1、東方集團(tuán)UPS電源工程師培訓(xùn),UPS基礎(chǔ)知識(shí) 東方集團(tuán)技術(shù)培訓(xùn)中心,基本公式,歐姆定律 U=IR,電 壓 = 電 流 電 阻 （伏特）=（安培） （歐姆）,正弦電流,T,Imax,數(shù)值大小和方向都按正弦波的規(guī)律 周而復(fù)始循環(huán)變化的電流,i=Imax(sin2ft+) 正弦電流的三要素： 幅值Imax或有效值Irms Irms= Imax/2 頻率f或周期T f=1/T 相角,三相交流電路,對(duì)稱的三相交流電路 有效值相等，頻率相等，相位相差120度,三相負(fù)載,星形連接的負(fù)載,線電壓和相電壓間的關(guān)系是ULL=3ULN=1.732ULN 以市電電壓為例， 單相電壓220V 相間電壓2201.73=3

2、80V 若總負(fù)載15KVA（對(duì)稱負(fù)載） 則：每相負(fù)載15/3=5KVA 相電流=5000/220=22.73A,L1 L2 L3 N,380V 380V 220V,基波與諧波,基波：頻率f為50HZ的正弦波； 諧波：頻率為基波的倍數(shù)的正弦波 2次諧波 f=2*50HZ 3次諧波 f=3*50HZ 諧波分為電壓諧波和電流諧波 電流諧波：主要由非線性負(fù)載產(chǎn)生，例如開(kāi)關(guān)電源；晶閘管、整流器等。 電流諧波會(huì)導(dǎo)致電壓諧波 在基波上疊加諧波=波形會(huì)發(fā)生畸變,基波與諧波,無(wú)功和高次諧波電流對(duì)電網(wǎng)造成的危害： 增加電網(wǎng)容量和配置 導(dǎo)致電網(wǎng)電壓畸變，嚴(yán)重干擾其他用電設(shè)備 導(dǎo)致變壓器等電氣設(shè)備損耗增大，過(guò)熱，絕緣

3、老化，降低壽命 引起計(jì)算機(jī)等精密電子設(shè)備運(yùn)行不正常 引起異步電機(jī)振動(dòng)加劇，噪聲增大 對(duì)通訊線路、測(cè)量線路產(chǎn)生輻射干擾 影響電能計(jì)量精度 。,基本概念,整流：交流AC 直流DC 逆變：交流AC 直流DC,串聯(lián) 并聯(lián),基礎(chǔ)知識(shí),視在功率S（單位：VA） 指負(fù)載從交流電源吸取電流有效 值與電源電壓有效值的代數(shù)乘積。,有功功率P（單位：W） 指負(fù)載從交流電源吸取的全部用 以做功消耗的功率。,無(wú)功功率Q（單位：Var） 指在交流電源與負(fù)載之間來(lái)回轉(zhuǎn)換， 但不被負(fù)載消耗的那部分功率。,功率因數(shù)cos 指負(fù)載從交流電源吸取的有功功率 與視在功率的比。,S=UI,COS=P/S,S =P + Q,2 2 2,

4、專業(yè)名詞,UPS的容量 指UPS的額定輸出規(guī)模，通常用VA表示，用以說(shuō)明UPS額定工作（滿載）時(shí)輸出的視在功率的值。 UPS的輸入功率因數(shù) 指UPS作為電網(wǎng)的負(fù)載，表現(xiàn)出的功率因數(shù)。即UPS從電網(wǎng)吸取的有功功率與視在功率的比。 UPS的輸出功率因數(shù) 一般指UPS的有功功率與視在功率之比，其大小由負(fù)載性質(zhì)決定 UPS的效率 指UPS輸出的有功功率在全部輸入的有功功率中占的成分，它標(biāo)志著UPS本身?yè)p耗的大小。,專業(yè)名詞,輸出電壓穩(wěn)定精度 指在市電逆變供電時(shí)，當(dāng)輸入電壓在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)變化，以及負(fù)載在滿載負(fù)荷內(nèi)100%變化時(shí)，輸出電壓的變化量與額定值的百分比。負(fù)載對(duì)此項(xiàng)指標(biāo)的要求并不高，以計(jì)算機(jī)類的負(fù)載

