UPS应急电源解析

UPS电源1UPS电源构成UPS电源（静态交流不停电电源）装置是一种用于连续供电的，以电力变流器构成的静止型电源设备。由可控硅整流器、逆变器、交流静态开关和蓄电池组等组成、其作用是保证向重要负载不间断地供电，并改善对负载的供电质量。2UPS电源用途UPS电源正常运行时，由市电交流电源经整流器整流变为直流，并通过充电器对蓄电池组进行充电。再经逆变器输出优质的交流电源对用电设备供电。当市电突然停电时，UPS电源装置自动转换到蓄电池组，蓄电池组放电经逆变器对重要用电设备供电。由于UPS电源装置与市电电网经直流储能环节隔离，排除了市电瞬变干扰，并连续不间断地供给重要负载用电，保证了重要设备安全可靠地连续稳定地正常运行。3对UPS电源装置的基本要求UPS电源的容量、规格小型UPS电源装置容量1kVA及以下；中型UPS电源装置容量2～15kVA；大型UPS电源装置容量20kVA及以上。输出容量最好按实际负载容量的1.3～1.5倍配置。常用的规格为1kVA、2kVA、3kVA、5kVA、6kVA、10kVA、12kVA、15kVA、20kVA等。小型UPS电源装置输入电压为交流单相220V，可用于微型计算机和精密电子仪器配套使用的备用电源。中型UPS电源装置输入电压一般为交流单相220V、10～15kVA的装置，输入电压也有三相380V的产品，广泛用于计算机系统、航空管理系统、卫星系统、精密仪器等系统中。大型UPS电源装置输入电压为三相220/380V，用于计算机系统、卫星通讯系统、网管控制系统、精密仪器仪表、高灵敏用电设备。提供连续、稳定、可靠、干净的交流电源。UPS电源装置对电网适应能力输入电压变化的适用范围为±15％，但在输入电压超过±10％时会使在线式UPS电源装置失去转旁路的功能。对电网电压波动范围过大的地区，最好在UPS电源装置前级配置适当的交流稳压设备。输入电压频率一般变化在50±0.5Hz以内，市电频率是相当稳定的，UPS电源逆变器的工作频率是必须与输入电压同步并锁相的，这是UPS电源在负载和逆变器故障时转旁路供电功能的最根本条件。输入功率因数低时，就在UPS电源从电网吸收有功率的同时，还要吸收无功功率，则增大系统的配置容量，影响系统的供电质量，降低UPS电源的工作效率，增大运行成本。电力部门对用电设备的输入功率因数要求在0.9以上，当不满足要求时，就必须配置无源或有源的功率因数补偿设备。输入电流谐波成分不仅是造成UPS电源输入功率因数低的直接原因，还对电网产生严重污染。应符合IEC1000-3-2《接入低压交流电网设备的谐波电流限值》和IEC1000-3-4谐波电流限值。IEC1000-3-2标准适用于输入电流≤16A的设备。IEC1000-3-4标准适用于输入电流＞16A的设备。表10-2-1IEC1000-3-2谐波电流限值谐波次数谐波电流最大允许值（A）32.351.1470.7790.40110.33130.2115≤n≤390.15×15n21.0840.4360.308≤n≤400.23×18nIEC1000-3-2标准适用于输入电流≤16A的设备。表10-2-2IEC1000-3-4谐波电流限制标准谐波次数谐波电流允许值（In/I1）％321.65777.293.8113.1132.0150.7171.2191.121≤0.6230.9250.827≤0.6290.7310.733≤0.6偶次≤0.8或≤0.6频率跟踪速率是指当市电频率变化时，逆变器工作频率跟踪市电频率变化的响应能力，以Hz/s表示，一般为1Hz/s。频率跟踪速率过大，逆变器对市电频率变化太敏感，造成逆变器工作频率不稳定或抖动；过小则逆变器对市电频率变化产生同步超差，当输出过载，逆变器发生故障或机内温度过高时，影响逆变转旁路动作的可靠性。UPS电源对环境应具有适应能力，包括环境温度、环境湿度、振动冲击、海拔高度、抗雷击能力及某些特殊的安装条件。4UPS电源的主要电性能指标YD/T1095-2000《通信用不间断电源－UPS》标准中对UPS电源主要电性能指标作了规定，并做了分类处理。第三类指标：能满足负载要求的最低性能指标。一般性负载设备在此指标下可正常运行。第二类指标：UPS各类电性能指标能达到此类标准，算是比较好的产品。第一类指标：是当前UPS技术水平所能达到的或改进后能达到的最高水平。UPS电源的主要电性能指标见表10-2-3。