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文档简介

1、第五章UPS第一节UPS发展概述UPS是不间断供电电源系统(Uninterruptible Power System)的英文简称, 是能够持续、稳定、不间断向负载供电的一类重要电源设备。从广义上说,UPS包含交流不间断电源系统和直流不间断电源系统。长期以来,电信业已习惯于把交流不间断电源系统称为UPS,故本章讨论的UPS也是界定在的交流不间断电 源系统的范围。随着计算机的普及和信息处理技术的不断发展,为了保证计算机的正确运 算,控制信号不出现丢失,保证设备的安全运行,人们对供电电源质量提出了越 来越严格的要求。计算机类或其他敏感先进仪器设备,除要求供电系统具有连续 可靠之外,还要求市电供电系统

2、的输出,保持良好的正弦波形且不带任何干扰。 一、市电供电电源质量问题目前,我国市电供电电源质量一般为: 电压波动土 10%,频率50Hz0.5Hz, 有些地区,还达不到这个标准。而市电电网中接有各式各样的设备,来自外部、 内部的各种噪声,又会对电网形成污染或干扰,甚至使电网污染十分严重。这些 污染主要有以下几种。(一)电压浪涌电压浪涌是指一个周期或多个周期,电压超过额定电压值的110%。比如重型设备的关机,由于电网中电流突然消失,具线路电感(分布参量)反电势造成 电压上升;另一方面,线路电阻上电压降的突然消失,也会造成电压上升。(二)电压尖峰电压尖峰是指在二分之一周至100ms期间内,叠加达6

3、000kV以上的电压脉 冲。这主要由雷电、开关操作,电弧式故障和静电放电等因素造成。(三)电压瞬变电压瞬变是指在10ms至100ms期间,叠加在市电电压上达20 k V的脉冲电 压。它的产生大致和电压尖峰差不多,只是在量上有区别。(四)噪声电压噪声电压是指叠加在工频电压上的低幅度, 而频率范围很宽的高频分量。这 种现象,在电网中很普遍,它的产生一般是电机电刷打火,继电器动作,广播发 射,微波空中传播,电弧焊接,远距离雷电等。(五)过压过压是指超过电网电压正常有效值一定百分比的稳定高电压。一般是由于接 线错误,电厂或电站的误调整,附近重型设备关机。对单相电压而言,也可能是 由于三相负荷不平衡或者

4、是中线接地不良等原因造成。(六)电压跌落电压跌落是指一个或多个周期电压低于 80%85%额定电压有效值。主要是 由于附近重型设备的启动或者电动机类机器启动造成。(七)欠压欠压是指低于正常市电有效值一定百分比的稳定低电压。这主要是由于这负荷而造成电网电压的降低。(八)电源中断电源中断是指超过一周期的无电状态。以上污染或干扰对计算机或其他敏感先进仪器设备所造成的后果不尽相同。 如电源中断,可能造成硬件损坏;电压跌落,可能会使硬件提前老化、文件数据 受损;过压或欠压、浪涌电压等,可能会损坏驱动器、存储器、逻辑电路,还可 能产生不可预料的软件故障;噪声电压和瞬变电压以及电压叠加, 可能损坏逻辑 电路和

5、文件数据等等。大家都知道,这些污染或干扰,供电电网是较难避免的,而这些污染或干扰 对于计算机的动作,对于要求市电输出保持良好正弦波形且不带干扰的设备来说 又是十分不利的。为了保证计算机类或其他敏感先进仪器设备的安全运行,为了满足计算机类或其他敏感先进仪器设备, 对供电电源质量提出的严格要求,而发 展和普及起来的一种新型供电系统(Uninterruptible Power System),称为“不问 断电源系统”或“不停电供电系统”,简称UPS。UPS在通信网中的位置如下:A A A A A蓄电池图5-1静态UPS框图第二节UPS工作原理一、ups分类从机械的角度来看,UPS可分为旋转型和静止型

6、两大类。旋转型现已较少使 用,不再赘述。目前广泛应用的 UPS属于静止型UPS。静止型UPS采用精密的 电子元器件,同时利用电池的储能给设备供电。市电正常时将市电转化为化学能 储存起来;当市电不正常时,由化学能转化为电能给设备供电。静态 UPS的基 本框图如下图所示。市电S1S2输出图5-2静态UPS框图静态UPS的特点是:(一)当市电中断后,UPS以蓄电池组作为电源继续向负载供电, 依据蓄电 池组容量的大小,可以供电10分钟至数小时。在此期间,若市电不能恢复,则 可以启动柴油发电机代替市电供电。(二)在线式UPS具有稳压和稳频的功能,还可以降低电源的噪声,改善 工作条件。目前这种系统的电压稳

