《电力电子技术》课件-项目四 UPS电路的安装与调试

项目四UPS电路的安装与调试

项目四UPS电路的安装与调试

【项目分析】不间断电源UPS(UninterrupitablePowerSystem)是近年来发展起来的一种新型不间断电源。由于在交流供电中，停电及电网干扰等现象时常发生，市电质量已无法满足高质量输入电源系统的要求，UPS能向负载继续提供符合要求的交流电，保证负载能连续地正常工作。UPS系统的方框图如图4-1所示。图4-1UPS电源方框图项目四UPS电路的安装与调试

UPS的参考电路如图4-2所示。正常情况下，即电源由市电提供，市电经过整流器整流为直流，存储到蓄电池中作为备用电源，再经逆变器转变成交流电提供给负载。由于逆变器容易发生故障，所以在电路旁侧加一旁路。图4-2UPS电源电源电路知识目标1．了解逆变的概念、分类及应用。2．掌握有源逆变的工作过程。3．熟练分析各种逆变电路的工作过程。4．熟悉计算逆变电路的参数。技能目标

1．能阐述逆变电路的典型应用。

2．掌握电压型逆变电路的工作过程。

3．能按电路及工艺要求正确搭接电路。4．能够进UPS电路的调试、故障分析与排除。项目四UPS电路的安装与调试

•知识链接一认识UPS•知识链接二逆变电路的连接•知识链接三电压型逆变电路的连接•知识链接四电流型逆变电路的连接

•项目实施UPS安装的安装与调试【项目实施】UPS安装的安装与调试项目四UPS电路的安装与调试

知识链接一认识UPS一．UPS的分类根据工作方式，UPS分后备式UPS和在线式UPS两大类。1后备式UPS的基本结构如图4-4所示，市电存在时，逆变器不工作，市电经交流稳压器稳压后，通过转换开关向负载供电，同时充电器工作，对蓄电池组浮充电。市电掉电时，逆变器工作，将蓄电池供给的直流电压变换成稳压、稳频的交流电压，转换开关同时断开市电通路，接通逆变器，继续向负载供电。

图4-4后备式UPS的基本结构知识链接一认识UPS2在线式UPS的基本结构如图4-5所示，正常工作时，市电经整流器变成直流后，再经逆变器变换成稳压、稳频的正弦波交流电压供给负载。当市电掉电时，由蓄电池组向逆变器供电，以保证负载不间断供电。如果逆奕器发生故障，UPS则通过静止开关切换到旁路，直接由市电供电。当故障消失后，UPS又重新切换到由逆变器向负载供电。图4-5在线式UPS的基本结构知识链接一认识UPS二．UPS的性能指标1．UPS的输入指标（1）输入电压：表示UPS适应什么样的供电制式，这里主要指：输入电压是单相还是三相；输入交流电压的数值；UPS对电网电压变化的适应范围。（2）输入频率：表示UPS适应的输入交流电频率及其允许变化的范围。当市电频率在变化范围之内时，UPS逆变器的输出与市电同步；当频率超出该范围时，逆变器的输出不再与市电同步，输出频率由UPS内部50Hz正弦波发生器决定。（3）输入电流：表示UPS包括充电器工作时的输入电流，其最大值表示输入电压为下限值。（4）输入功率因数：是指UPS中整流充电器的输入功率因数和输入电流质量。知识链接一认识UPS2．UPS蓄电池指标（1）蓄电池的额定电压：UPS所配蓄电池组的额定电压一般随输出容量的不同而有所不同，大容量UPS所配蓄电池组的额定电压比小容量的UPS高些。（2）蓄电池的备用时间：当UPS所配置的蓄电池组满荷电状态时，在市电断电时改由蓄电池组供电的情况下，UPS还能继续向负载供电的时间。（3）蓄电池的类型：一般采用阀控密封式铅酸蓄电池，早期的UPS产品也有采用镍镉碱性蓄电池的。（4）蓄电池充电电流限流范围：避免充电电流过大而损坏蓄电池，其典型值为2%～25%的标称输入电流。知识链接一认识UPS3．UPS的输出指标（1）输出电压标称输出电压单相输入单相输出或三相输入单相输出的UPS为220V；三相输入三相输出UPS为380V。输出电压可调范围对大中容量UPS而言，输出电压从它们的额定值起最小可调节±5%。对于小容量单相UPS而言，一般采用拨盘调节法，其输出电压的典型可调范围为208/220/230/240V。（2）输出容量容量是UPS的首要指标，包括输入容量和输出容量（3）输出功率因数反映UPS的输出电压与输出电流之间的相位与输入电流谐波分量大小之间的关系。知识链接二逆变电路的连接一．逆变电路分类逆变电路应用广泛，类型很多，大致可按以下方式分类。1.按负载性质的不同，可分为有源逆变电路和无源逆变电路。2.按输入直流电源性质可分为由电压型直流电源供电的电压型逆变电路和由电流型直流电源供电的电流型逆变电路。3.按主电路使用的器件不同可分为：全控型逆变电路；半控型逆变电路。4.按电流波形的不同可分为正弦逆变电路和非正弦逆变电路。5.按输出相数可分为单相逆变电路和多相逆变电路。二．逆变电路的连接逆变电路中最基本的是单相桥式逆变电路，其电路结构如图4-6（a）所示。知识链接二逆变电路的连接（a）电路示意图（b）波形图4-6逆变电路示意图及其波形举例知识链接二逆变电路的连接