表10-2-3主要电性能指标序号指标项目技术要求备注ⅠⅡⅢ1输入电压可变范围±25％±20％＋10％－15％2输入功率因数≥0.95≥0.90≥0.853输入电流谐波成分＜5％＜15％＜25％规定3～39次THDA4允许输入频率范围50Hz±4％5频率跟踪范围50Hz±4％可调6频率跟踪速率≤1Hz/s7输出电压稳压精度±1％±3％±5％8输出频率（50±0.5）Hz电池逆变工作方式9输出波形失真度≤2％≤3％≤5％线性负载10输出电压不平衡度≤5％11动态电压瞬变范围±5％电池逆变工作方式12瞬变响应恢复时间（ms）≤20≤40≤60电池逆变工作方式13输出电压相位偏差≤3°平衡线性负载14市电电池切换时间（ms）0＜4＜415旁路逆变切换时间（ms）＜1＜4＜4逆变器故障切换时16电源效率＞10kVA≥90％≤10kVA≥80％正常工作方式17输出功率因数≤0.818输出电流峰值系数≥3.1电池逆变工作方式19过载能力10min1min30s正常工作方式，过载125％20噪声（dB）＜55＜60＜7021并机负载电流不均衡度≤5％对有直接并机功能的UPS5UPS电源的分类UPS电源按其工作方式可分为后备式、在线互动式、传统双变换在线式和Delta变换在线式。1.后备式UPS电源是指在电网正常供电时，由电网直接向负荷供电，当电网供电中断时，蓄电池对UPS电源的逆变器供电，并由逆变器向负荷提供交流电源，即逆变器总是处于后备供电状态。其特点是成本低、效率高，但输出电压和频率不稳定，转换中断。不适合高速通信及计算机应用。其电路结构框图见图10-2-1。图10-2-1后备UPS电路结构框图2.在线互动式UPS电源是指在电网正常供电，而其电压和频率在允许范围内，通过自动旁路开关由电网直接向负荷供电，当电网电压和频率不稳定，超过允许范围时，则市电通过整流逆变器向负荷供电。当电网电压、频率稳定在设定范围内，UPS电源又经自动旁路开关由电网直接向负荷供电。其特点是成本低，正常情况下效率高，输出电压稳定。但输出频率不稳定，存在转换时间（4ms）。不适合发电机组供电和市电不稳定环境，不适合高速通信及计算机应用。其电路结构框图见图10-2-2。图10-2-2在线互动式UPS电路结构框图3.在线式UPS电源平时是由电网通过其整流电路向逆变电路提供直流电源，并由逆变电路向负荷提供交流电源。当电网供电中断时，改由蓄电池经逆变电路向负荷提供交流电源。其特点是高质量电源输出；频率、电压稳定；零中断转换。但成本高、效率相对降低。适用于频率和电压不稳定的环境和高速通信及计算机应用。其电路结构框图见图10-2-3。它是在线式UPS电源的最初形式，故称之为传统双变换在线式。图10-2-3传统双变换在线式UPS电路结构框图Delta变换在线式UPS电源是把电网调节技术中的串并联有源滤波技术应用到UPS的电路结构中，保留了传统双变换在线式UPS电源的高性能输出指标，克服了其对电网产生污染和输出能力差的缺点，是一种性能更好的在线式UPS电源。其电路结构框图见图10-2-4。图10-2-4Delta变换在线式UPS电路结构框图6不同结构形式UPS电源的主要性能比较不同类型UPS电源对电网的污染不同类型UPS电源对电网的污染程度不同，而功率越大，污染越严重。见表10-2-4。表10-2-4不同类型UPS对电网污染程度的比较UPS指标电网要求（相关标准）后备式在线互动式传统双变换式Delta变换式一般12脉冲整流高频整流输入功率因数≥0.95等于负载功率因数等于负载功率因数≤0.80.950.990.99输入电流谐波成分≤10％等于负载电流谐波成分等于负载电流谐波成分≥30％10％＜5％＜5％对电网能量利用率无功功率小则利用率高低低低一般高高与柴油发电机容量比2～4:12～4:12～4:12～4:11.5:11.5:1大功率传统双变换UPS电源由于它把多台负载设备的总功率集中起来整流滤波，它对电网的污染要比总容量相同的多台分散的非线性负载设备对电网的污染要严重得多。不同类型UPS电源的输出能力和可靠性UPS电源的输出能力的大小，实际上代表着UPS电源可靠性的高低。表10-2-5反映了不同类型UPS电源的输出能力和可靠性指标的区别。表中各项指标指市电正常时的情况，在电池逆变时各种类型的UPS电源没有本质上的差别。