7、定度一般小于 1%,频率稳定度一般小于0.5%, 噪声一般小于80d R另外,还能抑制和削弱输入电压波形的下陷、尖峰、浪涌、 下跌和消除高次谐波等现象。(三)不需要固定地基,可能随移动,工作时没有振动,使用方便,并且有 比较完备的保护、报警功能。静态 UPS由于具有以上特点,所以发展很快。特 别是在大功率晶体管,门极控制开关(GTO)等半导体器器件快速发展的情况下, UPS已发展成为晶体管化的、微机控制的现代 UPS。由于静止型UPS可按多种性能特点进行分类,而这些分类方式对于 UPS选 型应用有着较大的意义,以下对各种 UPS分类进行逐一说明:(一)按配电方式分类根据用户的不同配送系统,有三

8、种UPS机型可供用户选择,这种划分与UPS 的输出功率有关型号+可4台直接并联三进:出20/30/40/60单进单出l/a/3/6/1020功率(kVA)图5-3不同配送系统UPS分类1、单进/单出机型:选用此机型时,用户无需考虑 UPS输出端的负载均衡 分配问题,但必须考虑市电配电的三相均衡带载问题。2、三进/单出机型:此种机型的交流旁路市电输入的相线和中线配置可单相 承担UPS额定输出电流的导线截面积,防止三相电压不平衡时中线电流过大。3、三进/三出机型:输入要求同2;另外还要将UPS输出端的负载不平衡度 控制在标准规定的范围之内。(二)按工作方式分类从工作方式上讲,静态式UPS分为三类:

9、后备式(OFF LINE)、在线式(ON LINE)和在线互动式(LINE INTERACTIVE )。1、后备式UPS后备式UPS原理框图如下:32 口 V 4%土10%低通滤波器图5-4后备式UPS原理框图 后备式UPS性能如下表:项目后备式UPS容量范围0至几KVA多为1KVA以下,且多为 500VA技术特征多为准方波输出,对市电没有净化功能; 逆变器为后备工作 方式,掉电转逆变工作有时间间隔结构采用工频变压器来进行能量传递的,电源笨重而且体积大优点价格便宜,结构简单,可靠性高缺点没有净化功能,稳压特性差,掉电切电池有间断时间适用场合只能处理断电问题,仅适合比较简单、不很重要的环境使用,

10、 如办公或家用PG不重要的网上终端等2、在线互动式UPS在线互动式原理框图如下:市电*假通谑波器特点工L市电方式,仅对市电简单处逆变器抗电器象电池方式,正支波输出:3.切换时输出中断时间较短.15 口175V升压绕组降压线组26427。V 1752647图5-5在线互动式UPS原理框图在线互动式UPS性能如下表:项目在线互动式UPS容量范围多在5KVA以下技术特征充电器与逆变器合升-体,没有整流环节, 输出电压分段调整,工 作在后备方式。当输入变压器抽头跳变时,功率单元作为逆变器工 作一段时间,弥补继电器跳变过程中的输出供电的间断结构使用工频变压器,电源笨重、体积大优点可靠性较高,结构紧凑,成

11、本较低缺点后备工作方式,净化功能差,掉电切电池有间断时间适用场合能满足大多数的要求,如网上路由器,集线器,终端;办公及家用 PG但不适合大型数据网络中心和其它关键用电领域3、在线式UPS在线式UPS原理框图如下:2负载3充电器_L-, 葭无论市电有无,输图均为*电辛喇纯净覆思:在线式UPS性能如下表:1 N切蟆时输出无中醺.项目在线式UPS容量范围几百伏安到几千伏安(单机)技术特征输出正弦波,逆变器主供电,掉电转电池没有中断时间,对市电进行完全净化结构绝大部分米用的是高频变换技术,能量的变换也都使用的 是高频变压器来完成的,体积小、重量轻、噪声低优点对巾电元全净化缺点价格比较贵,效率相对较低适