5、為例，因?yàn)闄C(jī)內(nèi)大多是配置了開(kāi)關(guān)型的直流電源，它容許輸入電壓在20-30%范圍內(nèi)變化。 輸出電壓波形失真度 所謂波形失真度是指計(jì)算機(jī)輸入交流電壓中所有高次諧波有效值之和與基波有效值的百分比，數(shù)據(jù)表明，波形失真度小于10%的情況下就可以滿足計(jì)算機(jī)的要求。 輸出電壓頻率穩(wěn)定精度（電池供電時(shí)） UPS輸出電壓頻率的變化量與額定頻率（50HZ）的百分比。,專業(yè)名詞,輸出電壓切換時(shí)間 市電掉電時(shí)UPS由市電逆變供電（或市電穩(wěn)壓直接供電）轉(zhuǎn)換為電池逆變供電過(guò)程中，UPS的輸出可能出現(xiàn)的短時(shí)間的斷電時(shí)間。 輸出電流峰值系數(shù) 輸出電流峰值與電流基波有效值的比值。典型值為34，大小由負(fù)載決定。該指標(biāo)主要用來(lái)衡量U

6、PS的輸出能力 輸入電流的諧波成分 輸入電流的諧波成分形成的輸入功率是無(wú)功的，它是造成UPS輸入功率因數(shù)低的一個(gè)重要的因數(shù)，可對(duì)電網(wǎng)電壓造成嚴(yán)重污染。 頻率跟蹤速率 當(dāng)市電頻率變化時(shí)，逆變器工作頻率跟蹤市電頻率變化響應(yīng)能力。,專業(yè)名詞,電壓浪涌 指一個(gè)或多個(gè)周期電壓超過(guò)額定電壓值的110% 電壓尖峰 指在二分之一周至100ms期間內(nèi)疊加的電壓脈沖 噪聲電壓 是指疊加在工頻電壓上的低幅度、頻率范圍很寬的高頻分量 過(guò)壓 指超出電網(wǎng)電壓正常有效值一定百分比的穩(wěn)定電壓 電壓跌落 指一個(gè)或多個(gè)周期電壓低于80%85%額定電壓有效值 欠壓 指低于正常電壓有效值一定百分比的穩(wěn)定低電壓 電源中斷 指超過(guò)一個(gè)周

7、期的無(wú)電壓狀態(tài),工頻機(jī)與高頻機(jī),工頻 穩(wěn)定性好，可靠性高 體積大，重量重 功耗大，效率不高,高頻 可靠性不高，功率器件瞬間承受大負(fù)載沖擊，功率器件易損壞。 體積小，重量輕 效率高,工頻機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是輸入輸出變壓器體積大，同時(shí)對(duì)于市電和負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，為了消除高次諧波，其輸出濾波器體積也大。 高頻機(jī)是目前普遍采用的，自關(guān)斷器件的應(yīng)用決定了其主電路簡(jiǎn)化，同時(shí)提高了工作頻率，降低了換流損耗，提高了逆變器的工作效率。,UPS概念變化,UPS (Uninterruptable Power Supply) 不間斷電源為重要部門(mén)電網(wǎng)掉電提供持續(xù)供電保障 50-70%都為電源故障，停電占百分之幾 對(duì)于

8、供電質(zhì)量提出了更高的要求,UPS (Uninterruptable Power System) 產(chǎn)品系統(tǒng)，高可靠、高性能、高度自動(dòng)化的供電中心 主機(jī)運(yùn)行高效、高可靠、適應(yīng)性強(qiáng)（電網(wǎng)、負(fù)載） 高可用性和可維護(hù)性 很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)功能,UPS分類,按電路主結(jié)構(gòu)分類: 后備式在線互動(dòng)式在線式雙逆變電壓補(bǔ)償在線式 從后備時(shí)間分類: 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)長(zhǎng)效機(jī) 按輸入輸出方式分類: 單相輸入/單相輸出三相輸入/單相輸出三相輸入/三相輸出,從輸出波形分類: 方波正弦波 從輸出容量分類: 微型 （小于或等于1KVA） 小型（大于1KVA，小于或等于5KVA） 中型（大于5KVA，小于或等于30KVA） 大型（大于30KVA

9、）,UPS作用,解決公共電網(wǎng)存在的問(wèn)題： a. 實(shí)現(xiàn)雙路電源的不間斷相互切換。 b. 隔離作用：將瞬間間斷、諧波、電壓波 動(dòng)、頻率波動(dòng)及電壓噪聲等電網(wǎng)干擾阻 擋在負(fù)載之前。 c. 電壓變換/穩(wěn)壓作用。 d. 頻率變換/穩(wěn)頻作用。 e. 提供一定的后備時(shí)間。,影響UPS運(yùn)行的幾種市電問(wèn)題,電涌（power surges）：指輸出電壓有效值高于額定值110，而且持續(xù)時(shí)間達(dá)一個(gè)或數(shù)個(gè)周期。電涌主要是由于在電網(wǎng)上連接的大型電氣設(shè)備關(guān)機(jī)時(shí)，電網(wǎng)因突然卸載而產(chǎn)生的高壓。 高壓尖脈沖（high voltage spikes）：指峰值達(dá)6000v，持續(xù)時(shí)間從萬(wàn)分之一秒至二分之一周期（10ms）的電壓。這主要由

