 是由电池组 逆变器和控制电路组成的 能在电网停电时提供不间断交流电力的电源设备 基本功能 1 电网正常时 市电通过UPS稳压后供应给负载 同时对电池充电 贮存后备能量 2 电网异常时 欠压 过压 掉电 干扰等 UPS将电池组的直流电转换成交流电维持对负载供电 3 UPS在电网供电和电池供电之间自动转换 确保不间断的供电 UPS的分类 根据UPS逆变器的工作方式UPS分成三种类型 后备式 离线式 back up off line 在线式 on line 和在线互动式 lineinteractive 根据逆变器输出波形可分成正弦波 阶梯波 或称方波 类正弦波 根据其功率容量我们习惯这样区分 小功率 0 5 10KVA 中功率 10 50KVA 大功率 50KVA以上 根据供电体制可以分成单进单出 三进单出 三进三出机型 根据电池后备时间可分成标机及长延时机型 二 UPS的基本原理 UPS系统组成 在线式 输入端口 EMI滤波 整流器 逆变器 旁路 充电器 蓄电池 显示界面 通讯接口 控制电路 输出端口 电池柜 输入 输出 在线式UPS工作原理 市电正常 在线式UPS工作原理 市电停电 在线式UPS工作原理 市电恢复 在线式UPS工作原理 旁路 逆变器过温过载故障 在线式UPS的特点UPS一直处于逆变器供电状态 输出波形好 输出稳定度高 3 动态响应好 不受市电波动及干扰的影响 市电与电池两种供电状态转换无切换时间 结构较后备式和在线互动式复杂 成本也高 功率容量2KVA以上 可以扩展采用串联或并联热备份方式提高系统可靠性 三 工频机与高频机 高频机 利用高频开关技术 以高频开关元件替代整流器和逆变器中笨重的工频变压器的UPS俗称高频机 高频机体积小 效率高 工频机 采用工频变压器做为整流器和逆变器部件的UPS俗称工频机 主要特点是主功率部件稳定 可靠 过负荷能力和抗冲击能力强 输入工频变压器 输出工频变压器 3K工频机3K高频机 高频电感 变压器 工频机与高频机的最大区别就是有工频输出变压器和输入变压器 而高频机则用体积很小的高频电感或高频变压器 认识区别 内部 3K工频机逆变器采用的IGBT模块 3K高频机逆变器采用的IGBT单管 认识区别 电路 工频输出隔离变压器 抗冲击 低零地电压 功率器件一般采用IGBT模块 直流母线电压一般在200VDC左右 器件应力小 电池直接接到直流母线 不必升压 传统的整流电路 简单可靠 工频机电路简单可靠 体积相对较大 成本较高 传统工频在线式电路 小功率高频机一般电路 增加一级电池DC DC升压电路 电路复杂 增加故障点 零线参与电路工作 导致UPS输出零地干扰大 零地电压高 且不易滤除 输出无隔离变压器 抗冲击差 逆变器采用IGBT单管 功率富余量小 易击穿 逆变器击穿时 近800VDC直流高压威胁到负载安全 直流母线电压高达 400VDC 器件工作应力大 市电输入带PFC 电路复杂 易损坏 油机适应性差 优势对比 工频机优势 优点 A 输出稳定度好 1 精度 B 电网的适应性强 范围可达 25 C 输入输出带工频变压器 输入工频变压器可以很好的抗市电冲击和波动 市电适应范围宽 发电机的适应性大大优于高频机 输出工频变压器可以抗负载冲击 当逆变器击穿时 可以保护负载安全 D 功率级采用IGBT模块 功率富余量很大 输出功率因数一般在0 8以上 工作可靠性加强 技术成熟 可靠性好 也有利于防潮绝缘 E 维护方便 维修成本低 简单可靠 线路经典成熟 几十年的传统电路 已经非常成熟可靠 电池不在此升压 电路简单 元器件数目较少 故障点少 维护速度快 优势对比 工频机缺点 A 成本相对较高 采用工频变压器 铜 硅钢 大功率IGBT模块 价格高B 总体体积 重量比高频化的略大 工频变压器的体积的重量相对高频机要大很多 优势对比 高频机优势成本低 取消价格昂贵的工频变压器 采用IGBT单管体积小 重量轻 采用高频电感 高频变压器的体积 重量相对工频小很多市电输入带PFC校正电路 PFC一般大于0 9 优势对比 