《通信设备的供电与安全技术》课件-UPS

第四讲

交流不间断电源系统（UPS）本章内容重难点本章内容：1、UPS的基本构成、原理及分类2、UPS的串并联3、UPS的技术指标本章重难点：UPS的基本构成、原理及UPS的串并联使用目前市电存在的一些问题：市电中断：市电中断通常是指市电输出零电压，并持续两个周期以上。市电中断的原因主要有配电空气开关跳闸、供电回路短路、电源设备故障等等。电压浪涌：电压高于110%额定值且持续一个或多个周波称为电压浪涌。大功率用电设备的退出或者电网受雷击干扰均可能造成电压浪涌。电压波形下陷：但电源电压低于80-85%额定值且持续一个或多个周波称为电压波形下陷，通常是由大功率用电设备的启很冲击造成。高压尖脉冲：由闪电、电子开关、电焊设备、静电放电等原因造成，高压脉冲峰值电压可高达6000V，持续时间一般为0.5～5个周波。谐波干扰：由整流设备、电动机、继电器、通信设备、电焊机等产生的谐波。频率漂移：频率漂移是指电源的频率不能稳定在额定值，而是在额定值附近波动。企业备用发电机组和小型水电站输出的交流电源经常会出现频率漂移的现象。持续高低压：电网持续高压或者是持续低压主要是由于电网变压器或者是电力线路容量有限，且电网变压器性能不佳，电网负荷过大或者是电网负荷过小的原因造成。4.1UPS的基本构成及原理4.1.1UPS的作用UPS为交流不间断供电系统（UninterruptiblePowerSystem）的英文缩写，主要是向用户的关键交流设备提供无时间中断、高质量的、纯净的正弦交流电。是一种利用蓄电池作为后备能量，在市电断电或发生异常等电网故障时，不间断地为重要设备如计费系统服务器及终端、网管监控服务器及终端、数据通信机房服务器及终端等提供高质量交流电源的设备。交流不间断供电系统又称为交流不间断电源设备。4.1.2UPS的基本构成如下图整流器：将输入交流电变成直流电。逆变器：将直流电变成50Hz交流电（正弦波或方波）供给负载。蓄电池组：备用直流电。输出转换开关：进行由逆变器向负载供电或由市电向负载供电的自动转换。有带触点的开关（如继电器或接触器）和无触点的开关（一般用晶闸管即可控硅）两类。后者没有机械动作，因此通常称为静态开关。1、根据电路结构的不同，按照新的IEC标准IEC62040-3，UPS分为三种类型，即：双变换UPS、市电交互UPS和冷备用UPS。2、按输出波形分类分为方波输出和正弦波输出两种。3、按供电体系分类分为单进单出、三进单出、三进三出三种。4、按电池位置不同分类分为电池内置式和电池外置式两种。5、按多机运行方式分类分为串联热备份和直接并机两种。6、按工作原理分类分为后备式和在线式两种；其中在线式又分为在线互动式、双变换在线式、双变换电压补偿在线式三种。4.1.3

