UPS电源的组成与基本原理

1、 UPS电源的组成与电源的组成与基本原理基本原理培训资料w.UPS的基础知识的基础知识UPS的定义的定义UPS的主要作用的主要作用UPS的分类和拓扑结构的分类和拓扑结构 UPS的基本组成的基本组成w.UPS的基本运行原理的基本运行原理正常运行方式正常运行方式电池后备运行方式电池后备运行方式旁路运行方式旁路运行方式维修运行方式维修运行方式 目录1. UPS的基础知识的基础知识wUPS的定义的定义UPS是英文是英文Uninterruptable Power Supply的缩写，中文译的缩写，中文译为为“不间断电源不间断电源”； 它是能够实现两路电源之间不间断地相互切换的电气装置；它是能够实现两路电

2、源之间不间断地相互切换的电气装置；从严格意义上讲，UPS不是一种电源，它不是依靠能量形式的转换来提供电能，它只是提供一种两路电源之间无间断切换的机会，这才是UPS的主要设计思想；UPS的价格之所以昂贵，就是贵在这种不间断切换的特点上page 3UPS输出第二路供电三类供电一类供电第一路供电wUPS的主要作用的主要作用为什么要使用为什么要使用 UPS？ 随着电子技术的飞速发展，各种各样的用电器越来越多，而这其中的绝随着电子技术的飞速发展，各种各样的用电器越来越多，而这其中的绝大部分都是非线性负载大部分都是非线性负载(Non-Linear Load)：从电网提取电流的波形与电压波形不一致的负载；从

3、电网提取电流的波形与电压波形不一致的负载；阻抗随加在其两端的电压而变化的负载；阻抗随加在其两端的电压而变化的负载；产生谐波电流的负载又称为畸变负载产生谐波电流的负载又称为畸变负载(Deforming Loads)或污染负载或污染负载(Polluting Load); 一方面，这些非线性负载给电网带来了大量的谐波谐波以及其它的干扰干扰，使供电的质量越来越坏; 另一方面，一些重要的用电部门，如机场、医院、银行等和一些重要的用电设备：如计算机、通讯设备等，对供电质量供电质量的要求越来越高:不仅要求不停电，还要求电压、频率稳定，还要求波形准确完好。简而言之，需要有一个干净或净化的电源； 这就使得负荷这

4、就使得负荷(用电器用电器)与电网供电质量之间的矛盾日趋加深，必须解决与电网供电质量之间的矛盾日趋加深，必须解决。 在诸多的解决电源的方案中，在诸多的解决电源的方案中，UPS是最好的解决方案是最好的解决方案。page 41. UPS的基础知识的基础知识整流器直流逆变器输入输出UPS输出第二路供电三类供电一类供电第一路供电2.隔离作用：隔离作用：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，即使负载对电网不产生干扰，又使电网中的干扰不影响负载；page 5wUPS的主要作用的主要作用 1.两路电源之间的无间断相互切换；两路电源之间的无间断相互切换；1. UPS的基础知识

5、的基础知识UPS220Vac220Vac230Vac240Vac(稳压作用)UPS50Hz50Hz60Hz(稳频作用)(频率变换)4.频率变换作用：频率变换作用：输入频率等于或不等于输出频率，如50Hz/50Hz，50Hz/60Hz，包括稳频作用；page 6wUPS的主要作用的主要作用 3.电压变换作用：电压变换作用：输入电压等于或不等于输出电压，如输入电压等于或不等于输出电压，如380V/380V，380V/220V，包括稳压作用；，包括稳压作用；1. UPS的基础知识的基础知识整流器直流逆变器输入输出电池1)和和5)是保证对负载供电的是保证对负载供电的连续性连续性；2)、3)和和4)是保