10、于雷擊、電弧放電、靜態(tài)放電或大型電氣設(shè)備的開(kāi)關(guān)操作而產(chǎn)生。 暫態(tài)過(guò)電壓（switching transients）：指峰值電壓高達(dá) 20000V，但持續(xù)時(shí)間界于百萬(wàn)分之一秒至萬(wàn)分之一秒的脈沖電壓。其主要原因及可能造成的破壞類似于高壓尖脈沖，只是在解決方法上會(huì)有區(qū)別。 電壓下陷(power sags）：指市電電壓有效值介于額定值的80至85之間的低壓狀態(tài)，并且持續(xù)時(shí)間達(dá)一個(gè)到數(shù)個(gè)周期。大型設(shè)備開(kāi)機(jī)，大型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，或大型電力變壓器接入都可能造成這種問(wèn)題。 電線噪聲（electrical line noise）：系指射頻干擾(RFI)和電磁干擾（EFI）以及其它各種高頻干擾。馬達(dá)的運(yùn)行、繼電器的動(dòng)

11、作、馬達(dá)控制器的工作、廣播發(fā)射、微波輻射、以及電氣風(fēng)暴等，都會(huì)引起線噪聲干擾。 頻率偏移（frequency variation）：系指市電頻率的變化超過(guò)3Hz以上。這主要由應(yīng)急發(fā)電機(jī)的不穩(wěn)定運(yùn)行，或由頻率不穩(wěn)定的電源供電所致。 持續(xù)低電壓（brownout）指市電電壓有效值低于額定值，并且持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。其產(chǎn)生原因包括：大型設(shè)備啟動(dòng)和應(yīng)用、主電力線切換、啟動(dòng)大型電動(dòng)機(jī)、線路過(guò)載。,影響UPS運(yùn)行的幾種市電現(xiàn)象,電壓低 市電停電 諧波干擾 頻率波動(dòng),高電壓尖峰 線路噪聲 電壓波動(dòng) 瞬態(tài)尖峰 電壓浪涌,衡量UPS的優(yōu)劣,UPS主機(jī)要對(duì)電網(wǎng)環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)能力 要注意UPS對(duì)各種負(fù)載的適應(yīng)能力 提高

12、電池性能，加強(qiáng)對(duì)電池的管理 系統(tǒng)配置的靈活性和冗余功能 智能化和網(wǎng)絡(luò)保護(hù)能力 對(duì)UPS硬件系統(tǒng)的考察,UPS原理基本分類,后備式（offline） 在線互動(dòng)式（lineinteractive） 雙變換在線式（online）,后備式（offline）,智能調(diào)壓,充電器,DC,AC,Vin,輸出轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),后備式特點(diǎn),效率高達(dá)98% UPS本身不產(chǎn)生附加輸入功率因數(shù)、諧波電流 市電存在，輸出能力強(qiáng) 存在轉(zhuǎn)換時(shí)間（4ms左右），滿足一般負(fù)載要求 電壓穩(wěn)定精度不高 輸出轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，受切換電流能力和動(dòng)作時(shí)間限制，功率做不大,在線互動(dòng)式（lineinteractive）,輸入開(kāi)關(guān),智能調(diào)壓,AC,DC,Vin

13、,在線互動(dòng)式特點(diǎn),效率高達(dá)98% UPS本身不產(chǎn)生附加輸入功率因數(shù)、諧波電流 市電存在，輸出能力強(qiáng) 存在很短的轉(zhuǎn)換時(shí)間 電壓穩(wěn)定精度不高 逆變器同時(shí)有充電功能，節(jié)省UPS（后備）附加充電器,雙變換在線式（online）,Vin,Vout,旁路開(kāi)關(guān),（）,（）,AC,AC,DC,DC,雙變換在線式特點(diǎn),提供高質(zhì)量的電源 市電掉電，無(wú)任何轉(zhuǎn)換時(shí)間 UPS功率余量有限 輸入功率因數(shù)低（THD高） 整機(jī)效率不高,UPS的可靠性與可用性,MTBF平均無(wú)故障時(shí)間 MTTR故障恢復(fù)時(shí)間 MTBF+MTTR一個(gè)服役周期 A可用性 MTBF即為可靠性，提高A，增大MTBF，減小MTTR,MTBF,MTTR,T（

