UPS電源的組成與基本原理

UPS電源的組成與基本原理培訓(xùn)資料１.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的定義UPS的主要作用UPS的分類和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)UPS的基本組成２.UPS的基本運(yùn)行原理正常運(yùn)行方式電池后備運(yùn)行方式旁路運(yùn)行方式維修運(yùn)行方式目錄1.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的定義UPS是英文UninterruptablePowerSupply的縮寫，中文譯為“不間斷電源”；它是能夠?qū)崿F(xiàn)兩路電源之間不間斷地相互切換的電氣裝置；從嚴(yán)格意義上講，UPS不是一種電源，它不是依靠能量形式的轉(zhuǎn)換來(lái)提供電能，它只是提供一種兩路電源之間無(wú)間斷切換的機(jī)會(huì)，這才是UPS的主要設(shè)計(jì)思想；UPS的價(jià)格之所以昂貴，就是貴在這種不間斷切換的特點(diǎn)上page3UPS的定義UPS是電力電子技術(shù)的產(chǎn)品：以電力為對(duì)象，以電子技術(shù)為手段實(shí)現(xiàn)控制的技術(shù)稱為電力電子技術(shù)。它的主要任務(wù)是利用電力和電子器件實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的控制和轉(zhuǎn)換。從1956年第一只可控硅（SCR）誕生之日起，即進(jìn)入了電力電子技術(shù)的時(shí)代。70年代末期由微電子技術(shù)與電力晶體管（GTR）技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)入了現(xiàn)代電力電子技術(shù)的時(shí)代?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)應(yīng)用于所有的電氣工程領(lǐng)域，例如：發(fā)電廠的儲(chǔ)能設(shè)備、直流輸電設(shè)備、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、變頻調(diào)速電機(jī)、不間斷電源、開(kāi)關(guān)電源、中高頻感應(yīng)電爐、電視、辦公自動(dòng)化、通訊、汽車自動(dòng)化、家用電器等等。page41.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的主要作用——為什么要使用UPS？隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種各樣的用電器越來(lái)越多，而這其中的絕大部分都是非線性負(fù)載(Non-LinearLoad)：從電網(wǎng)提取電流的波形與電壓波形不一致的負(fù)載；阻抗隨加在其兩端的電壓而變化的負(fù)載；產(chǎn)生諧波電流的負(fù)載又稱為畸變負(fù)載(DeformingLoads)或污染負(fù)載(PollutingLoad);一方面，這些非線性負(fù)載給電網(wǎng)帶來(lái)了大量的諧波以及其它的干擾，使供電的質(zhì)量越來(lái)越壞;另一方面，一些重要的用電部門，如機(jī)場(chǎng)、醫(yī)院、銀行等和一些重要的用電設(shè)備：如計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備等，對(duì)供電質(zhì)量的要求越來(lái)越高:不僅要求不停電，還要求電壓、頻率穩(wěn)定，還要求波形準(zhǔn)確完好。簡(jiǎn)而言之，需要有一個(gè)干凈或凈化的電源；這就使得負(fù)荷(用電器)與電網(wǎng)供電質(zhì)量之間的矛盾日趨加深，必須解決。

在諸多的解決電源的方案中，UPS是最好的解決方案。page51.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的主要作用——電網(wǎng)中的騷擾停電：短時(shí)間的、長(zhǎng)時(shí)間的...page61.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的主要作用——電網(wǎng)中的騷擾電壓變化：電壓跌落、過(guò)電壓、欠電壓、電壓尖峰、三相不平衡...page71.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的主要作用——電網(wǎng)中的騷擾頻率變化：頻率波動(dòng)、過(guò)高、過(guò)低、閃爍...page81.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的主要作用——電網(wǎng)中的騷擾其它騷擾：高頻瞬態(tài)沖擊、諧波、電磁兼容性...page91.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的主要作用——電網(wǎng)中騷擾的解決方案為了消除這些電網(wǎng)中的干擾，制定有關(guān)的供電標(biāo)準(zhǔn)：供電標(biāo)準(zhǔn)EN50160