12、用场合提供全囿血彻底的保护,10KVA以上UP耿都米用这种技术, 适合大型数据网络中心和其它关键用电领域.如服务器及 其他重要仪器,设备,控制系统等图5-6在线式原理框图在实际工作中,可根据负载对输出稳定度、切换时间、输出波形的要求,确 定是选择后备式、在线互动式、在线式。在线式 UPS的输出稳定度、瞬间响应 能力比另外两种强,对非线性负载及感性负载的适应能力也较强。 另外如果要使 用发电机带短延时UPS,由于发电机的输出电压和频率波动较大, 推荐使用在线 式。(三)按输出容量分类按输出功率大小可分为中小容量 UPS(10kVA及以下)和大容量UPS(10kVA 以上)。中小容量UPS包括后备

13、式、在线互动式和在线式;大容量 UPS一般为在线 式。当设备需求容量大时,可以选用单机容量较大的UPS,也可以选择多台中小 容量UPS进行并联冗余实现。但推荐使用单台大容量 UPS,因为采用单台容量 较大的UPS集中供电方式,不仅有利于集中管理 UPS,有效利用电池能量,而 且降低了 UPS的故障率。二、UPS并机冗余并机包含两层含义:冗余和增容。并机不一定是冗余的,并联的概念才是增容,而冗余的概念则是可靠性。如两台 30kVAUPS并联给40kVA负载供电,只 能说是这两台实现了并联,但若其中一台因故障而关机,则余下的另一台也会因 过载而切换到旁路上去,若负载为15kVA则一台因故停机时,不

14、会切换到旁路 上而由另一台UPS继续供电,这就实现了冗余,在实际工作中,应根据实际情 况确定并机的目的是冗余还是增加可靠性。现在大型UPS电源MTBF可达20万小时以上,但并不能确保故障率为零, 在UPS电源中可采用具有容措功能的冗余配置方案来解决这个问题。因此如何 解决好多台UPS电源以同频、同相、同幅运行是实现多台UPS冗余供电的关键。 从冗余式配置方案来看,有这样几种方式:主机一从机型“热备份” UPS供电方 式;直接并机冗余UPS供电方式;双总线冗余供电方式。(一)主机一从机型“热备份” UPS供电方式 rs-t斤刁整瘫可| b 后|递4昼 工国部血患?Z H-r逆奕笈愉h;一态 JF

15、XJ交流唠路 aiJFJt .这是缘于UPS电源的锁相同步控制技术还未完善到足以保证多台 UPS的逆 变器电源总是处于同相、同频的跟踪技术下常采用的方案。 主机一从机型“热备 份” UPS供电方式如下图所示。图5-7主机一从机型“热备份” UPS供电方式上图中,UPS-2中的逆变器电源2一直处于空载状态,只有当UPS-1故障时, UPS-2才承担供电业务。此方式的缺陷在于UPS-2长期处于空载状态,其电池寿 命会缩短、容量会下降,且 UPS-2得具有阶跃性负载承载能力,无扩容能力。 为提高性价比,可采用下图形式。UPS-1、UPS-2作主机使用,而UPS-3作为二 者的从机。图5-8三台UPS

16、构成的“热备份”冗余供电系统(二)直接并机冗余供电方式为克服主机一从机型热备份供电系统的弱点,随着 UPS控制技术的进步, 具有相同额定输出功率的UPS可直接并联而形成冗余供电系统。为保证高质量 的并机系统,各电源间必须保持同频、同相,且各机均流。一套设计完善的n+1型并联冗余供电系统应完成以下的控制功能。1、锁相同步调节功能为安全、可靠执行供电的切换,要求逆变输出频率及相位与旁路市电处于严 格的锁定状态而且对多台间的相位差进行微调,使相位差尽可能趋于零,从而实现冗余系统锁相同步的完善调节,以防止并联系统出现环流。2、均流调节应保证并机系统均衡承担总电流,因此 UPS并机控制电路应对每台UPS

17、的 输出电压进行微调,以保持多台 UPS电流输出的均衡度。3、选择性脱机跳闸功能并机控制电路应正确判断出哪台 UPS单机出现故障,并进行自动操作,向 值机人员发出告警信号,以便及时检修。4、非冗余工作状况报警若系统处于非冗余状况,并机控制电路应发出告警,提醒值机人员及时排除 故障,恢复冗余供电状态,防止由于负载的变化切换到交流旁路供电系统。5、环流监控环流的出现,将会导致UPS并机系统运行效率下降,加速单机老化,严重 时造成向交流旁路系统切换或停止供电。因UPS设计不同,直接并机方案有简单的直接并机方案、主动式的并机方 案以及输出端带“总线输出开关”冗余供电设计的直接并机方案。(1)简单的直接

