第四章-UPS技术概要

逆变电源技术第四章在今后相当长的一段时间内,我国市电电网供电不足,电压波动大,干扰严重的局面仍将存在我国各行业，各领域的快速发展对供电质量提出了越来越高的要求,尤其是实时性很强的重要系统，重要部门和重要的用电设备对供电质量的要求与我国的电网实际状况的矛盾日益尖锐。间断电源越来越成为人们关注的焦点。1.1UPS的产生随着科学技术的高速发展以及计算机、精密仪器、仪表设备及数据处理设备、自动化生产设备的广泛应用，用电设备对供电质量的要求越来越高。用电设备不仅要求供电电源能够不间断供电，而且还要求其输出电压波形、频率准确完好，不能受到电网的任何干扰，要有一个干净的电源环境。然而由于公共电网自身的原因，以及雷击等一些自然现象的影响，公共电网不能满足用户对高精度高可靠性电源的要求。电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：（1）电涌（powersurges）指输出电压有效值高于额定值110％，并且持续时间为一个至数个周期。电涌主要是由于在电网上连接的大型电气设备关机时，电网因突然卸载而产生的高压冲击。电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：（2）高压尖脉冲（highvoltagespikes）指峰值达6000V，持续时间从0.1ms至10ms的电压。这主要由于雷击、电弧放电、静态放电或大型电气设备的开关操作而产生。电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：（3）暂态过电压（switchingtransients）指峰值电压高达20000V，但持续时间介于1μs至100μs的脉冲电压。其主要原因及可能造成的破坏类似于高压尖脉冲，只是在解决方法上会有区别。电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：（4）电压下陷（powersags）指市电电压有效值介于额定值的80％至85％之间的低压状态，并且持续时间为一个至数个周期。大型设备开机，大型电动机起动，或大型电力变压器接入都可能造成这种情况。电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：（5）电线噪声（electricallinenoise）系指射频干扰（RFI）和电磁干扰（EMI）以及其它各种高频干扰。电动机的运行、继电器的动作、电动机控制器的工作。广播发射，微波辐射以及电气风暴等，都会引起电线噪声干扰。电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：（6）频率偏移（frequencyariation）系指市电频率的变化超过3Hz以上。这主要由应急发电机的不稳定运行，或由频率不稳定的电源供电所致。电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：（7）持续低电压（brownout）指市电电压有效值低于额定值，并且持续较长时间。其产生原因包括：大型设备起动及应用。主电力线切换，起动大型电动机、线路过载等。电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：（8）市电中断（powerfail）指市电中断并且持续至少两个周期到数小时的情况，其产生原因有：线路上的断路器跳闸、市电供应中断、电网故障等。由于以上问题存在，使得负荷与电网供电质量之间的矛盾日益加深。为解决这一矛盾，产生了不间断电源(UninterruptiblePowerSupply简称UPS)这种新型设备。UPS是什么？UPS(UninterruptiblePowerSupply)，即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络或其它重要设备提供不间断、高质量的电力供应以及作为机场、电站、医院等重要部门的备用电源。顾名思义，UPS可以给用电设备提供连续不间断的电能，保证电能供应的可靠性。