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1、,UPS简介,主 要 内 容,UPS发展概述UPS分类、各种UPS方框图以及主要性能和技术指标UPS逆变工作原理及主要电路技术UPS电源配置方法,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
2、因造成，高压脉冲峰值电压可高达6000V，持续时间一般为0.55个周波。瞬态高压：通常由雷电、电子开关、电焊设备、静电放电等原因引起，电压峰值高达20000V，持续时间为0.55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RFIEMI。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。,UPS发展概述,UPS的发展经历了初期的旋转型、60
3、年代可控硅静止型、80年代巨型功率晶体管（UR）静止型，到了90年代绝缘栅双极晶体管（IGBT）制成的UPS，其技术性能在不断提高，在通信电源系统中的地位和重要性也在逐步提高，现在已经成为通信电源日常维护的一个重点。,UPS组成,UPS在市电供电时，系统输出无干扰工频交流电。当市电掉电时，UPS系统由蓄电池通过逆变供电，输出工频交流电。UPS由整流模块、逆变器、蓄电池、静态开关等部件组成，除此还有间接向负载提供市电（备用电源）的旁路装置。,7.1,UPS分类,按输入输出相数分：单进单出、三进单出和三进三出UPS。按功率等级分：微型（3KVA）、小型（3KVA10KVA）、中型（10KVA100
4、KVA）和大型（100KVA）。按电路结构形式分：有后备式、在线互动式、在线式等。按输出波形的不同分：可分为方波和正弦波二种。,UPS方框图,UPS电源按其工作原理可分为：1、后备式UPS 2、在线式UPS 3、在线互动式UPS,1、后备式UPS,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、在线式UPS,特点：无论是市电供电正常时，还是市电中断由电池逆变供电期间，逆变器始终处于工作状态，这就从根本上消除了来自电网的电压波动和干扰对负载的影响。由于其工作方式是先对电池充电，然后再由逆变器将电池的电能逆变成交流，因此在电能的转化过程中有
5、一部分电能将被损失掉。,3、在线互动式UPS,特点：市电供电正常时，负载得到的是一路稳压精度很差的市电电源；市电不正常时，逆变器/充电器模块将从原来的充电工作方式转入逆变工作方式。这时由蓄电池提供直流能量，经逆变、正弦波脉宽调制向负载送出稳定的正弦波交变电源。,主要性能和技术指标,输入特性输出特性保护性能,输入特性,1、输入电压范围 指保证UPS不转入电池逆变供电的市电电压范围。在此电压范围内，逆变器（负载）电流由市电提供，而不是电池提供。输入电压范围越宽，UPS电池放电的可能性减小，这有益于电池使用寿命的延长。目前UPS输入电压范围一般为（1510）Ue之间。2、频率输入范围 指UPS能自动
6、跟踪市电、保持输出电压与输入电压同步的频率范围。UPS的输入频率范围一般为505%Hz，YD/T1095-2000规定UPS的输入频率范围为504%Hz。,输入特性,3、输入功率因数 输入功率因数高低是衡量是否对电网存在污染的一个重要电性能指标。输入功率因数低时，不仅在吸取有功功率的同时，还要吸收无功功率，其结果增大了系统配电容量，影响系统供电质量。4、输入电流谐波 因为可控硅的关断和开通，UPS的输入电流中含有丰富的谐波成分，它形成输入的无功功率，是造成UPS输入功率因数低的一个重要因素。因此在电路设计时，有的UPS加入了PFC电路。,输入特性,5、输入频率范围 指UPS能自动跟踪市电、保持
7、输出电压与输入电压同步的频率范围。UPS输出电压对输入电压的跟踪主要是为了保证UPS在必须时能够顺利地进行旁路切换，避免由于输入输出电压相差过大引起逆变器模块电源和交流旁路电源间出现很大的环流而损害。6、频率跟踪速率 指UPS在一秒钟内能够完成的输出频率变化范围。频率跟踪速度可以表征UPS对输入频率变化的适应能力，特别是在柴油发电机供电的时候，由于柴油发电机的频率稳定度不是很好，如果UPS的频率跟踪速率过低，UPS就会出现频率不同步告警，控制电路就会禁止UPS进行旁路切换。,输出特性,1输出电压波形失真度 指UPS输出波形中谐波分量所占的比率。常见的波形失真有：削顶、毛刺、畸变等。失真度越小，