18、并机方案各台UPS只实行与市电的跟踪同步,相互间对相位、电压不进行调节,因 此易发生故障。(2)主动式直接并机万案各台UPS只实行与市电的跟踪同步,相互间对相位、电压不进行调整。“1+1”型直接并机方案“ 1+1 ”型直接并机方案如下图所示,“ 1+1 ”并机板完成调节单机间的相位 差,对输出电压进行微调,达到对负载的均衡供电并实行环流管理。中电噌福I TS 二UPS I推修帝郎2冏胆隹图5-9 “1+1”型直接并机方案“导航型” UPS直接并机方案“导航型” UPS直接并机方案如下图所示,它与“ 1+1”型直接并机方案的 区别在于将其中一台UPS单机作为具有优先同步跟踪市电的 “导航UPS”

19、,其余 UPS则去同步跟踪“导航机”,不直接同步跟踪市电电源。相对来讲此系统不需 要并机控制柜,但可能出现各机的相位差较大,环流偏大。图5-10 “导航型” UPS直接并机方案“热同步”并机技术“热同步”并机技术如下图所示,当两台 UPS在执行并机操作时,在强大的微处理器的直接数字合成技术和自适应调控功能支持下,无需捕捉相互的实时 参数,而达到互锁及均流的目的。l|fRUH兑 g I图5-11 “热同步”并机技术采用“并机柜”的并机方案下图所示为采用“并机柜”的并机方案,它是用一个专门的“并机柜”来代 替原分散交流旁路供电通道,解决了各个分散的交流旁路上的“静态开关”的不 均流带载问题。图5-

20、12采用“并机柜”的并机方案(三)双总线冗余供电方式由于在UPS供电系统中,输出端与负载间配有配电柜和断路器等,若碰到 检修或产生故障,以上介绍的几种配置形式将引起负载停电,也即系统的故障率 虽然降低了,但可维护性问题并没有彻底解决。 因此,可采用下图所示的双总线冗余配置方案。其中,配有两套静态开关 STS1、STS2构成的是一套能自动执行 安全可靠的具有零切换时间的系统。图5-13双总线冗余供电方式三、主要性能和技术指标依据2001年信息产业部发布的YD/T1095-2000,应用性能指标把UPS分三 类。在这三类指标中,第田类指标是指能满足负载要求的最低性能指标,对一般性负载设备来说,在这

21、类指标下是可以正常运行的,第I类指标是当前UPS技术所能运行或经改进后能达到的最高水平。对于各种电路结构形式的UPS,它的 各种指标有属于I类,也有属于R、田类的,因此选用UPS时,电路形式不应该是确定电性能指标的依据,在配置 UPS供电系统时应考虑不同的电网环境和 负载设备的要求,它应包括以下几方面:(一)输入功率因数和输入电流谐波成分UPS作为供电系统的一个重要环节,它同时是电网的负载,输入功率因数高 低是衡量是否对电网存在污染的一个重要电性能指标, 输入功率因数低时,不仅 在吸取有功功率的同时,还要吸收无功功率,其结果增大了系统配电容量,影响 系统供电质量。输入电流谐波成分形成输入的无功

22、功率,它是造成 UPS输入功 率因数低的一个重要因素,因此在电路设计时,有的 UPS加入了 PFC电路。(二)电源效率、输出电流峰值系数、过载能力输出能力和可靠性是一切设备最重要的性能指标。可靠性通常用平均无故障 时间(MTBF)来衡量,但评价难度大。因此,若设备效率高,意味着本身损耗 小,主要功率器件可靠性高;过载能力强,意味着同样的环境和负载条件下可靠 性高。(三)输出电压稳压精度输出电压稳压精度是UPS常规指标之一,指市电一逆变供电时,当输入电 压在设计范围内,以及负载在满负荷内100%变化时,输出电压的变化量与额定 值的百分比。(四)输出功率因数负载运行时不但要吸收有功功率,还要吸收无功功率。负载功率因数低

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