Ud为输入直流电压，R为逆变器的输出负载。当开关管VT1、VT4闭合，VT2、VT3断开时，逆变器输出电压为uo=Ud；当开关VT1、VT4断开，VT2、VT3闭合时，输出电压uo=-Ud。当以频率fs交替切换开关管VT1、VT4和VT2、VT3时，则在电阻R上获得如图4-6（b）所示的交变电压波形，其周期。这样，就将直流电压Ud变成了交流电压uo。uo含有各次谐波，如果想得到正弦波电压，则可通过滤波器滤波获得。图4-6（a）中主电路开关VT1～VT4实际是各种半导体开关器件的一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅晶体管（IGBT）等。知识链接三电压型逆变电路的连接直流侧为电压源的逆变电路称为电压型逆变电路。电压型逆变电路的特点是：（1）直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；（2）输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；（3）阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。一．电压型单相逆变电路的连接1．电压型半桥单相逆变电路电压型单相逆变电路如图4-7（a）所示。它由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全控器件和一个反向并联二极管组成。在直流侧接有两个互联的足够大的电容C1和C2，且满足C1=C2。VD1、VD2称为反馈二极管，还使io连续，又称续流二极管。逆变器在带电阻负载、电感负载和阻感负载时输出电压波形和电流波形如图4-7(b)所示。知识链接三电压型逆变电路的连接图4-7电压型单相半桥逆变电路及其工作波形知识链接三电压型逆变电路的连接知识链接三电压型逆变电路的连接从波形图可知，输出电压有效值为由傅里叶分析，输出电压瞬时值为式中，ω=2

为输出电压角频率。当n=1时其基波分量的有效值为知识链接三电压型逆变电路的连接

当负载为电阻R时，电流，与uo一样，也是当负载为纯电感L时，输出电流波形图4-7（d）。宽的方波。输出电流波形如图4-7（c）。电压型半桥逆变器使用的器件少，其缺点是输出交流电压的幅值仅为Ud/2,且需要分压电容器，要控制两者电压均衡，用于几kW以下的小功率逆变电源。单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。

2、电压型单相全桥逆变电路的连接与分析图4-8（a）所示是电压型单相全桥逆变电路，其中全控型开关器件VT1和VT4构成一对桥臂，VT2和VT3构成一对桥臂，VT1和VT4

同时通、断，VT2和VT3同时通、断。

知识链接三电压型逆变电路的连接图4-8电压型单相全桥逆变电路和电压电流波形图知识链接三电压型逆变电路的连接如果负载为纯电阻，在0≤t<Ts/2期间，VT1和VT4有驱动信号导通时，VT2和VT3无驱动信号截止，uo

=+Ud。在Ts/2≤t<Ts期间，VT2和VT3有驱动信号导通，VT1和VT4无驱动信号截止，uo=﹣ud。因此输出电压是180°宽的方波电压，幅值为Ud。其输出电压、电流波形如图4-8（b）、（c）所示。输出方波电压瞬时值为（n=1,3…）

输出方波电压有效值为知识链接三电压型逆变电路的连接基波分量的有效值同单相半桥逆变电路相比，幅值不相同。在相同负载的情况下，其输出电压和输出电流的幅值为单相半桥逆变电路的两倍。如果负载是纯电感，在0≤t＜Ts/2期间，VT1和VT4有驱动信号导通，VT2和VT3无驱动信号截止，

知识链接三电压型逆变电路的连接例3-1单相桥式逆变电路如图4-8（a）所示，逆变电路输出电压为方波，如图4-8（b）所示，已知ud=110V,逆变频率为f=100Hz,负载R=10，L=0.02H。求；（1）输出电压基波分量Uo1。（2）输出电流基波分量Io1。（3）输出电流有效值。（4）输出功率Po。解；（1）根据逆变电路输出电压为方波图4-8（b）,可得（n=1,3…）