6、证对负载供电的是保证对负载供电的质量质量。page 7wUPS的主要作用的主要作用 5.提供一定的后备时间：提供一定的后备时间：UPS的电池贮存一定的能量，在电网停电或的电池贮存一定的能量，在电网停电或间断时继续供电一段时间来保护负载；后备时间为间断时继续供电一段时间来保护负载；后备时间为10分钟、分钟、30分钟、分钟、60分钟或更长。分钟或更长。1. UPS的基础知识的基础知识wUPS的分类和拓扑结构的分类和拓扑结构（1）被动后备式）被动后备式(Passive Standby，也称为离线式也称为离线式OFF-Line) 组成组成 充电器 逆变器 电池 滤波器/调压器page 8充电器电池负载

7、交流输入滤波器调压器 / 逆变器正常方式电池后备方式1. UPS的基础知识的基础知识wUPS的分类和拓扑结构的分类和拓扑结构（1）被动后备式）被动后备式(Passive Standby，也称为离线式也称为离线式OFF-Line) 工作原理工作原理电池放电运行方式：当交流输入电压超出了UPS的允许容限范围，或市电中断时，逆变器和电池在经过一个很短的切换时间(切换时间小于10毫秒)之后投入，以保证对负载的继续供电，直到电池提供的后备时间结束；充电器电池负载交流输入滤波器调压器 / 逆变器正常方式电池后备方式page 91. UPS的基础知识的基础知识wUPS的分类和拓扑结构的分类和拓扑结构w（1）

8、被动后备式）被动后备式(Passive Standby，也称为离线式也称为离线式OFF-Line) 工作原理工作原理市电恢复正常后：在经过很短的切换时间(切换时间小于10毫秒)后,负载切换回市电供电;充电器开始给电池进行恢复充电，直到充满后转入浮充电状态。充电器电池负载交流输入滤波器调压器 / 逆变器正常方式电池后备方式page 101. UPS的基础知识的基础知识wUPS的分类和拓扑结构的分类和拓扑结构（1）被动后备式）被动后备式(Passive Standby，也称为离线式，也称为离线式(OFF-Line)应用：小于应用：小于2KVA的的UPS；优点：电路简单，价格便宜；优点：电路简单，价

9、格便宜；缺点：频率不能调节，切换有间断。缺点：频率不能调节，切换有间断。page 111. UPS的基础知识的基础知识wUPS的分类和拓扑结构的分类和拓扑结构（2）线互动式）线互动式(Line Interactive) 工作原理：工作原理： 逆变器以后备方式并联在交流输入上，并且对电池充电。因此逆变器与交流输入电源互动（可逆向运行）。 正常模式：负载通过与交流输入并联的逆变器获取经过调节的电力。逆变器的作用是调节输出电压和给电池进行浮充电充电。输出频率取决于交流输入的频率。电池负载主交流输入如果只有一路交流输入旁路交流输入逆变器维修旁路静态开关正常方式电池方式旁路方式page 121. UPS

10、的基础知识的基础知识wUPS的分类和拓扑结构的分类和拓扑结构（2）线互动式）线互动式(Line Interactive) 工作原理：工作原理： 电池供电模式：当交流输入电压超越UPS允许的容限范围或市电中断时，逆变器和电池通过一个静态开关无间断地切换给负载继续供电，该静态开关同时也断开交流输入以防止逆变器的电流倒送回上线。UPS依靠电池的电力持续运行，直到电池的后备时间结束或市电恢复正常。如果市电恢复正常负载将被切换回正常模式，但这时逆变器开始给电池进行恢复性充电。电池负载主交流输入如果只有一路交流输入旁路交流输入逆变器维修旁路静态开关正常方式电池方式旁路方式page 131. UPS的基础知

11、识的基础知识wUPS的分类和拓扑结构的分类和拓扑结构（2）线互动式）线互动式(Line Interactive)工作原理：工作原理： 旁路模式：这种类型的UPS有可能配备旁路。如果UPS的某项功能发生故障，或发生过载，负载可以被切换到旁路交流输入（视安装情况由市电或后备电源供电）。电池负载主交流输入如果只有一路交流输入旁路交流输入逆变器维修旁路静态开关正常方式电池方式旁路方式page 141. UPS的基础知识的基础知识wUPS的分类和拓扑结构的分类和拓扑结构（2）线互动式）线互动式(Line Interactive)应用：应用：此种配置不太适合作为中-大功率为敏感性负载的电源，因为无法进行频