定義了歐洲配電系統(tǒng)中的如下一些正常波動(dòng)：電壓+10%到-15%(每10分鐘間隔的平均有效值)，其中每周95%的時(shí)間必須在±10%的范圍內(nèi)；頻率+4％到-6%，一年中有99.5%的時(shí)間在1%的范圍內(nèi)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電子計(jì)算機(jī)場(chǎng)地通用規(guī)范》（GB/T-2887-2000）中關(guān)于機(jī)房供配電要求如下：頻率：50Hz，電壓：380V／220V，相數(shù)：三相五線制或三相四線制／單相三線制：page101.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的主要作用——電網(wǎng)中騷擾的解決方案為了消除這些電網(wǎng)中的干擾，制定有關(guān)的法規(guī)，限制用電器對(duì)電網(wǎng)造成的擾動(dòng)，規(guī)定用電器給公共電網(wǎng)帶來(lái)的干擾限值：國(guó)際電工委員會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)IEC1000-3-2,歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN60555-2,瑞士標(biāo)準(zhǔn)ASE3600，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)IEEE519；以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB12326-90（電能質(zhì)量－電壓允許波動(dòng)和閃變）、GB/T14549－93（電能質(zhì)量－公用電網(wǎng)諧波）等。人們用了多年的時(shí)間來(lái)尋找各種解決辦法最后才創(chuàng)造出UPS這樣的新型設(shè)備,使電網(wǎng)和用電器進(jìn)行隔離,既避免負(fù)載對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾,又避免電網(wǎng)中的干擾進(jìn)入和影響負(fù)載。page111.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的主要作用——電網(wǎng)中的騷擾，各種電氣裝置解決方案的比較在眾多的解決方案中，只有UPS的抗電網(wǎng)干擾的功能最全面、性能最好，因而得到各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。page121.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)2.隔離作用：將瞬間間斷、諧波、電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)以及電壓噪聲等電網(wǎng)干擾阻擋在負(fù)載之前，即使負(fù)載對(duì)電網(wǎng)不產(chǎn)生干擾，又使電網(wǎng)中的干擾不影響負(fù)載；page13UPS的主要作用1.兩路電源之間的無(wú)間斷相互切換；1.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)4.頻率變換作用：輸入頻率等于或不等于輸出頻率，如50Hz/50Hz，50Hz/60Hz，包括穩(wěn)頻作用；page14UPS的主要作用3.電壓變換作用：輸入電壓等于或不等于輸出電壓，如380V/380V，380V/220V，包括穩(wěn)壓作用；1.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)1)和5)是保證對(duì)負(fù)載供電的連續(xù)性；2)、3)和4)是保證對(duì)負(fù)載供電的質(zhì)量。page15UPS的主要作用5.提供一定的后備時(shí)間：UPS的電池貯存一定的能量，在電網(wǎng)停電或間斷時(shí)繼續(xù)供電一段時(shí)間來(lái)保護(hù)負(fù)載；后備時(shí)間為10分鐘、30分鐘、60分鐘或更長(zhǎng)。1.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的分類和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（1）被動(dòng)后備式(PassiveStandby，也稱為離線式OFF-Line)組成充電器逆變器電池濾波器/調(diào)壓器page161.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的分類和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（1）被動(dòng)后備式(PassiveStandby，也稱為離線式OFF-Line)工作原理正常運(yùn)行方式：負(fù)載由市電通過(guò)一個(gè)可消除某些特定的騷擾并提供一定程度的電壓調(diào)節(jié)的濾波裝置為負(fù)載供電；逆變器運(yùn)行在被動(dòng)后備的模式下；充電器對(duì)電池組進(jìn)行浮充電以保證電池處于充滿的狀態(tài)；page171.