电力UPS及逆变器

1、1小功率电力UPS应用介绍2微型电力UPS应用场合 电力UPS功率等级非常宽，应用也非常广泛。小功率的电力专用UPS在功能及技术要求上，相比大功率应用来说，技术指标要求相对较低，但作为电力专用UPS，其基本的功能依然要求满足电力行业需求。一般微型的电力UPS在一级、二级等变电所应用较多。此类场合负载类型少、功率范围小、但又极其重要。UPS主要为整个电力系统设备中的监控系统、测量系统、DCS、调度通信系统、微机系统等核心设备供电。且一般采用串联备份做法以提高整个系统的可靠性。3电力行业UPS负荷统计数据仅供参考4电厂的供电系统发电机发出电并网后经主升压变压器给变电站，变电站再升压给输电系统。厂用

2、电取发电机并网后经副降压变压器后给电厂供电，由于从发电机输出到 UPS 输入一般只经过一个降压变压器，且与发电机的距离很近，因此，厂用电的电压谐波一般非常大，且电压不稳。其供电结构图如下： 56UPS 在电力系统中的应用 在电力系统中： DCS( 分布式控制系统）的系统，监控系统、自动化仪表，计算机系统等对供电质量及可靠性要求非常高，需要采用 UPS 供电。这些负载绝大多数为单相负载。包括和监控系统。后端负载一般为直流负载居多，需要进行转换后再进行供电。在电厂中的应用系统可用如下图示解释：78直流在电力系统中的应用电厂的自动化仪表，继电保护系统，开关的操作系统等往往需要直流 220V 或 11

3、0V 供电； 因此，电厂等电力行业 的或直流系统（直流屏）是最基本的配置，且直流系统的容量比较大。平时由电力直流操作屏把三相交流整流成直流 243V 或 121V ，给蓄电池充电，经硅链自动降压装置稳压至 220V 或 110V 直流给负载供电；交流输入故障时由蓄电池经硅链自动降压装置稳压后给负载供电。下图为电力直流操作屏的原理框图。 910从上图看出，发电厂和变电站的直流电源作为主要电气设备的保安电源及控制信号电源，是一个十分庞大的多分支供电网络，重要性非常之高。为保障其可靠性和安全性，一般采用不接地系统，正负极对地是悬浮的，目的是防止因一极接地或绝缘降低时断开直流电源，造成系统瘫痪，且为提

4、高供电质量，电厂交流电的地和直流电的地也是分离开的。因此电厂或变电站的直流系统都是有绝缘检测功能的。一旦直流两极中的任何一极绝缘等级降低，直流系统将发出“绝缘故障”的报警信号。严格的场合,输出交流对地也会有绝缘检测。11绝缘检测原理“绝缘检测故障”在电力系统调试过程中是最为常见的一种故障现象，也是电力和普通在设计上最根本的区别之一。为清晰的了解电力在设计及应用中的注意事项，这里简单介绍一下电厂的绝缘检测原理。12绝缘检测原理现有检测直流系统绝缘的方法主要有电桥平衡原理和低频探测原理。根据电桥平衡原理实现的绝缘监测装置被广泛使用，不足是它不能检测直流系统正、负极绝缘同等下降时的情况；绝缘监测装置

5、即使报警，也不能直接得到系统对地的绝缘电阻大小。低频探测原理是近几年一种新的检测方法，还有其它检测方法，但基本原理是一样的，我们就依传统的电桥平衡原理来介绍。13绝缘检测原理传统的平衡电桥检测原理如下图，通过检测电压Uj和Um，再加上给定的电阻R来算出R+、R-。利用左原理图，直流正负极任何一极的对地绝缘（，）降低，都将引起j的变化，通过外部运算电路便可计算出漏电流的大小，从而判断绝缘等级的变化情况。14绝缘检测原理 在直流系统中，前面讲到，正、负母线对正、负母线对地是悬空的地是悬空的. 当发生一点接地时，并不会引起任何危害，但必须及时消除否则当另一点接地时，会引起信号回路、控制回路、继电保护

6、回路和自动装置回路的误动作，如图所示。15国家标准规定: 220V 直流系统绝缘电阻 25K时报警 110V 直流系统绝缘电阻 7K时报警 报警必须以声光方式同时进行声光方式同时进行。16UPS的绝缘检测LNNLRECTIFIEROUTPUTINVERTER(DC/AC) OUTPUT TRANFORMERRECTIFIER(AC/DC)INPUT FILTERSOFT STARTDC SYSTEMDC220VISOLATION DIODEOUTPUT SWITCHRCETIFIER SWITCHBATTERY SWITCH绝缘检测17电力系统对UPS的技术要求 可靠性要求可靠性要求 ： 由于