12、率的调节。由于这个原因，在除小功率以外的设备中很少采用这种配置。通常小于10KVA，用于非关键性负载。优点：优点：电路简单，价格便宜；缺点：缺点：频率不能调节，动态特性差。page 151. UPS的基础知识的基础知识wUPS的分类和拓扑结构的分类和拓扑结构（3）双转换式）双转换式(Double Conversion，又称为在线式，又称为在线式On-Line) 基本组成：基本组成： 整流器/充电器 逆变器 静态开关(静态旁路) 手动旁路开关(手动维修旁路) 电池 逆变器串联在交流输入和负载之间如果只有一路交流输入手动维修旁路正常方式电池方式旁路方式整流器充电器/电池负载主交流输入旁路交流输入逆

13、变器静态开关静态旁路()page 161. UPS的基础知识的基础知识wUPS的分类和拓扑结构的分类和拓扑结构（3）双转换式）双转换式(Double Conversion，又称为在线式，又称为在线式On-Line) 应用：应用： 在这中配置中，由于使用了静态开关，将负载切换到逆变器所需的时间可以忽略不计； 而且，输出的电压和频率完全独立于输入电压和频率。这意味着这种类型的UPS可以被设计作为频率转换器使用。 实际上，这种类型是中大功率的主要配置（10KVA以上）。 注意： 这种类型的UPS常常被称作“在线式在线式”，这表示负载由逆变器连续供电而不管交流输入电源的状态如何。 优点：稳压稳频、切换

14、无间断；优点：稳压稳频、切换无间断； 缺点：价格昂贵。缺点：价格昂贵。page 171. UPS的基础知识的基础知识如果只 有 一 路电源通 信板负 载正 常交流 输 入旁 路交 流 输 入静态开关(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(9)(8)(10)(13)(14)(11)(15)(16)(12)去 楼 宇监 控 系统去 电话网络输 出配 电和 保护开关FAHmodem板监控P C 机维修旁路市电电网滤波器选件输入配电和保护开关逆变器整流器充电器电池wUPS的基本组成的基本组成page 181. UPS的基础知识的基础知识wUPS的基本组成的基本组成(1)整流器整流器/充电器充电器将

15、主交流输入电源的交流电压转换成直流电压的变换器。将主交流输入电源的交流电压转换成直流电压的变换器。用于：用于：为逆变器提供电源；为逆变器提供电源；对电池进行充电和浮充电。对电池进行充电和浮充电。page 191. UPS的基础知识的基础知识wUPS的基本组成的基本组成(2)逆变器逆变器将直流电压转换成满足严格要求的交流电压的转换器。将直流电压转换成满足严格要求的交流电压的转换器。直流电直流电压压正常情况下来自整流器；正常情况下来自整流器；后备期间来自电池。后备期间来自电池。page 201. UPS的基础知识的基础知识wUPS的基本组成的基本组成(3)电池电池在市电电网发生下列情况时使在市电电

16、网发生下列情况时使UPS继续运行：继续运行：市电电网断电；市电电网断电；电网电力的指标超出了电网电力的指标超出了UPS允许的容限范围。允许的容限范围。标准的电池后备时间是从10分钟到30分钟，并且根据需要延长。根据后备时间的不同，电池可装在UPS机柜内或分开的柜体内。page 211. UPS的基础知识的基础知识wUPS的基本组成的基本组成(4)静态开关静态开关用于将负载从逆变器切换到旁路，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并且在切换时对负载的供电没有任何中断（因为切换动作是由电子元件而不是机械元件完没有任何中断（因为切换动作是由电子元件而不是机械元件完成的）。成的）。 以