14、年）,A=MTBF/MTBF+MTTR A=1/1+MTTR/MTBF MTBF=，A=100% MTTR=0，A=100%,可靠性和可用性提高,提高可靠性 元器件的選用 UPS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) UPS的制造工藝 并機(jī)、冗余技術(shù),提高可用性 現(xiàn)場(chǎng)維修時(shí)間TR UPS管理響應(yīng)時(shí)間TM UPS技術(shù)服務(wù)系統(tǒng)TS,電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冗余的幾種方式,單機(jī)/并機(jī)滿載冗于,Input,Output,Static Bypass,Bypass Panel,電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冗余的幾種方式,隔離冗余方式 （串聯(lián)并機(jī)）,主輸出,主機(jī),從機(jī),維修旁路,靜態(tài)旁路,靜態(tài)旁路,維修旁路,主輸入,旁輸入,主輸入,隔離冗余方式 （串聯(lián)并機(jī)）,隔

15、離冗余熱備份（即串聯(lián)冗余） UPS熱備份即UPS串聯(lián)冗余，有主機(jī)和從機(jī)之分。其基本原理是：主機(jī)正常時(shí)100%地承擔(dān)負(fù)載電流，故障時(shí)由從機(jī)提供后備電源。由于備用UPS是在主機(jī)旁路處在等待工作狀態(tài)，故稱為熱備份。 缺點(diǎn)： 1主機(jī)靜態(tài)開(kāi)關(guān)發(fā)生故障時(shí)，將可能中斷整個(gè)系統(tǒng)供電，出現(xiàn)瓶頸故障。 2在市電故障，市電超限時(shí)，因?yàn)閁PS封鎖旁路，所以主、從機(jī)無(wú)法切換，造成熱備份失效。 3備機(jī)長(zhǎng)期處于備用狀態(tài)，電池也長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)，影響電池壽命。 4目前尚無(wú)一個(gè)簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)互為熱備份。,電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冗余的幾種方式,并聯(lián)冗余方式,主輸入,主輸出,主旁路,負(fù)載全部轉(zhuǎn)移此機(jī),并聯(lián)冗余方式（一）,并聯(lián)冗余是將多于兩臺(tái)

16、同型號(hào)、同功率的UPS，通過(guò)并機(jī)柜、并機(jī)模塊或并機(jī)板，把輸出端并接而成。 目的是為了共同分擔(dān)負(fù)載功率，其基本原理是：正常情況下，兩臺(tái)UPS均由逆變器輸出，平分負(fù)載和電流，當(dāng)一臺(tái)UPS故障時(shí)，由剩下的一臺(tái)UPS承擔(dān)全部負(fù)載。 三機(jī)并聯(lián)也是常用的一種方式。 例： 60KVA的負(fù)載，三臺(tái)30KVA并聯(lián)，一臺(tái)UPS出現(xiàn)故障，另兩臺(tái)UPS仍然可以承擔(dān)全部負(fù)載，此為N+1并聯(lián)冗余，還有N+2、+3等。 并聯(lián)冗余的本質(zhì)，是UPS均分負(fù)載。,并聯(lián)冗余方式（二）,要實(shí)現(xiàn)并聯(lián)冗余，必須解決以下技術(shù)問(wèn)題： 1各UPS逆變器輸出波形保持同相位、同頻率； 2各UPS逆變器輸出電壓一致； 3各UPS必須均分負(fù)載； 4UP

17、S故障時(shí)能快速脫機(jī)。 并聯(lián)冗余的缺點(diǎn)： 1由于要求功率均分，因而調(diào)試?yán)щy。有些品牌UPS要在滿負(fù)載運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)功率均分。另外：輸入、輸出線長(zhǎng)、線徑都是影響均分的因素。 2并機(jī)柜系統(tǒng)如發(fā)生故障，將中斷整個(gè)系統(tǒng)供電（瓶頸故障）。,采用DSP控制技術(shù)，具有高超的冗余并聯(lián)運(yùn)行技術(shù),（采用DSP技術(shù)并機(jī)） 1并機(jī)運(yùn)行的UPS獨(dú)立控制電壓與相位，沒(méi)有公共控制部分，不存在瓶頸故障。 2并機(jī)調(diào)試非常簡(jiǎn)單，只須每臺(tái)UPS參數(shù)設(shè)置完畢，即可投入并聯(lián)運(yùn)行。 3由于采用DSP控制技術(shù)，并機(jī)運(yùn)行的每臺(tái)UPS輸出濾形，電壓都非常一致，因此并機(jī)環(huán)流很小。 4多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，SYNTHESIS系列：三臺(tái)并聯(lián)；EDP90系列：六臺(tái)

