1、UPS電源工程師培訓,UPS基礎知識 2011年10月,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,三相負載,星形連接的負載,線電壓和相電壓間的關系是ULL=3ULN=1.732ULN 以市電電壓為例， 單相電壓220V 相間電壓2201.73=380V 若總

2、負載15KVA（對稱負載） 則：每相負載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：主要由非線性負載產(chǎn)生，例如開關電源；晶閘管、整流器等。 電流諧波會導致電壓諧波 在基波上疊加諧波=波形會發(fā)生畸變,基波與諧波,無功和高次諧波電流對電網(wǎng)造成的危害： 增加電網(wǎng)容量和配置 導致電網(wǎng)電壓畸變，嚴重干擾其他用電設備 導致變壓器等電氣設備損耗增大，過熱，絕緣老化，降低壽

3、命 引起計算機等精密電子設備運行不正常 引起異步電機振動加劇，噪聲增大 對通訊線路、測量線路產(chǎn)生輻射干擾 影響電能計量精度 。,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),基礎知識,視在功率S（單位：VA） 指負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） 指負載從交流電源吸取的全部用 以做功消耗的功率。,無功功率Q（單位：Var） 指在交流電源與負載之間來回轉換， 但不被負載消耗的那部分功率。,功率因數(shù)cos 指負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,專業(yè)名詞,U

4、PS的容量 指UPS的額定輸出規(guī)模，通常用VA表示，用以說明UPS額定工作（滿載）時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，其大小由負載性質決定 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，它標志著UPS本身損耗的大小。,專業(yè)名詞,輸出電壓穩(wěn)定精度 指在市電逆變供電時，當輸入電壓在設計范圍內(nèi)變化，以及負載在滿載負荷內(nèi)100%變化時，輸出電壓的變化量與額定值的百分比。負載對此項指標的要求并不高，以計算機類的負載為例，因為機

5、內(nèi)大多是配置了開關型的直流電源，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算機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算機的要求。 輸出電壓頻率穩(wěn)定精度（電池供電時） 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,輸出電壓切換時間 市電掉電時UPS由市電逆變供電（或市電穩(wěn)壓直接供電）轉換為電池逆變供電過程中，UPS的輸出可能出現(xiàn)的短時間的斷電時間。 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，大小由負載決定。該指標主要用來衡量UPS的輸出能

6、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功的，它是造成UPS輸入功率因數(shù)低的一個重要的因數(shù)，可對電網(wǎng)電壓造成嚴重污染。 頻率跟蹤速率 當市電頻率變化時，逆變器工作頻率跟蹤市電頻率變化響應能力。,專業(yè)名詞,電壓浪涌 指一個或多個周期電壓超過額定電壓值的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 指一個或多個周期電壓低于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 指超過一個周期的無電壓狀

7、態(tài),工頻機與高頻機,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載沖擊，功率器件易損壞。 體積小，重量輕 效率高,工頻機結構簡單，但是輸入輸出變壓器體積大，同時對于市電和負載變化的動態(tài)響應差，為了消除高次諧波，其輸出濾波器體積也大。 高頻機是目前普遍采用的，自關斷器件的應用決定了其主電路簡化，同時提高了工作頻率，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 對于供電質量提出

8、了更高的要求,UPS (Uninterruptable Power System) 產(chǎn)品系統(tǒng)，高可靠、高性能、高度自動化的供電中心 主機運行高效、高可靠、適應性強（電網(wǎng)、負載） 高可用性和可維護性 很強的網(wǎng)絡保護功能,UPS分類,按電路主結構分類: 后備式在線互動式在線式雙逆變電壓補償在線式 從后備時間分類: 標準機長效機 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）,UPS作

9、用,解決公共電網(wǎng)存在的問題： a. 實現(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、頻率波動及電壓噪聲等電網(wǎng)干擾阻 擋在負載之前。 c. 電壓變換/穩(wěn)壓作用。 d. 頻率變換/穩(wěn)頻作用。 e. 提供一定的后備時間。,影響UPS運行的幾種市電問題,電涌（power surges）：指輸出電壓有效值高于額定值110，而且持續(xù)時間達一個或數(shù)個周期。電涌主要是由于在電網(wǎng)上連接的大型電氣設備關機時，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6000v，持續(xù)時間從萬分之一秒至二分之一周期（10ms）的電壓。這主要由于雷擊、電弧