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电.当市电中断(事故停电)时,UPS立即将机内电池的电能,通过逆变转换的方法向负载继续供电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。供电中断只是电网故障之一，电网中存在的各种污染和干扰也是造成用电器件损坏的主要因素。因此，UPS还必须能够消除电网干扰，给用电设备提供高质量的电能。换句话说，高可靠性和高质量是对UPS最基本的要求。UPS作为一种稳压稳频纯净化的电源现已成为供电系统的核心部分,受到了广泛的认可.在供电质量较佳的欧美和日本,已经将UPS作为标准设备.国内电网供电质量较差,UPS应用更是必不可少.UPS的典型应用有:金融系统，制造业，铁路交通系统，航空系统，石油/化工，煤矿开采，情报，邮电，水利，电力中心，医疗卫生，学校，研究所，商业楼宇，政府机关，军事设备等.行空航天交通科研、医疗计算机网络企业生产通信、机场军事部门UPSUPS的主要功能可以归纳为以下4个方面：隔离功能如图所示。大多数UPS都是将电网输入交流电压经过整流后变为直流电，一部分能量用于对蓄电池充电，剩余能量经过逆变器重新变为稳压稳频的交流电供应给负载。也就是说，电网通过UPS给负载供电采用了交一直一交变换形式。由于经过整流和大电容滤波，电网中原来存在的瞬间间断、谐波、噪声、电压波动以及频率波动等干扰全部得到消除，供电质量完全取决于逆变器的电能变换能力。这样，UPS作为一个中间环节将电网与负载隔离开，既防止了电网干扰对负载的影响，又可使负载刘电网不产生干扰。(1)隔离功能(2)后备功能后备功能如图所示。UPS带有蓄电池，能够贮存一定的能量。市电正常时，UPS除了从电网吸收能量变换处理后供给负载外，同时对蓄电池进行充电，将部分能量存储在蓄电池中。电网供电中断时，可以将蓄电池中存储的能量经过能量变换继续维持对负载供电一段时间起到后备电源的作用。根据装置中蓄电池和充电器的容量大小，后备时间可以是几分钟、几小时甚至更长。(3)频率变换功能：频率变换功能可以将输入电压的频率变换成负载所需的频率。目前我国电网的频率是50Hz，而某些进口设备要求输入电压的频率为60Hz，军用设备输入电压的频率多为400Hz。要使这些设备正常工作，只需给该设备配备一套输出频率与其输入频率匹配的UPS即可。(4)电压变换功能电压变换功能可以将一种电压等级的电能变换为另一种电压等级的电能。20世纪60年代以前采用机械旋转型。最早的UPS采用了非常原始的机械储能方式，是带有一个大飞轮的电动机—发电机组，在发电机上带有一个数吨重的飞轮，平时由市电经过整流器给直流电动机供电，带动交流发电机向负载供电，当市电停电时利用飞轮的惯性使发电机继续供电,可以维持正常供电数秒钟。这种方式稳定可靠、技术简单、便于维修，但是设备庞大笨重、效率低、噪声大，现已基本淘汰。机械旋转型UPS70年代，逆变技术和晶闸管在ＵＰＳ中广泛应用。大功率半导体技术迅速发展，晶闸管的出现，使UPS技术产生第一次飞跃，逆变技术不断完善，使其得到广泛应用，但是普通晶闸管不具备自关断特性，又缺乏抗千扰能力，影响UPS工作的可靠性。近十多年来，大功率晶体管(GTR,VMOS和IGBT等)的出现，部分地取代了晶闸管，各种IC控制芯片的研制成功，微计算机的应用，并联及冗余技术的发展，使UPS性能又产生一次飞跃。现代的逆变式UPS问世后，在近十几年中得到了迅速发展。就其技术性能讲：它走过了从方波到正弦波、从离线式到在线式、从小功率到大功率、从常规延时（分钟级）到长延时（小时级）、从简单不停电供电到智能化操作和处理功能的发展历程。控制电路的发展随着蓄电池和半导体技术的发展，其控制电路也发展很快，由开始的分立元件的简单控制发展到今天的微处理机控制，由硬件控制又发展成软件控制，如软件滤波器；光纤通讯也被引入UPS，而且，微处理机也已被广泛应用于小容量的UPS中，甚至还专门为蓄电池的监控设立了微处理机，以保持电池的最佳状态。UPS的智能化发展随着计算机网络结构的扩展，现在在网络中应用的UPS不再只是单纯的电源设备，而逐步成为整个网络中电源的管理中心，UPS由最初单纯不间断供电已发展到今天的智能化、多功能。