表10-2-5不同电路结构类型UPS输出能力和可靠性的比较可靠性及输出能力指标负载要求及相应标准后备式在线互动式中小功率传统双变换式大功率传统双变换式Delta变换式一般12脉冲整流整机效率越高越好98％98％80％～85％90％～92％＜90％＞95％负载电流峰值系数越大越好不限制不限制3:13:13:1＞5:1负载电流浪涌系数越大越好不限制不限制转旁路启动转旁路启动转旁路启动不限制允许的负载功率因数越宽越好不限制不限制-0.7-0.7-0.7市电-0.6～＋0.9电池-0.7逆变器长延时工作能力任意受热容量限制不限制不限制不限制不限制不限制过载能力150％1min强强150％1min150％1min150％1min200％1min不同类型UPS电源的输出电性能指标对UPS电源输出电性能指标的要求完全由负载决定，但不同类型UPS电源能达到的电性能指标却表现出明显的差别，决定了不同类型UPS电源的适用范围和品质的优劣。见表10-2-6。表10-2-6不同类型UPS输出电性能指标的比较输出性能指标负载要求及相应标准后备式在线互动式传统双变换式Delta变换式备注电压波形正弦波，准正弦波方波，准正弦波，正弦波正弦波正弦波正弦波电压稳定精度±5％～±10％±5％～±10％±5％～±10％±1％±1％电压波形失真度＜±5％与电网和负载有关与电网和负载有关＜3％线性负载＜5％非线性负载＜3％线性负载＜5％非线性负载瞬态电压动态范围±5％＜±5％＜±5％＜±5％＜±5％指输出电压幅值的变化量瞬态响应时间（ms）20～6010～2010～202020负载不平衡度100％100％100％指三相输出UPS三相电压幅值不平衡度≤5％≤1％平衡负载≤3％不平衡负载1％平衡负载1％不平衡负载市电－电池切换时间（ms）＜10≤10≤400逆变旁路切换时间（ms）＜2＜2并机负载不均衡度＜5％2％~5％1％双向抗干扰能力差差强，但UPS本身对电网产生干扰强输出单台容量（kVA）≤2≤51～80010～500根据市场已有产品7UPS电源接线方案根据供电的可靠性、连续性、稳定性和电源容量及其他参数质量要求，UPS电源系统可分为：单一式UPS电源系统；并联式UPS电源系统；冗余式UPS电源系统。单一式UPS电源接线系统单一式UPS电源系统只有一台UPS电源，由整流器、逆变器、蓄电池和旁路开关组成，一般适用于中小容量的UPS电源。并联式UPS电源接线系统并联式UPS电源系统具有一台UPS电源和另一台UPS电源并联运行。要求两台UPS电源与市电旁路电源保持同步运行。正常时两台UPS电源同时向负荷供电，各供一半负荷，当一台UPS电源故障时，经交流静态开关自动切除故障UPS电源而不影响系统供电。此时另一台UPS电源承担全部用电负荷。在需要时用电负荷也可经交流静态开关自动切换到市电旁路电源供电，但此时供电主要技术指标将取决于市电，供电质量有所下降。冗余式UPS电源系统备用冗余式UPS电源系统：当运行中的UPS电源发生故障时，则瞬间经交流静态开关切换到备用UPS电源向负荷供电，并切除发生故障的UPS电源。并联冗余式UPS电源系统：系统由若干个分担用电负荷的UPS电源组成，所有UPS电源的输出直接并联向负荷供电。并联冗余多台UPS电源其总容量超过负荷容量至少多一个UPS电源的容量，因此可切断其中任一故障电源，来保证供电的连续性，连续对全部负荷供电。该系统有利于UPS电源的使用寿命，配置灵活，既可增容，也可冗余；有利于提高后备时间，提高系统的可靠性。8UPS电源选用及工程设计要点UPS电源选用规范及标准GB/T14715-1993《信息技术设备用不间断电源通用技术条件》；GB/T7260-1987《不间断电源设备》；GB/T17478-1988《低压直流电源设备的特性和安全要求》；YD/T1095-2000《通信用不间断电源－UPS》；YD5040-1997《通信电源设备安装设计规范》；JB/T8982-1999《三相交流稳频稳压电源机组及系统技术条件》；JB/T56223-1999《不间断电源设备产品质量分等》。UPS电源工作的环境条件海拔高度1000m以下（有些产品可工作在海拔2000m或3000m以下）；室内环境温度0～＋40℃（蓄电池室的环境温度20～25℃）；室内相对湿度不大于90％（不允许结露）；无剧烈振动、冲击、垂直倾斜度不超过5度的场所；无易燃导电尘埃、无腐蚀性气体和爆炸危险的场所。根据具体工程设计要求选用不同类型的UPS电源供电系统单一式的UPS电源供电系统可靠性相对低些，其容量相对小些，如需要高可靠、大容量的UPS电源可采用并联式UPS电源系统或冗余式UPS电源系统。UPS电源的节能运行（ECO）模式对电压和频率参数不敏感的负荷采用节能运行（ECO）模式，即市电正常时，负荷由旁路交流电源通过自动旁路供电。当电源故障或超出允许范围，负荷自动转变为逆变器供电，而不会中断。当电源恢复到容限范围内，负荷又不间断地转回到旁路交流电源供电。UPS电源的节能运行（ECO）模式依靠智能能源管理系统跟