10、放電、靜態(tài)放電或大型電氣設備的開關操作而產(chǎn)生。 暫態(tài)過電壓（switching transients）：指峰值電壓高達 20000V，但持續(xù)時間界于百萬分之一秒至萬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)時間達一個到數(shù)個周期。大型設備開機，大型電動機啟動，或大型電力變壓器接入都可能造成這種問題。 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。馬達的運行、繼電器的動作、馬達控制

11、器的工作、廣播發(fā)射、微波輻射、以及電氣風暴等，都會引起線噪聲干擾。 頻率偏移（frequency variation）：系指市電頻率的變化超過3Hz以上。這主要由應急發(fā)電機的不穩(wěn)定運行，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)較長時間。其產(chǎn)生原因包括：大型設備啟動和應用、主電力線切換、啟動大型電動機、線路過載。,影響UPS運行的幾種市電現(xiàn)象,電壓低 市電停電 諧波干擾 頻率波動,高電壓尖峰 線路噪聲 電壓波動 瞬態(tài)尖峰 電壓浪涌,衡量UPS的優(yōu)劣,UPS主機要對電網(wǎng)環(huán)境有較強的適應能力 要注意UPS對各種負載的適應能力 提高電池性能，加

12、強對電池的管理 系統(tǒng)配置的靈活性和冗余功能 智能化和網(wǎng)絡保護能力 對UPS硬件系統(tǒng)的考察,UPS原理基本分類,后備式（offline） 在線互動式（lineinteractive） 雙變換在線式（online）,后備式（offline）,智能調壓,充電器,DC,AC,Vin,輸出轉換開關,后備式特點,效率高達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 存在轉換時間（4ms左右），滿足一般負載要求 電壓穩(wěn)定精度不高 輸出轉換開關，受切換電流能力和動作時間限制，功率做不大,在線互動式（lineinteractive）,輸入開關,智能調壓,AC,DC,Vin,在線互動式

13、特點,效率高達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 存在很短的轉換時間 電壓穩(wěn)定精度不高 逆變器同時有充電功能，節(jié)省UPS（后備）附加充電器,雙變換在線式（online）,Vin,Vout,旁路開關,（）,（）,AC,AC,DC,DC,雙變換在線式特點,提供高質量的電源 市電掉電，無任何轉換時間 UPS功率余量有限 輸入功率因數(shù)低（THD高） 整機效率不高,UPS的可靠性與可用性,MTBF平均無故障時間 MTTR故障恢復時間 MTBF+MTTR一個服役周期 A可用性 MTBF即為可靠性，提高A，增大MTBF，減小MTTR,MTBF,MTTR,T（年）,A=M

14、TBF/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的拓撲結構 UPS的制造工藝 并機、冗余技術,提高可用性 現(xiàn)場維修時間TR UPS管理響應時間TM UPS技術服務系統(tǒng)TS,電源系統(tǒng)實現(xiàn)冗余的幾種方式,單機/并機滿載冗于,Input,Output,Static Bypass,Bypass Panel,電源系統(tǒng)實現(xiàn)冗余的幾種方式,隔離冗余方式 （串聯(lián)并機）,主輸出,主機,從機,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）,隔離冗余熱備份

15、（即串聯(lián)冗余） UPS熱備份即UPS串聯(lián)冗余，有主機和從機之分。其基本原理是：主機正常時100%地承擔負載電流，故障時由從機提供后備電源。由于備用UPS是在主機旁路處在等待工作狀態(tài)，故稱為熱備份。 缺點： 1主機靜態(tài)開關發(fā)生故障時，將可能中斷整個系統(tǒng)供電，出現(xiàn)瓶頸故障。 2在市電故障，市電超限時，因為UPS封鎖旁路，所以主、從機無法切換，造成熱備份失效。 3備機長期處于備用狀態(tài)，電池也長期處于浮充狀態(tài)，影響電池壽命。 4目前尚無一個簡單的方式實現(xiàn)互為熱備份。,電源系統(tǒng)實現(xiàn)冗余的幾種方式,并聯(lián)冗余方式,主輸入,主輸出,主旁路,負載全部轉移此機,并聯(lián)冗余方式（一）,并聯(lián)冗余是將多于兩臺同型號、同功

