UPS电源基本知识

本章内容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操作UPS电源供电系统的配置形式UPS日常维护本章重点、难点本章重点UPS分类、各种UPS方框图以及主要性能和技术指标UPS电源供电系统的配置形式本章难点UPS逆变工作原理及主要电路技术本章的目的和要求掌握UPS分类、各种UPS方框图，理解UPS主要性能和技术指标。掌握UPS电源供电系统的配置形式。理解UPS操作和UPS日常维护。了解UPS的发展历史及趋势。转换开关精密交流配电柜直流电源直流配电接口通信设备计算机/服务器抗瞬态浪涌抑制器AC低压配电自动切换解决方案直流不间断解决方案精密空调DC蓄电池UPSLANLAN动力环境集中监控解决方案蓄电池机房气候调节解决方案低压配电系统市电交流备用电源网络设备STS交流不间断解决方案备用电源解决方案低压配电解决方案安全防护解决方案发展概述什么是UPSUPS（UninterruptiblePowerSystem）：交流不间断电源，是一种利用电池化学能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用户设备提供交流电能的一种能量转换装置。它广泛的应用在银行、医疗、邮电、国防、工业控制、机要机关等部门。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。对于精密的设备，如数据库设备、通信设备、医疗设备等，对供电电源要求比较高，假如出现上述问题会造成数据丢失、控制混乱甚至系统瘫痪的现象。而用UPS处理后的电源可以完全隔离上述各种市电对于设备的干扰。功能：备用电源电力净化、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。按输出波形的不同分：可分为正弦波、阶梯波、方波。按电路结构形式分：有后备式、在线互动式、在线式、Delta变换型UPS。、UPS方框图现在的UPS电源工业，可向用户提供如下几种类型的UPS电源品种：（1）后备式UPS（2）在线互动式UPS（3）三端式UPS（4）双变换在线式UPS（5）Delta变换型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。（3）三端式UPS特点：为双磁分路结构，每个初级绕组和次级绕组都有一个磁分路，并接电容可与每一个磁路组成LC谐振回路，当达到谐振点时，构成饱和电感，使次级工作于饱和区，若初级输入电压变化时，次级输出电压恒定不变，实现了稳压的目的。（4）双变换在线式UPS特点：克服了市电质量差对其性能的影响，市电中断时，负载不会发生电源瞬时中断。（5）Delta变换型UPS特点：成功地将串联交流稳压控制技术与脉宽调制技术相结合，共有四条供电通道向用户的负载供电。、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（－15％～＋10％）Ue之间。（2）频率输入范围指UPS能自动跟踪市电、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50±5%Hz，YD/T1095-2000规定UPS的输入频率范围为50±4%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，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。（5）UPS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。、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，必须设置滤波器。交流滤波器的性能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；在三相条件下使输出电压不平衡度符合规定范围；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。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。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。、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。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