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的分類和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（1）被動(dòng)后備式(PassiveStandby，也稱為離線式OFF-Line)工作原理電池放電運(yùn)行方式：當(dāng)交流輸入電壓超出了UPS的允許容限范圍，或市電中斷時(shí)，逆變器和電池在經(jīng)過(guò)一個(gè)很短的切換時(shí)間(切換時(shí)間小于10毫秒)之后投入，以保證對(duì)負(fù)載的繼續(xù)供電，直到電池提供的后備時(shí)間結(jié)束；page181.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的分類和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（1）被動(dòng)后備式(PassiveStandby，也稱為離線式OFF-Line)工作原理市電恢復(fù)正常后：在經(jīng)過(guò)很短的切換時(shí)間(切換時(shí)間小于10毫秒)后,負(fù)載切換回市電供電;充電器開(kāi)始給電池進(jìn)行恢復(fù)充電，直到充滿后轉(zhuǎn)入浮充電狀態(tài)。page191.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的分類和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（1）被動(dòng)后備式(PassiveStandby，也稱為離線式(OFF-Line))應(yīng)用：小于2KVA的UPS；優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜；缺點(diǎn)：頻率不能調(diào)節(jié)，切換有間斷。page201.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的分類和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（2）線互動(dòng)式(LineInteractive)組成：靜態(tài)開(kāi)關(guān)雙向逆變器電池旁路開(kāi)關(guān)page211.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的分類和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（2）線互動(dòng)式(LineInteractive)工作原理：逆變器以后備方式并聯(lián)在交流輸入上，并且對(duì)電池充電。因此逆變器與交流輸入電源互動(dòng)（可逆向運(yùn)行）。正常模式：負(fù)載通過(guò)與交流輸入并聯(lián)的逆變器獲取經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的電力。逆變器的作用是調(diào)節(jié)輸出電壓和給電池進(jìn)行浮充電充電。輸出頻率取決于交流輸入的頻率。page221.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的分類和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（2）線互動(dòng)式(LineInteractive)工作原理：電池供電模式：當(dāng)交流輸入電壓超越UPS允許的容限范圍或市電中斷時(shí)，逆變器和電池通過(guò)一個(gè)靜態(tài)開(kāi)關(guān)無(wú)間斷地切換給負(fù)載繼續(xù)供電，該靜態(tài)開(kāi)關(guān)同時(shí)也斷開(kāi)交流輸入以防止逆變器的電流倒送回上線。UPS依靠電池的電力持續(xù)運(yùn)行，直到電池的后備時(shí)間結(jié)束或市電恢復(fù)正常。如果市電恢復(fù)正常負(fù)載將被切換回正常模式，但這時(shí)逆變器開(kāi)始給電池進(jìn)行恢復(fù)性充電。page231.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的分類和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（2）線互動(dòng)式(LineInteractive)工作原理：旁路模式：這種類型的UPS有可能配備旁路。如果UPS的某項(xiàng)功能發(fā)生故障，或發(fā)生過(guò)載，負(fù)載可以被切換到旁路交流輸入（視安裝情況由市電或后備電源供電）。page241.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的分類和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（2）線互動(dòng)式(LineInteractive)應(yīng)用：此種配置不太適合作為中-大功率為敏感性負(fù)載的電源，因?yàn)闊o(wú)法進(jìn)行頻率的調(diào)節(jié)。由于這個(gè)原因，在除小功率以外的設(shè)備中很少采用這種配置。通常小于10KVA，用于非關(guān)鍵性負(fù)載。