16、率的UPS，通過并機柜、并機模塊或并機板，把輸出端并接而成。 目的是為了共同分擔負載功率，其基本原理是：正常情況下，兩臺UPS均由逆變器輸出，平分負載和電流，當一臺UPS故障時，由剩下的一臺UPS承擔全部負載。 三機并聯(lián)也是常用的一種方式。 例： 60KVA的負載，三臺30KVA并聯(lián)，一臺UPS出現(xiàn)故障，另兩臺UPS仍然可以承擔全部負載，此為N+1并聯(lián)冗余，還有N+2、+3等。 并聯(lián)冗余的本質，是UPS均分負載。,并聯(lián)冗余方式（二）,要實現(xiàn)并聯(lián)冗余，必須解決以下技術問題： 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必須均分負載； 4UPS故障時能快

17、速脫機。 并聯(lián)冗余的缺點： 1由于要求功率均分，因而調試困難。有些品牌UPS要在滿負載運行時調節(jié)功率均分。另外：輸入、輸出線長、線徑都是影響均分的因素。 2并機柜系統(tǒng)如發(fā)生故障，將中斷整個系統(tǒng)供電（瓶頸故障）。,采用DSP控制技術，具有高超的冗余并聯(lián)運行技術,（采用DSP技術并機） 1并機運行的UPS獨立控制電壓與相位，沒有公共控制部分，不存在瓶頸故障。 2并機調試非常簡單，只須每臺UPS參數(shù)設置完畢，即可投入并聯(lián)運行。 3由于采用DSP控制技術，并機運行的每臺UPS輸出濾形，電壓都非常一致，因此并機環(huán)流很小。 4多機并聯(lián)運行，SYNTHESIS系列：三臺并聯(lián)；EDP90系列：六臺并聯(lián)。 5在

18、并聯(lián)系統(tǒng)中任意一臺UPS故障時，DSP控制技術可以在正弦波的任意一點切換，使故障UPS快速脫機，由其它UPS繼續(xù)不間斷地供電。,并聯(lián)冗余技術的要點說明,大功率UPS相位跟蹤在3，兩臺UPS并聯(lián)有可能在相位上相差6，造成電壓差，sin6=30V，因而在輸出端會造成很大的環(huán)流，就有可能使逆變器因過載而燒毀。 另外，UPS機內(nèi)各種元件電參數(shù)的微小差異也會導致輸出電壓的差異，同樣可以導致環(huán)流。目前，世界上并機技術較好的公司可將環(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)下由逆變器向負載供電。 2UPS具有旁路切換功能，逆變器故障時可切換到市電狀態(tài)，繼

19、續(xù)保持供電。 3UPS可直接對一定容量的電池組進行充電，并對電池的狀況進行監(jiān)測。 4UPS作為一個完整獨立的電源系統(tǒng)，包括整流器、充電器、逆變器、靜態(tài)旁路開關、手動維修旁路開關及電池組。 （二）逆變器形式: B 交流輸出 A 靜態(tài)開關 1正常使用時仍為逆變器形式，靜態(tài)開關置于A處，在逆變器故障時，靜態(tài)開關置于B處，由市電或發(fā)電機電力供應至負載。 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）適用場所的比較 UPS作為一個完整獨立的電源系統(tǒng)，可以適合在任何場所應用，且結構緊湊，占地面積小。逆變器適用于具有48V電池組的郵電系統(tǒng)，因為逆變器的工作

20、還需要外配充電器、電池組等外部設備，因此結構松散，占地較大，不易布置。 （二）輸出功率的比較 因為逆變器是限定的48V電池組供電，由于電池組電壓較低，當輸出功率要求較大時，對功率模塊及生產(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置，最高可達幾百伏，因此可以制成單機五、六百千伏安的UPS，近來由于技術的進一步發(fā)展，UPS還可以采用并聯(lián)方式供電，一方面實現(xiàn)更大的功率輸出，另一方面可以作到容量備份，當一臺UPS故障時，不會影響正常的交流輸出，使負載在更加安全、可靠的供電情況下進行工作。,UPS與逆變器的比較（三）,（三）對電池組的壽命比較 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30%，對所使用電池的充電過程進行監(jiān)控，浮充電壓作為環(huán)境溫度的函數(shù)自動調節(jié)，并周期性對電池進行測試檢查，電池如有故障將警告用戶。 （四）抗干擾方面的比較 UPS在結構上采用鋼架式結構，外殼采用防銹鋼板折彎而成，且有極強的屏蔽性， 符合電磁兼容性要求，一般在設計中特意在流線型塑料外殼內(nèi)襯了2mm厚的防銹鋼板，