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东方集团UPS电源工程师培训 UPS基础知识东方集团技术培训中心 基本公式 欧姆定律 U I R 电压 电流 电阻 伏特 安培 欧姆 正弦电流 T Imax 数值大小和方向都按正弦波的规律周而复始循环变化的电流 i Imax sin2 ft 正弦电流的三要素 幅值Imax或有效值IrmsIrms Imax 2频率f或周期Tf 1 T相角 三相交流电路 对称的三相交流电路有效值相等 频率相等 相位相差120度 三相负载 星形连接的负载 线电压和相电压间的关系是ULL 3ULN 1 732ULN以市电电压为例 单相电压220V相间电压220 1 73 380V若总负载15KVA 对称负载 则 每相负载15 3 5KVA相电流 5000 220 22 73A L1L2L3N 380V380V220V 基波与谐波 基波 频率f为50HZ的正弦波 谐波 频率为基波的倍数的正弦波 2次谐波f 2 50HZ 3次谐波f 3 50HZ谐波分为电压谐波和电流谐波 电流谐波 主要由非线性负载产生 例如开关电源 晶闸管 整流器等 电流谐波会导致电压谐波在基波上叠加谐波 波形会发生畸变 基波与谐波 无功和高次谐波电流对电网造成的危害 增加电网容量和配置导致电网电压畸变 严重干扰其他用电设备导致变压器等电气设备损耗增大 过热 绝缘老化 降低寿命引起计算机等精密电子设备运行不正常引起异步电机振动加剧 噪声增大对通讯线路 测量线路产生辐射干扰影响电能计量精度 基本概念 整流 交流AC直流DC逆变 交流AC直流DC 串联并联 基础知识 视在功率S 单位 VA 指负载从交流电源吸取电流有效值与电源电压有效值的代数乘积 有功功率P 单位 W 指负载从交流电源吸取的全部用以做功消耗的功率 无功功率Q 单位 Var 指在交流电源与负载之间来回转换 但不被负载消耗的那部分功率 功率因数cos 指负载从交流电源吸取的有功功率与视在功率的比 S U I COS P S S P Q 222 专业名词 UPS的容量指UPS的额定输出规模 通常用VA表示 用以说明UPS额定工作 满载 时输出的视在功率的值 UPS的输入功率因数指UPS作为电网的负载 表现出的功率因数 即UPS从电网吸取的有功功率与视在功率的比 UPS的输出功率因数一般指UPS的有功功率与视在功率之比 其大小由负载性质决定UPS的效率指UPS输出的有功功率在全部输入的有功功率中占的成分 它标志着UPS本身损耗的大小 专业名词 输出电压稳定精度指在市电 逆变供电时 当输入电压在设计范围内变化 以及负载在满载负荷内100 变化时 输出电压的变化量与额定值的百分比 负载对此项指标的要求并不高 以计算机类的负载为例 因为机内大多是配置了开关型的直流电源 它容许输入电压在20 30 范围内变化 输出电压波形失真度所谓波形失真度是指计算机输入交流电压中所有高次谐波有效值之和与基波有效值的百分比 数据表明 波形失真度小于10 的情况下就可以满足计算机的要求 输出电压频率稳定精度 电池供电时 UPS输出电压频率的变化量与额定频率 50HZ 的百分比 专业名词 输出电压切换时间市电掉电时UPS由市电逆变供电 或市电稳压直接供电 转换为电池逆变供电过程中 UPS的输出可能出现的短时间的断电时间 输出电流峰值系数输出电流峰值与电流基波有效值的比值 典型值为3 4 大小由负载决定 该指标主要用来衡量UPS的输出能力输入电流的谐波成分输入电流的谐波成分形成的输入功率是无功的 它是造成UPS输入功率因数低的一个重要的因数 可对电网电压造成严重污染 频率跟踪速率当市电频率变化时 逆变器工作频率跟踪市电频率变化响应能力 专业名词 电压浪涌指一个或多个周期电压超过额定电压值的110 电压尖峰指在二分之一周至100ms期间内叠加的电压脉冲噪声电压是指叠加在工频电压上的低幅度 频率范围很宽的高频分量过压指超出电网电压正常有效值一定百分比的稳定电压电压跌落指一个或多个周期电压低于80 85 额定电压有效值欠压指低于正常电压有效值一定百分比的稳定低电压电源中断指超过一个周期的无电压状态 工频机与高频机 工频稳定性好 可靠性高体积大 重量重功耗大 效率不高 高频可靠性不高 功率器件瞬间承受大负载冲击 功率器件易损坏 体积小 重量轻效率高 工频机结构简单 但是输入输出变压器体积大 同时对于市电和负载变化的动态响应差 为了消除高次谐波 其输出滤波器体积也大 高频机是目前普遍采用的 自关断器件的应用决定了其主电路简化 同时提高了工作频率 降低了换流损耗 提高了逆变器的工作效率 UPS概念变化 UPS UninterruptablePowerSupply 不间断电源 