知识链接三电压型逆变电路的连接其中输出电压基波分量为

输出电压基波分量的有效值为(2)基波阻抗为

输出电流基波分量的有效值为

(3）因为则

9次以上的谐波电压很小，可以忽略。所以

输出电流有效值为

知识链接三电压型逆变电路的连接

(4)输出功率为二．电压型三相桥式逆变电路的连接电压型三相桥式逆变电路如图4-9所示。电路由三个半桥电路组成，开关管可以采用全控型电力电子器件（图中以GTR为例），VD1～VD6为续流二极管。知识链接三电压型逆变电路的连接图4-9电压型三相桥式逆变电路知识链接三电压型逆变电路的连接电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式为180°导电型，即每个桥臂的导电角为180°，同一相上下桥臂交替导电，各相开始导电的时间依次相差120°。因为每次换流都在同一相上下桥臂之间进行，因此称为纵向换流。6个开关管触发导通的依次相隔60°，任一时刻均有3个管子同时导通，每种组合工作60°。VT1VT2VT3导通时的等效电路如图4-11所示。下面分析各相负载相电压和线电压波形。设负载为星形联结，三相负载对称，中性点为N。图4-10给出了电压型三相桥式逆变电路的工作波形。为了分析方便，将一个工作周期分成6个区域。在0＜ωt≤π/3区域，设ug1＞0,ug2＞0,ug3＞0，则有VT1,VT2,VT3导通，该时区逆变桥的等效电路如图4-11所示。线电压为知识链接三电压型逆变电路的连接

图4-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形图4-11逆变桥VT1、VT2、VT3导通时的等效电路知识链接三电压型逆变电路的连接式中，Ud为逆变器输入直流电压。输出相电压为根据同样是思路可得其余5个时域的相电压和线电压是值，如表4-1所示。知识链接三电压型逆变电路的连接表4-1三相桥式逆变电路的工作过程表知识链接三电压型逆变电路的连接从图4-10波形图中可以看出，星型负载电阻上的相电压uUN、uVN、uWN波形是180°正负对称的阶梯波。三相负载电压相位相差120°，根据V相负载相电压的波形图（注意坐标系中纵坐标为y0），利用傅里叶分析，则其V相电压的瞬时值为基波幅值为

由上式可知，负载相电压中无3次谐波，只含更高阶奇次谐波，n次谐波幅值为基波幅值的1/n。改变逆变桥开关管的触发频率或者触发顺序（VT6~VT1）,就能改变输出电压的频率及相序，从而实现电动机的变频调速与正反转。知识链接三电压型逆变电路的连接三电压型逆变电路的特点1.直流侧有大电容相当于电压源，直流电压基本无脉动，回路呈现低阻抗。2.直流电压源具有钳位作用，交流侧电压为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角的不同而不同，其波形接近三角波或接近正弦波。3.当交流侧为电感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈能量提供通道，各臂都并联了反馈二极管。4.逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故传输功率的脉动是由直流电流的脉动来体现的。5.当用于交-直-交变频器中且负载为电动机时，如果电动机工作于再生制动状态，就必须向交流电源反馈能量。因直流侧电压方向不能改变，所以只能靠改变直流电流的方向来实现。知识链接四电流型逆变电路的连接一．电流型单相桥式逆变电路的连接电流型单相桥式逆变电路如图4-12（a）所示。其特点是在直流电源侧接有大电感Ld，以维持电路的恒定。图4-12电流型单相桥式逆变电路积电流波形知识链接四电流型逆变电路的连接当VT1、VT4导通，VT2、VT3管断时，Io=Id；反之，Io=-Id。当以频率f交替变换开关管VT1、VT4和VT2、VT3导通时，则在负载上获得如图4-12（b）所示的电流波形。不论电路负载性质如何，其输出电流波形不变，为矩形波，而输出电压波形由负载性质决定。主电路开关管采用自关断器件时，如果其反向不能承受高电压，则需在各开关器件支路串入二极管。下面对其电流波形做定量分析，将图4-12（b）所示的电流波形io展开成傅氏级数，有

式中，基波幅值Io1m和基波有效值Iom分别为知识链接四电流型逆变电路的连接二．电流型三相桥式逆变电路的连接图4-13给出了电流型三相桥式逆变电路原理图。在直流电源侧接有大电感Ld,以维持电流的恒定。逆变桥采用IGBT作为可控元件。图4-13电流型三相桥式逆变电路原理图