8、对负载可能造成的干扰或破坏就越小。2输出电压稳压精度 指市电逆变供电时，当输入电压在设计范围内，负载在满负荷内100%变化时，输出电压的变化量与额定值的百分比。输出电压稳定程度越高，UPS输出电压的波动范围越小，也就是电压精度越高。3输出功率因数 指UPS输出端的功率因数，表示带非线性负载能力的强弱。负载功率因数低时，所吸收的无功功率就大，将增加UPS的损耗，影响可靠性。,输出特性,4输出电流峰值因数 指UPS输出所能达到的峰值电流与平均电流之比。一般峰值因数越高，UPS所能承受的负载冲击电流越大。5三相不平衡能力 对于三进三出的UPS来说，若出现三相的每一相电流不一致，就会造成输出电压的不平
9、衡。具有100%负载不平衡能力的UPS，表示该UPS允许一相输出带满载，而其他两相空载。6、UPS输出效率 指UPS的输出有功功率与输入有功功率之比。UPS的输出效率越高，表示内部损耗越小，反之则表示UPS本身功耗大，增大机房的空调负荷。此外输出效率低有可能使电池供电时间变短。,保护性能,1输入保护特性 指交流输入过压/欠压保护，输入频率过高过低保护等。当输入电压失真度过大，UPS会进入输入保护模式。对于三相输入的UPS，还有输入错相保护、缺相保护等。2输出过压欠压保护特性 指当UPS逆变单元出现故障时，UPS的输出电压超出允许的范围而产生的保护动作。3输出过载短路保护 指当UPS输出回路中出
10、现短路故障或长时间出现过载现象，为了保护UPS的自身安全，通过控制电路将UPS切换到旁路工作模式的保护动作。,保护性能,4电池低压保护 电池容量的大小直接决定UPS在交流停电时能够保证不间断输出的时间长短，因此电池适时的发出电池低压告警可以使维护人员能够了解当前电池的剩余容量和后备保障时间，采取相应的应急措施。一旦电池电压达到保护值，为保护电池免于过放电造成的永久损伤，UPS就会关闭输出。5UPS的其他保护性能 UPS为了保证自身系统的安全工作，另有许多的故障监测点和相应的告警信息，如器件高温告警、风扇故障告警、熔丝熔断告警、整流模块故障告警、逆变模块故障告警等。,UPS逆变工作原理及主要技术
11、,1逆变电路2静态开关和锁相电路,逆变电路,逆变器（逆变电路）是开关电源和UPS的核心装置。逆变电路普通的原理结构 1单相逆变电路 2正弦波逆变电路,1、单相逆变电路,有推挽式、半桥式、全桥式等，均用于中小型UPS系统。下面介绍脉宽调制型全桥逆变器。,全桥式逆变电路,全桥式逆变电路工作原理,功率晶体管由基极驱动电路提供激励信号，VT1、VT4和VT2、VT3在分别获得激励信号后，进入轮流导通或截止状态。从而在变压器初级和次级分别产生交流电压u1和u2。经过L、C滤波电路的作用使负载取得正弦电压。逆变电路输出电压中除了基波外还含有一定的谐波成分，若要得到正弦输出电压，在次级输出电路中，必须设置滤
12、波器。,UPS交流滤波器的性能,1、使输出电压中单次谐波含量和总谐波含量降到指标允许的范围内；2、在三相条件下使输出电压不平衡度符合规定范围；3、使负载变化引起的输出电压波动小，且满足动态指标，同时要重量轻，体积小。,2、正弦波逆变电路,大多数情况，我们希望UPS输出50HZ正弦交流电，所以要求其逆变电路为正弦波逆变电路。逆变电路实现输出为正弦的方法很多，主要有以下三种：（1）阶梯波逆变器（2）多脉冲调制逆变器（3）正弦脉宽调制（SPWM）逆变器,（1）阶梯波逆变器,由于逆变电路得到矩形波相对容易，利用不同相位的矩形波叠加的方式得到一个近似正弦波的阶梯波，阶梯越多，其所含正弦分量就越多。,矩形
13、波叠加组成阶梯波示意图,（2）多脉冲调制逆变器,基本原理是用一组等高不等宽的矩形脉冲等效正弦波。具体方法是将正弦波沿横轴分割为若干等分，每一个等分包含的正弦面积用一个相同面积的矩形波来代替，这些矩形波组成的半个周期波形便与半个周期正弦波等效。,半周期内矩形波所组成的波形与等效的正弦波示意图,（3）正弦脉宽调制（SPWM）逆变器,这种方法是通过频率较 高的等幅三角波（载波）与可调幅度的50Hz的正弦波组合，产生与正弦波等效的而脉冲宽度不等的矩形波，称为正弦调制。,正弦调制法与三角波的合成波,静态开关和锁相电路,1静态开关 2锁相电路,1静态开关,为防止切换时间造成瞬间供电中断并产生继电器触点拉弧