UPS分类1．冷备用UPS冷备用UPS（即后备式UPS）冷备用UPS的基本结构如图其基本工作原理是：输入交流市电正常时，转换开关自动接通“旁路”，市电经旁路通道（对市电加以简单的稳压处理）向用电设备供电；充电器对蓄电池补充充电；此时逆变器停机（冷备用）。当市电停电时，蓄电池对逆变器供电，逆变器迅速开机，转换开关自动接通逆变器，由逆变器输出交流电压向用电设备供电。电路有以下特点：①转换开关靠电磁铁吸动，由机械电触点动作接通或断开电路，转换过程中输出电压有10ms左右的中断，要求用电设备允许这种短时间中断。通常计算机内部电源的电解电容器电容量足够大，可以维持这段时间的运行。②逆变器结构简单，输出方波或正弦波；通常额定输出功率较小。③这种UPS有逆变器只允许短时间运行（10分钟左右）的产品，逆变器和蓄电池容量都小，价格低廉，供电约10分钟，主要作计算机停电前保存数据之用；也有逆变器可较长时间运行的产品。特点：结构简单、价格便宜、噪声低，但绝大部分时间，负载得到的是稍加稳压处理过的“低质量”正弦波电源。2.双变换UPS双变换UPS的基本结构如图所示，基本工作原理是：无论市电是否停电，均由逆变器经相应的静态开关向负载供电。有市电时，整流器向逆变器供给直流电，并由整流器或另设的充电器对蓄电池组补充充电；当市电停电时，蓄电池组放电向逆变器供给直流电。所谓双变换，是指这种UPS正常工作时，电能经过了AC/DC、DC/AC两次变换供给负载。电路有以下特点：①在市电质量较好频率较稳定时，逆变器的输出频率跟踪市电频率，一旦逆变器过载或出现故障，机内的检测控制电路使静态开关迅速切换为由市电旁路供电；逆变器恢复正常后，静态开关又切换为由逆变器供电。由于逆变器与市电锁相同步，因此二者能实现安全、平滑的快速切换（切换时间≤4ms、甚至≤1ms）。静态开关是由晶闸管组成的交流开关，开关速度很快。②逆变器输出标准正弦波，输出电压、频率稳定（若市电频率不稳，则逆变器不跟踪市电频率而保持输出频率稳定），可以彻底消除市电电压波动、频率波动、波形畸变以及来自电网的电磁骚扰对负载的不利影响，供电质量高。③输出功率经整流器和逆变器两级变换产生（串级运行），设备的体积较大，效率较低（为两级效率相乘）。3.市电交互UPS市电交互UPS又称“与市电互动UPS”，过去常称为在线互动式UPS，有多种型式的电路，图所示Delta变换UPS是属于这种类型的比较新型的产品。其中的逆变器是双向逆变器，既能将输入交流电整流为直流电给蓄电池充电，又能将蓄电池的直流电逆变为交流电给负载供电，这两种工作状态在一定条件下自动转换。Delta变换UPS的基本工作原理及电路特点如下：①在有市电时，UPS的输出频率为市电频率，输出功率以市电为主，双向逆变器起补偿调节作用；同时双向逆变器能工作在整流状态对蓄电池组补充充电。逆变器的补偿调节作用使UPS具有稳压和正弦波波形输出的性能：串联补偿：逆变器1（Delta逆变器）是可变电流源，其输出电压补偿输入市电电压的变化，使输出电压稳定，并使输入电流波形为正弦波，所需补偿功率小；并联补偿：逆变器2（主逆变器）是电压源，它使输出电压为正弦波，并提供输出电流的谐波和无功电流，这时所需补偿功率小，可同时对蓄电池充电，一个变换器具有整流和逆变两种用途。当逆变器出现故障时，静态开关迅速切换为由市电旁路供电。②市电停电时，逆变器2提供输出的全部功率。因此，逆变器2的额定容量为负载容量的100%，而逆变器1的额定容量约为负载容量的30%。③具有效率高、整流和逆变合二为一以减小体积重量的优点，但负载没有与市电的干扰真正隔离。4.1.4UPS的选用通信用UPS宜采用双变换UPS，也可采用互动UPS，不宜采用冷备用UPS。需要UPS供电设备较多，总负荷较大时，为了供电可靠并节约能源，可采用较大容量的UPS系统相对集中供电为好，应选用能够并联运行的UPS并联供电，配置相应的输出交流屏，并在各专业机房配置专业交流配电箱。4.1.5UPS系统中蓄电池容量的选择4.2UPS高可靠性供电方案1．主从机串联热备份供电方案（1）原理图：将热备份的UPS输出电压连接到主机UPS的旁路输入端。（2）工作原理UPS主机正常工作时承担全部负载功率，当UPS主机发生故障时自动切换到旁路状态，UPS备机通过UPS主机的旁路通道继续为负载供电。市电中断时，UPS处于电池放电的工作状态，由于UPS主机承担全部负载功率，所以其蓄电池先放电到终止电压；然后自动切换到旁路工作状态，由备用UPS为负载供电，直到备机的蓄电池放电终了。（3）、特点①从机电池组长期处于浮充状态，使用寿命和使用容量均会下降。②单机UPS需具备“抗阶跃负载能力”；否则，可能造成计算机等重启动。③没有扩容能力。两台同型号的UPS串联使用，系统容量相当于较小容量的UPS容量。2．并联冗余供电方案并联冗余供电方案有“1+1”、“N+1”等多种结构形式。如图所示为UPS双机并联冗余供电方案。用于双机并联的UPS必须具有并机功能，两台UPS中的并机控制电路通过并机信号线连接起来，使两机输出电压的频率、相位和幅度保持一致。这种并联主要是为了提高UPS供电系统的可靠性，而不是用于供电系统扩容，所以负载的总容量不应超过其中一台UPS的额定输出容量。当其中一台UPS发生故障时，可由另一台UPS来承担全部负载电流。这种两台并联冗余供电的UPS，由于其输出容量低于额定容量的50％，所以它们经常在较低的效率下运行。具有并联功能的UPS一般可允许3台、有的甚至允许6台并联使用。多台UPS并联供电系统的转换效率与设备利用率都高于两台UPS并联供电系统。3．双母线供电系统在实际运行中，不仅是要保证UPS输出端的电源可靠性，更重要的是保证负载输入端的电源可靠性。基于这种考虑，出现了分布冗余UPS，即双母线UPS供电系统（又称双总线UPS供电系统），其目的是将电源系统的冗余扩展到每一个负载设备。双母线UPS供电系统的供电电路如图所示。UPS1、UPS2是两个独立的UPS系统，每个系统可以采用并联冗余UPS系统，也可以采用单机UPS系统。负载母线同步电路（又称负载同步控制器）LBS用来使两个独立的UPS系统在任何时间都保持同步。两个独立的UPS系统（两个负载母线）都能为全部负载供电：正常时，分别承担一半负载电流；当其中一个UPS系统出现故障时，另一个UPS系统自动承担起全部负载电流。因此，故障UPS可以脱离负载进行维修。UPS1和UPS2经各自的输出配电屏为双电源负载和单电源负载供电。双电源负载设备有两路电源输入端，任何一路输入电源正常，负载设备就能正常工作。单电源负载设备则通过静态转换开关STS和分配电屏来保证输入电源不间断：每个分配电屏在正常情况下由一个UPS系统供电，当这个UPS系统出现故障或需要维修时，STS将该分配电屏平滑地切换为由另一个UPS系统供电。4.3UPS的维护1UPS设备维护的一般要求①各种自动、告警和保护功能均应正常。②对于并联冗余系统宜在稳压并机均分负荷的方式下运行。③各地根据当地市电频率的变化情况，选择合适的跟踪速率。对于市电频率变化过快的地区，UPS的工作方式宜采用内同步。④对备用电池的维护应满足5.4.3的要求。⑤用于机房不间断供电系统的蓄电池，必须采用开放式电池架进行安装。蓄电池和电池架之间应加装绝缘胶垫进行防护处理。⑥应用在UPS系统中的高压蓄电池组的维护通道上应铺设绝缘胶垫。表1UPS维护周期表表2UPS系统蓄电池