新型的UPS本身融合了多种新技术，UPS不仅是提供不间断电源的工具，而且当作为负载的设备。在无人值守时，当市电故障后，UPS可以按照事先的约定顺序关机，甚至还可以自动发传呼或E-mail给管理者。现代的UPS与服务器上的软件协同工作，还能实现事件记录、故障告警、UPS参数自动测试分析、调节等多项功能，提供了完全的电源管理解决方案。有些UPS甚至可以对环境温度、湿度和烟雾等进行监视。UPS的智能化还表现在加强UPS的节能功能即所谓“绿色UPS”上。“绿色UPS”可以减少PC系统使用的电能量，既降低了费用又保护了环境。比如“绿色UPS”在检测到打印机长时间空闲后,就会把打印机的电源关闭。当出现打印排队请求时，UPS可以马上给打印机恢复供电，随着“绿色UPS”的出现，为节约能源又提供了理想的解决方案。保护功能的变化UPS在技术不断发展和改进的过程中，其保护功能也在不断地发生变化，特别是在网络技术高速发展的今天，这种变化就更明显，下图显示了这个变化过程。1993年以前着重追求对硬件的保护，1993年开始，更多的用户把电源对数据的保护要求放在了最重要的地位。１９９３由于UPS技术是一项实用技术,国内外各大电源公司,生产厂家以及科研院所都在对其进行研究.国外已经将许多先进技术应用到实际系统中,生产出了许多知名品牌的UPS.国内对UPS先进的关键技术的研究,主要集中在少数知名院校,且大多数处在实验阶段,没能将它们应用到实际系统中去.从目前国内市场上看,国内生产厂商基本不能生产大型UPS,国内的大型UPS市场几乎全部被国外公司占领.对于中小型UPS来说,虽然国内许多生产厂家可以生产,但其产品的可靠性和性能远远不如国外的同类产品,整个中小型UPS市场90%以上都被国外公司占领.按功率大小可以分为：小功率（10KVA以下）、中功率（10～100KVA）、大功率（100KVA以上）。按输出波形可以分为：方波，梯形波，正弦波。按输入输出方式可以分为：单相入单相出，三相入单相出，三相入三相出。按工作原理还可以分为：动态UPS，静态UPS。静态UPS:以蓄电池组为储能工具,市电正常时交流市电经整流后变为直流电并将电能存储在蓄电池组中,当市电中断时再由逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电来维持向负载供电.动态UPS:是依靠惯性飞轮存储的动能来维持负载电能供应的连续性的,这种不间断电源具有笨重，噪声大，效率低，切换时间长等缺点,已被静态不间断电源所取代.静态UPS根据工作方式的不同又可分为：1.后备式(OFF-LINE)UPS.2.在线式(ON-LINE)UPS.3.在线互动式(LINEINTERACTIVE)UPS.4.Delta变换型UPS.3.1后备式UPS后备式UPS电源是一种价格低廉,仅能满足一般客户要求的普及型UPS电源.一般使用的是工频变压器来进行能量传递的,由于性能的限制,出于市场的考虑,容量一般只有0.5-2kVA左右.后备式UPS电源框图BAT电池ACDCAVRDCAC自动电压调解充电器逆变器UiUo3.1后备式UPS后备式UPS电源框图BAT电池ACDCAVRDCAC自动电压调解充电器逆变器UiUo后备式UPS电源的功率变换主回路的构成比较简单,主要由滤波电路和多抽头变压器组成,滤波电路可对市电中的干扰起到一定的抑制作用,多抽头变压器则可以起到电压调节的功能,使UPS电源的输出电压在市电发生低频波动时也能维持稳定,但电网在频繁出现高次谐波时,由于工作原理的限制,显然后备式UPS是无能为力的了.从性能上看,后备式UPS电源的稳压精度没有在线式的高,但是可以满足一般的应用需要.后备式UPS切换期间的输出会出现瞬间掉电的现象.不过转换时间很短,一般只有几ms,并不会影响到普通计算机的正常工作,但对于服务器等高端设备来说,后备式UPS的供电质量是远远不够的.出于成本考虑,后备式UPS电源工作在逆变状态时输出电压波形失真比较大,廉价的系统电压输出波形多是方波,做得好的可以实现正弦波输出.后备式UPS电源由于在市电供电时不