7、电厂对设备的高可靠性的要求，因而对 UPS 的可靠性和使用寿命有非常高的要求。防雷要求比较高，一般要求二级防雷。 负载类型负载类型 ； 由于电厂的 DCS 系统负载大多数为单相负载，单相负载配电线路简单、维护方便。因此电厂专用的 UPS 电源大多数要求为三相输入/单相输入、单相输出的中小型功率 UPS ，容量一般在 60kVA 范围之内。 18 交流输入要求交流输入要求 ； 由于厂用电电压波动范围比较宽，谐波电压比较大，要求 UPS 的输入范围比较宽。由于电厂要求交流电和直流电隔离，因此 UPS 输入、输出均必须配置隔离变压器。一般电厂厂用电的质量比较差，所以其对 UPS 的输入 THDi 并

8、没有特别高的要求。 旁路要求。旁路要求。 静态切换开关应具有自动、手动两种工作方式，实现无间断切换。为了提高旁路运行模式下的供电的质量，去除干扰和市电波动的影响。旁路一般需要增加隔离稳压器，主要起隔离和稳压的作用。一般还需要维修旁路，维修 UPS 时，维修旁路供电，需要能把 UPS 柜完全从供电系统中断开，开关的操作必须保证输出不断电。 19 直流系统。直流系统。 由于电厂有 220V（ 187253V ，额定为 18 节 12 伏蓄电池）或 110V （ 93126V ，额定为 9 节 12 伏蓄电池）直流系统；电厂为了节约成本，此直流系统直接作为 UPS 的直流输入；电厂有专门的电力直流操

9、作屏给蓄电池充电；要求 UPS 直流输入电压为 220V 或 110V ，且不要求 UPS 具有充电功能。常规 UPS 工作所配的电池组是单独使用的，其直流输入端的反灌杂讯较大，如果蓄电池直接并入 UPS 的 BUS 中， UPS 会对蓄电池上产生较大的电磁干扰，严重时会影响直流系统的正常运行，而电力专用 UPS 的直流输入端一般要求装有反灌杂讯抑制器，如逆止二极管等，使 UPS 对直流母线的影响极小。 20通信要求。通信要求。 UPS 主机需要提供 RS-232 和 RS-485 接口， UPS 运行状态和主要报警信号应能提供无源干接点，主要运行状态和报警信号一般包括： A) UPS 的工作

10、状态： UPS 工作 / 电池供电 / 旁路供电； B) 各种装置的综合故障信号； C) 交流进线断路器状态 / 直流开关的状态；需要提供开关的辅助触点。 D) 馈线开关的状态，一般需要提供开关的辅助触点和报警触点。 E) UPS 的输出电压、电流及频率应通过变送器转换为 4 20mA 模拟量信号，以便可直接送入电厂的 DCS 的模拟量采样系统中。 21柜体要求柜体要求 ； UPS 柜一般没有强调要求采用玻璃柜； 旁路柜和馈线柜一般采用玻璃柜； 柜体一般采用 2200 （高） X800 （深） X600 （宽）的标准柜。 从柜外面透过玻璃门可以看到开关的状态，一般用指示灯指示开关的状。 开关一

11、般都配有辅助触点，以方便跟 DCS 通信；总的输出开关和馈线开关一般还带有报警触点；故障时，提供报警信号给 DCS 系统。输出电压 / 输出电流 / 频率的幅值，一般增加模拟表或数字表显示。以方便维护人员观察。22 以上为我们在电力UPS应用时最为常见的注意事项，其他要求一般同工业型UPS通用标准。 目前我司的小功率电力UPS一般采用的是800系列电路设计，电路原理介绍请参考800系列培训资料。23逆变器原理介绍24逆变器与UPS的区别 结构上的区别:AC/DCDC/ACCHGBATDC/ACBATUPS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