優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜；缺點(diǎn)：頻率不能調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)特性差。page251.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的分類和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（3）雙轉(zhuǎn)換式(Double－Conversion，又稱為在線式On-Line)基本組成：整流器/充電器逆變器靜態(tài)開(kāi)關(guān)(靜態(tài)旁路)手動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)(手動(dòng)維修旁路)電池逆變器串聯(lián)在交流輸入和負(fù)載之間page261.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的分類和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（3）雙轉(zhuǎn)換式(DoubleConversion，又稱為在線式On-Line)應(yīng)用：在這中配置中，由于使用了靜態(tài)開(kāi)關(guān)，將負(fù)載切換到逆變器所需的時(shí)間可以忽略不計(jì)；而且，輸出的電壓和頻率完全獨(dú)立于輸入電壓和頻率。這意味著這種類型的UPS可以被設(shè)計(jì)作為頻率轉(zhuǎn)換器使用。實(shí)際上，這種類型是中大功率的主要配置（10KVA以上）。注意：這種類型的UPS常常被稱作“在線式”，這表示負(fù)載由逆變器連續(xù)供電而不管交流輸入電源的狀態(tài)如何。優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)壓穩(wěn)頻、切換無(wú)間斷；缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴。page271.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的基本組成page281.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的基本組成－(1)整流器/充電器將主交流輸入電源的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓的變換器。用于：為逆變器提供電源；對(duì)電池進(jìn)行充電和浮充電。page291.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的基本組成－(2)逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換成滿足嚴(yán)格要求的交流電壓的轉(zhuǎn)換器。直流電壓正常情況下來(lái)自整流器；后備期間來(lái)自電池。page301.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的基本組成－(3)電池在市電電網(wǎng)發(fā)生下列情況時(shí)使UPS繼續(xù)運(yùn)行：市電電網(wǎng)斷電；電網(wǎng)電力的指標(biāo)超出了UPS允許的容限范圍。標(biāo)準(zhǔn)的電池后備時(shí)間是從10分鐘到30分鐘，并且根據(jù)需要延長(zhǎng)。根據(jù)后備時(shí)間的不同，電池可裝在UPS機(jī)柜內(nèi)或分開(kāi)的柜體內(nèi)。page311.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的基本組成－(4)靜態(tài)開(kāi)關(guān)用于將負(fù)載從逆變器切換到旁路，并且在切換時(shí)對(duì)負(fù)載的供電沒(méi)有任何中斷（因?yàn)榍袚Q動(dòng)作是由電子元件而不是機(jī)械元件完成的）。以下的任意一種原因都可能導(dǎo)致切換：UPS自行關(guān)機(jī)；超越逆變器容量上限的過(guò)載；內(nèi)部故障。page321.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的基本組成－(5)手動(dòng)維修旁路開(kāi)關(guān)用于在維護(hù)時(shí)將負(fù)載切換到旁路。當(dāng)UPS上線和下游的頻率一致時(shí)方可進(jìn)行切換。轉(zhuǎn)換到旁路方式運(yùn)行不會(huì)導(dǎo)致對(duì)負(fù)載供電的中斷，因?yàn)檗D(zhuǎn)換是通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)進(jìn)行的。page331.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的基本組成－(6)市電輸入開(kāi)關(guān)、(7)靜態(tài)旁路輸入開(kāi)關(guān)、(8)逆變器輸出開(kāi)關(guān)和(9)電池?cái)嗦菲鬟@些置于UPS內(nèi)的裝置在維護(hù)期間隔離各種組件；電池短路器提供電池過(guò)放電保護(hù)、保護(hù)整流器/充電器和逆變器免受電池短路的影響。page341.