17、下的任意一种原因都可能导致切换：以下的任意一种原因都可能导致切换： UPS自行关机；自行关机；超越逆变器容量上限的过载；超越逆变器容量上限的过载；内部故障。内部故障。page 221. UPS的基础知识的基础知识wUPS的基本组成的基本组成(5)手动维修旁路开关手动维修旁路开关 用于在维护时将负载切换到旁路。当用于在维护时将负载切换到旁路。当UPS上线和下游的频率一致时上线和下游的频率一致时方可进行切换。方可进行切换。 转换到旁路方式运行不会导致对负载供电的中断，因为转换是通过转换到旁路方式运行不会导致对负载供电的中断，因为转换是通过静态开关进行的。静态开关进行的。page 231. UPS的

18、基础知识的基础知识wUPS的基本组成的基本组成(6)市电输入开关、市电输入开关、 (7)静态旁路输入开关、静态旁路输入开关、 (8)逆变器输出开关和逆变器输出开关和 (9) 电池断路器电池断路器 这些置于这些置于UPS内的装置在维护期间隔离各种组件；内的装置在维护期间隔离各种组件； 电池短路器提供电池过放电保护、保护整流器电池短路器提供电池过放电保护、保护整流器/充电器和逆变器免充电器和逆变器免受电池短路的影响。受电池短路的影响。page 241. UPS的基础知识的基础知识wUPS的基本组成的基本组成(10)旁路输入隔离变压器旁路输入隔离变压器(选件选件) 当下线负载由旁路供电时提供当下线负

19、载由旁路供电时提供UPS输入输入/输出的电气隔离；输出的电气隔离； 在上线与下线的地线系统不一样的情况下尤其重要；在上线与下线的地线系统不一样的情况下尤其重要； 对于某些系列对于某些系列UPS，上线隔离变压器能安装在，上线隔离变压器能安装在UPS主机柜里。主机柜里。(11) 电压匹配变压器电压匹配变压器(选件选件) 将电压调节至所需的值。将电压调节至所需的值。(12)输入谐波滤波器输入谐波滤波器(选件选件) 在主电源输入端，有可能需要在整流器上线安装谐波滤波器；在主电源输入端，有可能需要在整流器上线安装谐波滤波器； 目的是消除反送回配电系统的谐波电流：谐波电流是由整流器中的二极目的是消除反送回

20、配电系统的谐波电流：谐波电流是由整流器中的二极管或可控硅的开关作用产生的，它是产生电压失真度的原因之一；管或可控硅的开关作用产生的，它是产生电压失真度的原因之一； 安装谐波滤波器可以降低上线的配电总线中的电压失真度。将上线的安装谐波滤波器可以降低上线的配电总线中的电压失真度。将上线的THDU (总谐波电压失真度总谐波电压失真度)控制在允许的水平内；控制在允许的水平内；page 251. UPS的基础知识的基础知识wUPS的基本组成的基本组成(13)内置通信接口板内置通信接口板 (14)调制解调器接口调制解调器接口 除了需要友好的人除了需要友好的人-机界面对机界面对UPS实行有效的监控之外，实行

21、有效的监控之外，UPS与其外部电力和计算环与其外部电力和计算环境境(监控系统，楼宇和能源管理监控系统，楼宇和能源管理(BEM)系统系统)通讯的也变得越来越重要；通讯的也变得越来越重要； 梅兰日兰的梅兰日兰的UPS内置了全面的通讯功能，内置了全面的通讯功能，标准机型配备以下装置：标准机型配备以下装置：带有图象显示和模拟图形面板的友好的人带有图象显示和模拟图形面板的友好的人/机界面：该界面是围绕自监控系统机界面：该界面是围绕自监控系统和自检测系统建立的，能持续地指示和自检测系统建立的，能持续地指示UPS不同部件的状态；例如：不同部件的状态；例如： 电池监控系统具有全面的电池管理功能，可连续地监控电

22、池的状态； 温度监测系统监测电池温度； 电池保护系统能够迅速地探测和定位电池的故障；内置的与环境的通讯接口，包括：内置的与环境的通讯接口，包括： 干接点； RS 232 ASCII； 使用SNMP协议的以太网卡； JBUS RS485； 用于Teleservice(远程服务)的调制解调器。 这些接口允许用户通过一台这些接口允许用户通过一台PC用监控软件用监控软件(如如Monitor-Pac软件软件)或楼宇能源管理系或楼宇能源管理系统来远程控制各种设备、或者享受远程服务的优越性，等等。统来远程控制各种设备、或者享受远程服务的优越性，等等。 它们还允许网管员管理整组的它们还允许网管员管理整组的UP