图4-14电流型三相桥式逆变电路的输出电流波形知识链接四电流型逆变电路的连接电流型三相桥式逆变电路的基本工作方式是120°的导通方式，任意瞬间只有两个桥臂导通。导通顺序为VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6，依次间隔60°，每个桥臂导通120°。这样，每个时刻上桥臂组中都各有一个臂导通，在上桥臂组或下桥臂组内进行换流，属横向换流。图4-14所示为电流型三相桥式逆变电路的输出电流波形，它与负载性质无关。输出电压波形由负载的性质决定。输出电流的基波有效值Io1和直流电流Id的关系式为三．电流型逆变电路的特点电流型逆变电路主要有以下特点：1.直流侧接有大大电感，相当于电流源，直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。2.因为各开关电器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电压波形和相位因负载阻抗角的不同而不同。3.直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故可控器件不必反向并联二极管。4.当用于交-直-交变频器且负载为电动机时，若交-直变换为相控整流，则可很方便地实现再生制动。知识链接四电流型逆变电路的连接【项目实施】UPS安装的安装与调试一.UPS的安装环境（1）设备就位场地应该是“工业类型”的硬质水泥型的水平地面，如采用防静电活动地板，需要在考虑到地板的平均负荷量，还要根据UPS的重量来设计制作供安装设备的托架。（2）UPS供电系统应安装在具有通风良好、凉爽、湿度不高和具有无尘条件的清洁空气的运行环境中。（3）严禁将UPS安装在具有金属导电性的尘埃的工作环境中，否则会导致设备产生短路故障。也不宜将UPS安放在靠近热源处。（4）为了确保蓄电池组的使用寿命，应该将蓄电池房的温度控制在20℃～25℃之间。（5）UPS的左右侧一定要保持有50mm的空间，后面有100mm空间，保证通风良好。（6）用户在设计UPS机房的通风冷却系统时，要参看有关各种UPS的功耗和通风量的数据。【项目实施】UPS安装的安装与调试二．安装方法（1）将UPS放置于用户设备附近的水平面上。（2）UPS的后面板及侧板应与墙壁或相邻设备间保持20cm以上的距离，同时请勿用物品遮盖前面板的进风口，以免阻碍UPS风机排气孔的排气，造成UPS内部温度升高，影响UPS的寿命。（3）即使在关机状态，UPS内也有可能有危险电压，非专业人员不可打开机壳，否则会有触电危险。（4）三相市电输入火线上须安装大于100A（适用于10KVA系统）或的四极或三极联动断路器，以便紧急情况时能迅速切断电源。使用三极联动断路器时，零线与UPS的输入零线端子直接连接，可不通过断路器。【项目实施】UPS安装的安装与调试（5）不要在露天使用。（8）为防止UPS在使用过程中发生移动，使用前要将可调地旋下，使设备固定。（9）UPS可用于阻容性（如计算机）、阻性和微感性负载，不宜用于纯感性、纯容性负载（如电动机、空调和复印机等），而且不能接半波整流型负载。（10）UPS的输出应通过开关配电柜分配到负载，以减小某个负载对其它负载的供电影响。（11）采用正确的配电方式，保证UPS及用户设备的安全。三．UPS的接线UPS接线示意图如图4-15所示图4-15

正确的配电示意图【项目实施】UPS安装的安装与调试【项目实施】UPS安装的安装与调试1.外接电池箱的连接（1）系统需要接入两组电池组。确认电池组数量符合UPS的规格要求（每组32节12V电池串联），连接好电池组，用电压表测量，串联之后的电池组应在384VDC左右。（2）确定电池箱开关在“OFF”位置。（3）卸下端子台盖板，用电压表确认UPS输入/输出端子台上的电池接线端无直流电压。（4）按图4-16的示方法，分别将电池组的正板（红色），负极（黑色）接到UPS输入/输出端子台的电池接线“+”端和“-”端，并拧紧固定螺丝，注意切勿将电池的正、负极接反。【项目实施】UPS安装的安装与调试图4-16外电池的连接【项目实施】UPS安装的安装与调试2.UPS输入输出连接（1）接线前，请确认所有输入、输出空开均置于“OFF”状态。（2）如图4-17所示，将输入线（三相火线、零线、地线）分别连接到相应的输入端子上，并拧紧固定螺丝。（3）接线完毕装上UPS端子台盖板。（a）

30KVA输入/输出端子台接线图（上层端子台）（b）30KVA输入/输出端子台接线图（下层端子台）图4-17输入/输出端子台接线图【项目实施】UPS安装的安装与调试四．UPS调试

对于已经安装好的UPS设备，首先应在空载情况下，按照以下程序进行调试：

1．断开负载，用万用表测量市电是否正常、零火线是否接反，对长机型还要检查外接电池电压是否正常，正负极性是否连接正确。一切正常后，首先合上外接电池空开，