为重要部门电网掉电提供持续供电保障50 70 都为电源故障 停电占百分之几对于供电质量提出了更高的要求 UPS UninterruptablePowerSystem 产品 系统 高可靠 高性能 高度自动化的供电中心主机运行高效 高可靠 适应性强 电网 负载 高可用性和可维护性很强的网络保护功能 UPS分类 按电路主结构分类 后备式 在线互动式 在线式 双逆变电压补偿在线式从后备时间分类 标准机 长效机按输入输出方式分类 单相输入 单相输出 三相输入 单相输出 三相输入 三相输出 从输出波形分类 方波 正弦波从输出容量分类 微型 小于或等于1KVA 小型 大于1KVA 小于或等于5KVA 中型 大于5KVA 小于或等于30KVA 大型 大于30KVA UPS作用 解决公共电网存在的问题 a 实现双路电源的不间断相互切换 b 隔离作用 将瞬间间断 谐波 电压波动 频率波动及电压噪声等电网干扰阻挡在负载之前 c 电压变换 稳压作用 d 频率变换 稳频作用 e 提供一定的后备时间 影响UPS运行的几种市电问题 电涌 powersurges 指输出电压有效值高于额定值110 而且持续时间达一个或数个周期 电涌主要是由于在电网上连接的大型电气设备关机时 电网因突然卸载而产生的高压 高压尖脉冲 highvoltagespikes 指峰值达6000v 持续时间从万分之一秒至二分之一周期 10ms 的电压 这主要由于雷击 电弧放电 静态放电或大型电气设备的开关操作而产生 暂态过电压 switchingtransients 指峰值电压高达20000V 但持续时间界于百万分之一秒至万分之一秒的脉冲电压 其主要原因及可能造成的破坏类似于高压尖脉冲 只是在解决方法上会有区别 电压下陷 powersags 指市电电压有效值介于额定值的80 至85 之间的低压状态 并且持续时间达一个到数个周期 大型设备开机 大型电动机启动 或大型电力变压器接入都可能造成这种问题 电线噪声 electricallinenoise 系指射频干扰 RFI 和电磁干扰 EFI 以及其它各种高频干扰 马达的运行 继电器的动作 马达控制器的工作 广播发射 微波辐射 以及电气风暴等 都会引起线噪声干扰 频率偏移 frequencyvariation 系指市电频率的变化超过3Hz以上 这主要由应急发电机的不稳定运行 或由频率不稳定的电源供电所致 持续低电压 brownout 指市电电压有效值低于额定值 并且持续较长时间 其产生原因包括 大型设备启动和应用 主电力线切换 启动大型电动机 线路过载 影响UPS运行的几种市电现象 电压低市电停电谐波干扰频率波动 高电压尖峰线路噪声电压波动瞬态尖峰电压浪涌 衡量UPS的优劣 UPS主机要对电网环境有较强的适应能力要注意UPS对各种负载的适应能力提高电池性能 加强对电池的管理系统配置的灵活性和冗余功能智能化和网络保护能力对UPS硬件系统的考察 UPS原理基本分类 后备式 off line 在线互动式 line interactive 双变换在线式 on line 后备式 off line 智能调压 充电器 DC AC Vin 输出转换开关 后备式特点 效率高达98 UPS本身不产生附加输入功率因数 谐波电流市电存在 输出能力强存在转换时间 4ms左右 满足一般负载要求电压稳定精度不高输出转换开关 受切换电流能力和动作时间限制 功率做不大 在线互动式 line interactive 输入开关 智能调压 AC DC Vin 在线互动式特点 效率高达98 UPS本身不产生附加输入功率因数 谐波电流市电存在 输出能力强存在很短的转换时间电压稳定精度不高逆变器同时有充电功能 节省UPS 后备 附加充电器 双变换在线式 on line Vin Vout 旁路开关 AC AC DC DC 双变换在线式特点 提供高质量的电源市电掉电 无任何转换时间UPS功率余量有限输入功率因数低 THD高 整机效率不高 UPS的可靠性与可用性 MTBF 平均无故障时间MTTR 故障恢复时间MTBF MTTR 一个服役周期A 可用性MTBF 即为可靠性 提高A 增大MTBF 减小MTTR MTBF MTTR T 年 A MTBF MTBF MTTRA 1 1 MTTR MTBFMTBF A 100 MTTR 0 A 100 可靠性和可用性提高 提高可靠性元器件的选用UPS的拓扑结构UPS的制造工艺并机 冗余技术 提高可用性现场维修时间TRUPS管理响应时间TMUPS技术服务系统TS 电源系统实现冗余的几种方式 单机 并机满载冗于 Input Output StaticBypass BypassPanel 电源系统实现冗余的几种方式 隔离冗余方式 串联并机 主输出 主机 从机 维修旁路 静态旁路 