23、S(例如例如Management-Pac软件软件)或者在电池电力终止或者在电池电力终止之前自动执行电脑系统的关机操作之前自动执行电脑系统的关机操作(例如例如Solution-Pac软件软件)。page 261. UPS的基础知识的基础知识wUPS的基本组成的基本组成(15)输入配电柜和保护输入配电柜和保护(选件选件)、 (16)输出配电柜和保护输出配电柜和保护(选件选件) 以下设备可以随以下设备可以随UPS一起提供：一起提供：通过在交流输入回路使用断路器提供上线低压保护。对于某些通过在交流输入回路使用断路器提供上线低压保护。对于某些系列的系列的UPS来说，这种保护措施可以作为选件集成在来说，这

24、种保护措施可以作为选件集成在UPS中；中；在上线低压配电柜中安装断路器以保护在上线低压配电柜中安装断路器以保护UPS的交流输入的交流输入(正常正常交流输入及旁路交流输入交流输入及旁路交流输入);在下线低压配电柜中安装断路器以保护不同的输出回路以避免在下线低压配电柜中安装断路器以保护不同的输出回路以避免故障的扩散和传播；故障的扩散和传播；page 271. UPS的基础知识的基础知识w正常运行方式正常运行方式正常运行方式：提供给负载的所有电力都经过整流/充电器和逆变器的双重转换（AC-DC-AC），双转换模式因此而得名。整流器/充电器对电池进行浮充电以保持电池处于满充状态。手动旁路整流器充电器/

25、电池负载IuI输入I1 浮充或再充电主交流输入旁路交流输入逆变器静态开关page 282. UPS的基本运行原理的基本运行原理w电池后备运行方式电池后备运行方式市电停电或超限、电池放电工作方式：当交流输入电压超出UPS允许的容限范围或市电中断时，逆变器和电池无间断地投入，继续为负载供电。UPS将持续运行直到电池放电时间终止，或在市电恢复正常时回到正常运行方式。手动旁路整流器充电器/电池负载Iu主交流输入旁路交流输入逆变器静态开关page 292. UPS的基本运行原理的基本运行原理w恢复充电运行方式恢复充电运行方式市电恢复正常(充电)工作方式：提供给负载的电力都经过整流/充电器和逆变器的双重转

26、换，同时整流器/充电器开始给电池进行恢复性充电。手动旁路整流器充电器/电池负载IuI输入I1 浮充或再充电主交流输入旁路交流输入逆变器静态开关page 302. UPS的基本运行原理的基本运行原理w旁路运行方式旁路运行方式 当停止逆变器时，负载当停止逆变器时，负载可以无间断地切换到旁可以无间断地切换到旁路交流输入路交流输入(根据安装方根据安装方式的不同由市电或后备式的不同由市电或后备电源供电）电源供电）,引起旁路运引起旁路运行的原因可能是：行的原因可能是： UPS内部故障；负载电流瞬变电流尖峰(冲击电流或故障电流)；人为停止逆变器。2. UPS的基本运行原理的基本运行原理手动旁路整流器充电器/电池负载I故障I 可由可由两台两台不同容量的不同容量的UPS组成，组成，主机带重要负载主机带重要负载，备机带次要负载或不备机带次要负载或不带载带载；主机到备机的切换无间断。；主机到备机的切换无间断。 优点：可靠性最高；连接简单；后备时间延长。优点：可靠性最高；连接简单；后备时间延长。 缺点：不能增容；过载能力不能增大。缺点：不能增容；过载能力不能增大。手动维修旁路静态开关(静态旁路)逆变器整流器/充电器电池正常交流输入旁路交流输入负载A手动维修旁路静态开关(静态旁路)逆变器整流器/充电器电池正常交流输入主主机机U UP PS S备备机机U UP PS S负载Bpage 3