高频机缺点 可靠性较差 电路复杂 整机有市电输入PFC校正 电池DC DC升压 逆变器三大电路 器件多 故障点也多整机的电压高达800VDC 400VDC 功率器件的工作应力很大 容易击穿为减小成本 逆变器一般采用IGBT单管 功率富余量很小 容易损坏无输出隔离变压器 抗负载冲击能力差 当逆变器击穿时 800VDC直流高压威胁负载安全带载能力差 输出无隔离变压器 功率器件富余量小 输出功率因数一般只有0 65 0 7发电机适应性差 输入采用PFC 导致市电的适应性较差 当市电波形较差时 接发电机 往往出现市电不能接入的情况 UPS的故障率也相应提高输出零地电压干扰大 零地电压高 不易滤除不适合带精密设备逆变器采用半桥电路 输出含有直流成份 不适合带感性负载 适用范围 工频机适用于 电网不稳定需要接发电机负载冲击较大 有感性负载高频机适用于 电网稳定 不接发电机负载稳定 一般只限于计算机负载预算紧张时 四 UPS主要技术指标说明 输入输出功率因数逆变输出波形谐波失真切换时间过载能力效率电磁兼容性 EMC 什么是功率因数 1 最基本回答 拿设备作举例 例如 设备功率为100个单位 也就是说 有100个单位的功率输送到设备中 然而 因大部分电器系统存在固有的无功损耗 只能使用70个单位的功率 很不幸 虽然仅仅使用70个单位 却要付100个单位的费用 在这个例子中 功率因数是0 7 如果大部分设备的功率因数小于0 9时 将被罚款 这种无功损耗主要存在于电机设备中 如鼓风机 抽水机 压缩机等 又叫感性负载 功率因数是马达效能的计量标准 基本回答 每种电机系统均消耗两大功率 分别是真正的有用功 叫千瓦 及电抗性的无用功 功率因数是有用功与总功率间的比率 功率因数越高 有用功与总功率间的比率便越高 系统运行则更有效率 所谓功率因数 是指任意二端网络 与外界有二个接点的电路 两端电压U与其中电流I之间的位相差的余弦 在二端网络中消耗的功率是指平均功率 也称为有功功率 它等于 P UIcos 由此可以看出 电路中消耗的功率P 不仅取决于电压V与电流I的大小 还与功率因数有关 而功率因数的大小 取决于电路中负载的性质 对于电阻性负载 其电压与电流的位相差为0 因此 电路的功率因数最大 而纯电感电路 电压与电流的位相差为 2 并且是电压超前电流 在纯电容电路中 电压与电流的位相差则为 2 即电流超前电压 在后两种电路中 功率因数都为0 对于一般性负载的电路 功率因数就介于0与1之间 输入功率因数是表示UPS本身具备的负载特性及向电网引入有功功率的情况 简单的理解就是利用市电的能力水平 提高此项指标不仅可以降低线路损耗 节约电能 消除火灾隐患 还可以减少对市电的谐波污染 提高市电的供电质量 获得较大的经济效益及社会效益 提高输入功率因数的方法由无源功率因数校正技术发展到有源功率因数校正技术 没有采用校正技术的输入功率因数很低 最理想的输入功率因数是1 对于电源系统来说 没有固定的输出功率因数 所谓的电源输出功率因数事实上是指用电负载的输入功率因数 或是一组负载所获得的合成功率因数 而负载的输入功率因数一旦在产品制造出来以后 便是相对固定的 或是随负载运行状态而变化的 例如UPS的输入功率因数在不同的负载率条件下就是一个变化的量值 而额定标度是指100 负载率下的输入功率因数值 对于UPS来说 由于它具有双重的身份 面对前级供电的变压器 发电机等 它是这些电源的负载 因此其输入功率因数是需要标度的 但当它面对用电负载时 它又是供电的电源 与其它交流电源系统是相同的 即没有固定的输出功率因数 当它为不同类型的负载供电时 所输出的表观功率 kVA 和有功功率 kW 是随着负载的用电需求而变化的 因此在国家标准中并没有UPS 输出功率因数 一词的定义 有一种错误的解读 认为 UPS的输出功率因数越高越好 事实上 负载 输入 功率因数越低 则UPS带非线性负载的能力就越强 若UPS的输出能力能够做到从超前的 0 0到滞后的 0 0 那么这台UPS就可以带任何性质的负载了 