12、池组。 INV同UPS相比，缺少整流器、充电器。仅有逆变器、静态旁路开关、手动维修旁路开关。 25 应用场合区别 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。逆变器适用于具有直流220V/110V/48系统的场合，因为逆变器需要与外配充电器、直流系统等外部设备配合使用，因此结构松散，占地较大，不易布置。所以逆变器的应用场合相对较为固定，即适用与具有直流系统等基本配置的专用行业用户。比如电力、通信、铁路等特殊行业，其负载类型既有交流负载，也有直流负载。通常采用高频开关整流器冗余并联系统与蓄电池组一起构成直流不间断供电系统是其最基本的配置。 26 这类场合，对

13、于蓄电池组，一方面直流电源的监控系统对蓄电池充放电过程实施智能化集中管理；另一方面，直流电源系统所配置蓄电池通常裕量较大，这些都为利用逆变器给交流负载供电提供了技术上的保障。对于不间断电源来说，蓄电池是完成不间断电源的重要支撑。蓄电池的优劣，直接影响着不间断电源的供电质量与支持时间，对于长延时的不间断电源来说，蓄电池成本甚至超过主机成本。因此，无论是从技术角度，还是从经济角度，都是应该注意的问题。27 功率比较 UPS的畜电池是自带的,直流输入电压可视单机功率而定,最高可达七八百伏。但逆变器的直流输入电压却是用户的直流屏提供，其直流电压是固定的，最高也只为220VDC，受直流电压的限制，逆变器

14、的单机功率一般不可能做的很大，一般仅在3KVA以内，尤其是48V系列的。但为了满足客户的高功率需求，逆变器大多是可以并联使用的，最常见的就是将逆变器设计成机架式、模块化结构，方便并联使用。28 干扰方面 因INV应用场合的特殊性，其直流输入不仅为INV供电，同时还为其他重要的直流负载供电，为避免INV的直流反灌，影响其他设备的正常工作，通常在直流输入端会采取一些抗干扰措施，另INV在结构上相比UPS也没有Rectifier,本身对外的RFI比UPS也小很多，一般不会引起用户设备通讯干扰的问题。但UPS的蓄电池、CHARGER、RECTIFIER等是一个系统，所以其直流输入通常不会采取任何的抗干

15、扰措施，而且UPS的应用场合设备对RFI等也并不像通讯等设备敏感。29INV的典型应用图示 30 以上为针对逆变器应用场合同UPS的比较，下面就针对公司目前正生产的INV电路原理简单介绍。31主电路拓扑BatteryLNNLINPUT220V 1PH+NOUTPUT220V 1PH+NcontrolInverterOutput transformerInputInverter main drawingBypass transfer32SPS辅助电源123456783845R31KR53W0.33RR105.1KR413KR11KJ230R910KR63KR2100KC32n2JC11N0JC2

16、471C4100nC6100NC863V470uFC750V220uFC550V220uFW6502D4U820GD34937D1D24007Q1IRF630NIN+R7100RR810KT1OUT+33 辅助电源是电路工作的前提条件,图为典型的FLYBUCK型高频开关电源,也电子电路是最常用的电源结构. 脉宽电流调制型控制器件3845是其核心元件,其输出的反馈电压送入3845的2脚电压反馈端,以控制输出6脚的脉冲宽度达到输出稳定的目的，3脚为电流检测端，主要起限流作用，若开关电源输出过流或短路，3脚检测到的电平将高于1V，此时3845将封锁输出脉冲，输出将被关闭。正常情况下，3脚是低于1V的

17、。其基本的工作原理如下： Uout2脚电压6脚脉冲变窄Uout 此电路易损坏部件主要有：IRF630和38453450HZ方波产生电路657U01BLM358C030.1J/100VC021NJ/100VR002100kR007100kRJ1 503R00675kR0015.1MR1365.1MAC/LVREF 上图为常见的方波发生电路，运放的反相输入端接电容及负反馈，同相输入端接成正反馈，形成迟滞比较电路。AC/L的输入为锁相钳位输入，以控制INV的逆变输出和市电输入保持同相位。35正弦波发生电路 图为典型的方波转换为正弦的电路,与文氏桥式振荡电路原理一样,方波信号经低通滤波后送入运放的同相

18、输入端,输出经电阻反馈至反相端,经电容选频网络反馈到同相输入端,在运放的输出端便会得到与输入方波信号同频率的正弦信号,此正弦信号就是参与PWM的调制信号。C0910UF/63V23184U01ALM358+24VGNDR01133kR01220kC0610N/100VR010300kR031330kC0510N/100VVREF36三角波自激产生电路 三角波自激振荡电路利用了电容的充放电的过程来完成。初始时刻，因电容电压不能突变，U2的5脚电平高于6脚，7脚高，当随着电容C2的不断充电，6脚电平将高于5脚，此时7脚低，电容C2通过D3和R6放电，放至6脚低于5脚时，393输出又恢复高，C2继续