18、并聯(lián)。 5在并聯(lián)系統(tǒng)中任意一臺(tái)UPS故障時(shí)，DSP控制技術(shù)可以在正弦波的任意一點(diǎn)切換，使故障UPS快速脫機(jī)，由其它UPS繼續(xù)不間斷地供電。,并聯(lián)冗余技術(shù)的要點(diǎn)說(shuō)明,大功率UPS相位跟蹤在3，兩臺(tái)UPS并聯(lián)有可能在相位上相差6，造成電壓差，sin6=30V，因而在輸出端會(huì)造成很大的環(huán)流，就有可能使逆變器因過(guò)載而燒毀。 另外，UPS機(jī)內(nèi)各種元件電參數(shù)的微小差異也會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的差異，同樣可以導(dǎo)致環(huán)流。目前，世界上并機(jī)技術(shù)較好的公司可將環(huán)流控制在2- 4%。,UPS與逆變器的比較（一）,（一）UPS形式： 1UPS可工作在市電狀態(tài)下由逆變器向負(fù)載供電。 2UPS具有旁路切換功能，逆變器故障時(shí)可切換到

19、市電狀態(tài)，繼續(xù)保持供電。 3UPS可直接對(duì)一定容量的電池組進(jìn)行充電，并對(duì)電池的狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 4UPS作為一個(gè)完整獨(dú)立的電源系統(tǒng)，包括整流器、充電器、逆變器、靜態(tài)旁路開(kāi)關(guān)、手動(dòng)維修旁路開(kāi)關(guān)及電池組。 （二）逆變器形式: B 交流輸出 A 靜態(tài)開(kāi)關(guān) 1正常使用時(shí)仍為逆變器形式，靜態(tài)開(kāi)關(guān)置于A處，在逆變器故障時(shí)，靜態(tài)開(kāi)關(guān)置于B處，由市電或發(fā)電機(jī)電力供應(yīng)至負(fù)載。 2此種形式之逆變器，適用于功率大約在5KVA至10KVA之間。,UPS與逆變器的比較（二）,（一）適用場(chǎng)所的比較 UPS作為一個(gè)完整獨(dú)立的電源系統(tǒng)，可以適合在任何場(chǎng)所應(yīng)用，且結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。逆變器適用于具有48V電池組的郵電系統(tǒng)，因?yàn)?/p>

20、逆變器的工作還需要外配充電器、電池組等外部設(shè)備，因此結(jié)構(gòu)松散，占地較大，不易布置。 （二）輸出功率的比較 因?yàn)槟孀兤魇窍薅ǖ?8V電池組供電，由于電池組電壓較低，當(dāng)輸出功率要求較大時(shí)，對(duì)功率模塊及生產(chǎn)工藝要求愈高，因此逆變器大功率輸出難以實(shí)現(xiàn)，目前生產(chǎn)的逆變器最大輸出的功率約為10KVA左右，而UPS由于自身帶有電池組，電池組的直流電壓可根據(jù)輸出功率的要求自行設(shè)置，最高可達(dá)幾百伏，因此可以制成單機(jī)五、六百千伏安的UPS，近來(lái)由于技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，UPS還可以采用并聯(lián)方式供電，一方面實(shí)現(xiàn)更大的功率輸出，另一方面可以作到容量備份，當(dāng)一臺(tái)UPS故障時(shí)，不會(huì)影響正常的交流輸出，使負(fù)載在更加安全、可靠的供電情況下進(jìn)行工作。,UPS與逆變器的比較（三）,（三）對(duì)電池組的壽命比較 UPS本身帶有電池管理功能。具有智能電池管理功能，可將電池壽命延長(zhǎng)30%，對(duì)所使用電池的充電過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，浮充電壓作為環(huán)境溫度的函數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)，并周期性對(duì)電池進(jìn)行測(cè)試檢查，電池如有故障將警告用戶。 （四）抗干擾方面的比較 UPS在結(jié)構(gòu)上采用鋼架式結(jié)構(gòu)，外殼采用防銹鋼板折彎而成，且有極強(qiáng)的屏蔽性， 符合電磁兼容性要求，一般在設(shè)計(jì)中特意在流線型塑料外殼內(nèi)襯了2mm厚的防銹鋼板