静态旁路 维修旁路 主输入 旁输入 主输入 隔离冗余方式 串联并机 隔离冗余热备份 即串联冗余 UPS热备份即UPS串联冗余 有主机和从机之分 其基本原理是 主机正常时100 地承担负载电流 故障时由从机提供后备电源 由于备用UPS是在主机旁路处在等待工作状态 故称为热备份 缺点 1 主机静态开关发生故障时 将可能中断整个系统供电 出现瓶颈故障 2 在市电故障 市电超限时 因为UPS封锁旁路 所以主 从机无法切换 造成热备份失效 3 备机长期处于备用状态 电池也长期处于浮充状态 影响电池寿命 4 目前尚无一个简单的方式实现 互为热备份 电源系统实现冗余的几种方式 并联冗余方式 主输入 主输出 主旁路 负载全部转移此机 并联冗余方式 一 并联冗余是将多于两台同型号 同功率的UPS 通过并机柜 并机模块或并机板 把输出端并接而成 目的是为了共同分担负载功率 其基本原理是 正常情况下 两台UPS均由逆变器输出 平分负载和电流 当一台UPS故障时 由剩下的一台UPS承担全部负载 三机并联也是常用的一种方式 例 60KVA的负载 三台30KVA并联 一台UPS出现故障 另两台UPS仍然可以承担全部负载 此为N 1并联冗余 还有N 2 3等 并联冗余的本质 是UPS均分负载 并联冗余方式 二 要实现并联冗余 必须解决以下技术问题 1 各UPS逆变器输出波形保持同相位 同频率 2 各UPS逆变器输出电压一致 3 各UPS必须均分负载 4 UPS故障时能快速脱机 并联冗余的缺点 1 由于要求功率均分 因而调试困难 有些品牌UPS要在满负载运行时调节功率均分 另外 输入 输出线长 线径都是影响均分的因素 2 并机柜系统如发生故障 将中断整个系统供电 瓶颈故障 采用DSP控制技术 具有高超的冗余并联运行技术 采用DSP技术并机 1 并机运行的UPS独立控制电压与相位 没有公共控制部分 不存在瓶颈故障 2 并机调试非常简单 只须每台UPS参数设置完毕 即可投入并联运行 3 由于采用DSP控制技术 并机运行的每台UPS输出滤形 电压都非常一致 因此并机环流很小 4 多机并联运行 SYNTHESIS系列 三台并联 EDP90系列 六台并联 5 在并联系统中任意一台UPS故障时 DSP控制技术可以在正弦波的任意一点切换 使故障UPS快速脱机 由其它UPS继续不间断地供电 并联冗余技术的要点说明 大功率UPS相位跟踪在 3 两台UPS并联有可能在相位上相差6 造成电压差 sin6 30V 因而在输出端会造成很大的环流 就有可能使逆变器因过载而烧毁 另外 UPS机内各种元件电参数的微小差异也会导致输出电压的差异 同样可以导致环流 目前 世界上并机技术较好的公司可将环流控制在2 4 UPS与逆变器的比较 一 一 UPS形式 1 UPS可工作在市电状态下由逆变器向负载供电 2 UPS具有旁路切换功能 逆变器故障时可切换到市电状态 继续保持供电 3 UPS可直接对一定容量的电池组进行充电 并对电池的状况进行监测 4 UPS作为一个完整独立的电源系统 包括整流器 充电器 逆变器 静态旁路开关 手动维修旁路开关及电池组 二 逆变器形式 B交流输出A静态开关1 正常使用时仍为逆变器形式 静态开关置于A处 在逆变器故障时 静态开关置于B处 由市电或发电机电力供应至负载 2 此种形式之逆变器 适用于功率大约在5KVA至10KVA之间 UPS与逆变器的比较 二 一 适用场所的比较UPS作为一个完整独立的电源系统 可以适合在任何场所应用 且结构紧凑 占地面积小 逆变器适用于具有48V电池组的邮电系统 因为逆变器的工作还需要外配充电器 电池组等外部设备 因此结构松散 占地较大 不易布置 二 输出功率的比较因为逆变器是限定的48V电池组供电 由于电池组电压较低 当输出功率要求较大时 对功率模块及生产工艺要求愈高 因此逆变器大功率输出难以实现 目前生产的逆变器最大输出的功率约为10KVA左右 而UPS由于自身带有电池组 电池组的直流电压可根据输出功率的要求自行设置 最高可达几百伏 因此可以制成单机五 六百千伏安的UPS 近来由于技术的进一步发展 UPS还可以采用并联方式供电 一方面实现更大的功率输出 另一方面可以作到容量备份 当一台UPS故障时 不会影响正常的交流输出 使负载在更加安全 可靠的供电情况下进行工作 UPS与逆变器的比较 三 三 对电池组的寿命比较UPS本身带有电池管理功能 具有智能电池管理功能 可将电池寿命延长30 对所使用电池的充电过程进行监控 浮充电压作为环境温度的函数自动调节 并周期性对电池进行测试检查 电池如有故障将警告用户 四 抗干扰方面的比较UPS在结构上采用钢架式结构 外壳采用防锈钢板折弯而成 且有极强的屏蔽性 符合电磁兼容性要求 一般在设计中特意在流线型塑料外壳内