因为 0 0一 0 0的功率因数包括了功率因数从0一1之间的任何性质的负载 但这样的UPS其成本必然会很高 缺乏实际的应用市场 所以UPS的输出能力只要能够满足所供电的负载阻抗特性和容量即可 而无需一味地追求高功率因数 谐波 在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致 当电流流经负载时 与所加的电压不呈线性关系 就形成非正弦电流 从而产生谐波 谐波是正弦波 每个谐波都具有不同的频率 幅度与相角 谐波可以I区分为偶次与奇次性 第3 5 7次编号的为奇次谐波 而2 4 6 8等为偶次谐波 如基波为50Hz时 2次谐波为l00Hz 3次谐波则是150Hz 一般地讲 奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大 在平衡的三相系统中 由于对称关系 偶次谐波已经被消除了 只有奇次谐波存在 对于三相整流负载 出现的谐波电流是6n 1次谐波 例如5 7 11 13 17 19等 变频器主要产生5 7次谐波 谐波是主电网频率的倍数 电网频率f 50赫兹3次谐波f 150赫兹5次谐波f 250赫兹 谐波的危害十分严重 谐波使电能的生产 传输和利用的效率降低 使电气设备过热 产生振动和噪声 并使绝缘老化 使用寿命缩短 甚至发生故障或烧毁 谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振 使谐波含量放大 造成电容器等设备烧毁 谐波还会引起继电保护和自动装置误动作 使电能计量出现混乱 对于电力系统外部 谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰 谐波失真 THD 指原有频率的各种倍频的有害干扰 放大1kHZ的频率信号时会产生2kHZ的2次谐波和3kHZ及许多更高次的谐波 理论上此数值越小 失真度越低 由于放大器不够理想 输出的信号除了包含放大了的输入成分之外 还新添了一些原信号的2倍 3倍 4倍 甚至更高倍的频率成分 谐波 致使输出波形走样 这种因谐波引起的失真叫做谐波失真 电磁兼容性electromagneticcompatibility EMC 设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力 GB T4365 1995中1 7 电磁兼容性包括两方面 EMI 电磁干扰 EMS 电磁耐受 两方面 其中EMI包括 CE 传导干扰 RE 辐射干扰 PT 干扰功率测试 等等EMS包括 ESD 静电放电 RS 辐射耐受 EFT B 快速脉冲耐受 surge 雷击 CS 传导耐受 等等以上的各种试验都要由专门的实验室进行测试 是电子类商品进入市场前要取得认证的必要条件 中国这样的实验室很多 我司就有这样一个专门的实验室 三进单出与三进三出利弊比较 特点比较1 单相输入机型工程安装时配电线路布线较简单 单相三线 使用也比较灵活 可以适应较多场合 不利的是 如果功率较大 会造成配电变压器的不平衡 降低变压器效率 所以一般适用于20KVA以下的UPS 10KVA的负载容量对大多数的配电变压器影响不大 2 三相输入机型为使配电变压器平衡供电 20KVA以上的UPS多数采用三相输入方式 但三相输入配电线路较复杂 三相五线 安装有一定难度 如相序问题 电气安全 380V 等 3 三相输出问题对于三相输出UPS 其布线同样复杂 三相五线 尽管多数UPS都能三相完全不平衡带载 但三相不平衡会造成UPS零线电流升高及输出零地电压上升 对于网络通讯 计算机设备明显不利 所以三相供电仍须考虑平衡带载 这就提高了设备管理的难度 而且三相电火线对火线电压380V或更高 如果接线错误 对于普通用电设备 额定电压220V 及人身安全都是很不利的 所以三相电一般需要熟练的电工来操作 但国内许多用户单位明显达不到这点要求 对于三相输出UPS 其每一相的带载能力为总功率容量的1 3 例