19、别充电，故在6脚就形成了类似的20KHz三角波。此三角波经后续线性化后就和基准正弦波进行比较，产生PWM波去驱动IGBT或MOSFET。这里的R5主要是为控制输出的占空比而设置，避免C2被充电至临界翻转电压时，输出出现临界振荡。567U2BLM393D31N4148R6270R53.9KD21N4148R710KR830K+24VC210nR927KGND37PWM电路32184U10ALM393567U10BLM39332184U11ALM393567U11BLM393R0251kR0282k+24VGND+24VGNDR1171kR1201kR11020kGND3R1125.1kQ15JE

20、182Q16JE172R111100R12310R12410kC420.1J/100VC4310UF/63VGND3GND3DRV3R11420kGND3R1165.1kQ13JE182Q14JE172R115100R12510R12610kC440.1J/100VC4510UF/63VGND3GND3DRV4+24V+24V+24V+24V2387656N136U166N136GND2R1225.1kQ09JE182Q10JE172R121100R12910R13010kC500.1J/100VC5110UF/63VGND2GND2DRV1VCC2+24V2387656N136U156N13

21、6GND1R1195.1kQ11JE182Q12JE172R118100R12710R12810kC470.1J/100VC4810UF/63VGND1GND1DRV2VCC1C490.1J/100VGNDC460.1J/100VGNDR1131GNDR1091GND38 SPWM即正弦脉宽调制，利用正弦波和三角波进行比较，输出脉冲宽度不等的序列方波，经放大和隔离去驱动IGBT，使IGBT按脉冲时间宽度导通和关断，逆变输出序列的脉冲波再经电容滤波即可得到与调制的正弦波同频率的输出正弦波。 PWM利用的面积等效原理，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，起效果相同。39输出过压及过

22、温保护123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:2-Apr-2003 Sheet of File:E:电 力 逆 变 器 EA- 10 00 D . ddbDrawn By:32184U02ALM393+24VGNDR0703kJP07/6C2310N/100VGNDD2632184U03ALM393GND+24VR03520kVREFR00320kR00420kGNDC010.1J/100V12JP09XH-2AY+24VR05524kGNDR05415kR05320kD33IN4148VREF567U03BLM393D32IN4148

23、R0713kJP07/5D26R069125kGNDR068R05810kC2410UF/63VR057510kD31IN4007JP06/6R15820k+24VR15620kGNDR0562kR072300VREFC2510UF/63VGND温度继电器工 作指示故障指示40 输出取样电压经D31、R057、R058、R069、C24整流、滤波、分压后与基准电压比较，如果输出电压高于某一值，U03B7脚变低，一方面通过D32封锁驱动脉冲，使逆变器停止工作，蜂鸣器告警；另一方面使面板上的故障LED亮，工作LED熄灭。当散热器上温度过高时，温度继电器闭合，使U03A2脚的电压高于3脚，这样，U0

24、3A1脚为低，一方面通过D32封锁驱动脉冲，使逆变器停止工作，蜂鸣器告警；另一方面使面板上的故障LED亮，工作LED熄灭。 41直流过欠压保护12345678ABCD87654321DCBATitleNumberRevisionSizeA3Date:2-Apr-2003 Sheet of File:E:电 力 逆 变 器 EA- 100 0 D . ddbDrawn By:12JP10XH-2AYGNDD13IN4007R101100KR102100kR1005.1kRJ51KR09910KC2710uF/100VR0982KGND32184U12ALM393R0961MD15IN4148+2

25、4VD17IN4148567U12BLM393R09530kR09420k+24VGNDR0853kD23IN4148R084150kR09114K+24VR08351KGNDJP07/4DC+D26偏 压42 直流取样电压经D13、R101、R100、R099、RJ5、C27滤波、分压后与基准电压比较，如果直流电压高于某一值或低于某一值，U12的1或7脚变低，一方面通过D17封锁驱动脉冲，使逆变器停止工作，蜂鸣器告警；另一方面使面板上的偏压LED亮，工作LED熄灭。43输出过电流保护123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:2-Apr-2003 Sheet of File:E:电 力 逆 变 器 EA - 10 00 D . ddbDrawn By:D19IN4007D20IN4007D