14、打火等现象，在大功率UPS供电系统及切换过程中，采用静态开关作为切换元件。UPS供电系统中常用的两种连接方式，即转换型和并机型。目前单机型的UPS静态开关一般采用转换型，而可并机UPS的静态开关有的采用并机型。,转换型连接方式,基本工作原理,在图(a)中，继电器作为逆变的切换开关，交流旁路用静态开关作为切换器件。在由交流旁路供电切换为逆变器供电时，先吸合继电器然后封锁晶闸管的触发信号，此时由交流旁路和逆变器并联向负载供电，当晶闸管支路电流为0时，晶闸管关断而断开市电供电电路；当由逆变器供电切换为交流旁路供电时，在发出继电器关断信号的同时，触发晶闸管导通，由于晶闸管导通时间为s级，而继电器释放时
15、间较长，因此也存在同时供电的情况。,并机型连接方式,基本工作原理,在图(b)中，交流旁路与逆变器都采用静态开关作为切换开关。当执行切换时，封锁脉冲并检测流过静态开关的电流，当电流为零时触发另一静态开关的晶闸管，实行二者的转换。在采用并联供电的系统中，当电压处于正半周或负半周时，同时触发处于正向阳极电压的两个晶闸管使之导通，由于晶闸管电流为零时关断使反向并联的两只晶闸管切换导通，使之并联负载供电。,保证同步切换的方法,（1）直接检测两电源电压的相位，以此作为切换时的一个控制信号。（2）检测两电源的电压差，以此间接反映出相位差，产生切换控制信号。（3）为防止切换时感性负载中出现浪涌而损坏元件，可通
16、过检测主用电源在稳态电流过零时接通旁路电源，以实现安全切换。,2、锁相电路,锁相电路由三个基本部件：鉴相器、低通滤波器和压控振荡器组成。用于检测两个交流电源的相位差并将它变成一个电压信号去控制逆变的输出电压相位与频率，从而保持逆变器与交流电源的同步运行。,锁相电路基本原理图,UPS电源配置方式,在一个项目中如何考虑配置一套合适的UPS蓄电池的容量必须是以所定的电压、所定的时间可向负载提供的容量。,UPS蓄电池容量的计算方法,a.基本公式：负载的有功功率支持时间=电池放出容量电池电压UPS逆变效率其中：负载的有功功率=负载总功率负载的功率因数UPS逆变效率0.9电池放出容量=电池标称容量电池放电
17、效率,UPS蓄电池容量的计算方法,UPS的配置先要考虑哪些重要用电设备要做电源保护，从而计算出其负载；如PC机一般其容量为250W，计算机常用的服务器为700W，如果以PC机作为服务器一般以300W计算，HUB交换机为100W，（注意：计算容量时只能以最大负荷计算）,UPS蓄电池容量的计算举例,例如：一个计算机机房有4台PC机，一台服务器，一个网络交换机需要进行2小时电源保护，计算如下：1）总负载计算 4台PC机 250W X 4=1000W1台服务器 700W X 1=700W1台网络交换机 100W X 1=100W 以上合计：1800W,UPS蓄电池容量的计算举例,2）UPS容量计算在线
18、式UPS一般功率因数为0.8，1800W0.8=2250VA，考虑UPS容量的冗余，一般以20%到30%（因为UPS的最佳工作状态就是负载70%到80%）；所以设计推荐UPS容量应该为2250VA 0.8=2812VA，从而可以得出选用3000VA的UPS,UPS蓄电池容量的计算举例,3）品牌的选择在线式UPS当今市场上比较常用的知名品牌有美国山特。假设我们使用山特3000VA的UPS，型号为STK C3KS,UPS蓄电池容量的计算举例,4）电池容量的计算山特3000VA型号为STK C3KS的UPS的功率因数为0.8（查资料可以得出），所以3000VA实际功率为3000VA X 0.8=24
19、00W；山特3000VA型号为STK C3KS的UPS的电池直流电压为96V（查资料可以得出），根据W=U*I，所以I=W U=2400 96=25A，计算得出电流为25A，延时1小时得用25AH的电池。现在需要延时2小时，即需要50AH的电池。,UPS蓄电池容量的计算举例,现在市场上常用的知名电池有沈阳松下，其常用的容量有24AH-12V；38AH-12V；65AH-12V；100AH-12V；根据以上计算可以选用65AH-12V的沈阳松下蓄电池一组就可以延时2小时。因为UPS常用电池电压为12V，而C3KS UPS的电池电压为96V，所以应该需要8节（96V 12V=8）。从而可以计算得出选用山特3000VA的UPS，配置8节65AH-12V的沈阳松下蓄电池，加一个电池柜，可以让受保护的设备延时2小时电源保护。,Thank You!,浙江省邮电职业技术学院 求是 立德 尚学 精业,