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的基本組成(10)旁路輸入隔離變壓器(選件)當(dāng)下線負(fù)載由旁路供電時(shí)提供UPS輸入/輸出的電氣隔離；在上線與下線的地線系統(tǒng)不一樣的情況下尤其重要；對(duì)于某些系列UPS，上線隔離變壓器能安裝在UPS主機(jī)柜里。(11)電壓匹配變壓器(選件)將電壓調(diào)節(jié)至所需的值。(12)輸入諧波濾波器(選件)在主電源輸入端，有可能需要在整流器上線安裝諧波濾波器；目的是消除反送回配電系統(tǒng)的諧波電流：諧波電流是由整流器中的二極管或可控硅的開(kāi)關(guān)作用產(chǎn)生的，它是產(chǎn)生電壓失真度的原因之一；安裝諧波濾波器可以降低上線的配電總線中的電壓失真度。將上線的THDU(總諧波電壓失真度)控制在允許的水平內(nèi)；page351.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的基本組成－(13)內(nèi)置通信接口板(14)調(diào)制解調(diào)器接口除了需要友好的人-機(jī)界面對(duì)UPS實(shí)行有效的監(jiān)控之外，UPS與其外部電力和計(jì)算環(huán)境(監(jiān)控系統(tǒng)，樓宇和能源管理(BEM)系統(tǒng))通訊的也變得越來(lái)越重要；梅蘭日蘭的UPS內(nèi)置了全面的通訊功能，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型配備以下裝置：帶有圖象顯示和模擬圖形面板的友好的人/機(jī)界面：該界面是圍繞自監(jiān)控系統(tǒng)和自檢測(cè)系統(tǒng)建立的，能持續(xù)地指示UPS不同部件的狀態(tài)；例如：電池監(jiān)控系統(tǒng)具有全面的電池管理功能，可連續(xù)地監(jiān)控電池的狀態(tài)；溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電池溫度；電池保護(hù)系統(tǒng)能夠迅速地探測(cè)和定位電池的故障；內(nèi)置的與環(huán)境的通訊接口，包括：干接點(diǎn)；RS232ASCII；使用SNMP協(xié)議的以太網(wǎng)卡；JBUSRS485；用于Teleservice(遠(yuǎn)程服務(wù))的調(diào)制解調(diào)器。這些接口允許用戶通過(guò)一臺(tái)PC用監(jiān)控軟件(如Monitor-Pac軟件)或樓宇能源管理系統(tǒng)來(lái)遠(yuǎn)程控制各種設(shè)備、或者享受遠(yuǎn)程服務(wù)的優(yōu)越性，等等。它們還允許網(wǎng)管員管理整組的UPS(例如Management-Pac軟件)或者在電池電力終止之前自動(dòng)執(zhí)行電腦系統(tǒng)的關(guān)機(jī)操作(例如Solution-Pac軟件)。page361.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)UPS的基本組成－(15)輸入配電柜和保護(hù)(選件)、(16)輸出配電柜和保護(hù)(選件)以下設(shè)備可以隨UPS一起提供：通過(guò)在交流輸入回路使用斷路器提供上線低壓保護(hù)。對(duì)于某些系列的UPS來(lái)說(shuō)，這種保護(hù)措施可以作為選件集成在UPS中；在上線低壓配電柜中安裝斷路器以保護(hù)UPS的交流輸入(正常交流輸入及旁路交流輸入);在下線低壓配電柜中安裝斷路器以保護(hù)不同的輸出回路以避免故障的擴(kuò)散和傳播；page371.UPS的基礎(chǔ)知識(shí)正常運(yùn)行方式正常運(yùn)行方式：提供給負(fù)載的所有電力都經(jīng)過(guò)整流/充電器和逆變器的雙重轉(zhuǎn)換（AC-DC-AC），雙轉(zhuǎn)換模式因此而得名。整流器/充電器對(duì)電池進(jìn)行浮充電以保持電池處于滿充狀態(tài)。page382.UPS的基本運(yùn)行原理電池后備運(yùn)行方式市電停電或超限、電池放電工作方式：當(dāng)交流輸入電壓超出UPS允許的容限范圍或市電中斷時(shí)，逆變器和電池?zé)o間斷地投入，繼續(xù)為負(fù)載供電。UPS將持續(xù)運(yùn)行直到電池放電時(shí)間終止，或在市電恢復(fù)正常時(shí)回到正常運(yùn)行方式。page392.UPS的基本運(yùn)行原理恢復(fù)充電運(yùn)行方式市電恢復(fù)正常(充電)工作方式：提供給負(fù)載的電力都經(jīng)過(guò)整流/充電器和逆變器的雙重轉(zhuǎn)換，同時(shí)整流器/充電器開(kāi)始給電池進(jìn)行恢復(fù)性充電。page402.UPS的基本運(yùn)行原理旁路運(yùn)行方式當(dāng)停止逆變器時(shí)，負(fù)載可以無(wú)間斷地切換到旁路交流輸入(根據(jù)安裝方式的不同由市電或后備電源供電）,引起旁路運(yùn)行的原因可能是：UPS內(nèi)部故障；負(fù)載電流瞬變電流尖峰(沖擊電流或故障電流)；人為停止逆變器。2.UPS的基本運(yùn)行原理page41維修運(yùn)行方式UPS維修時(shí)，通過(guò)手動(dòng)的方式將負(fù)載無(wú)間斷地切換到維修旁路，這樣可以將UPS的內(nèi)部進(jìn)行隔離，在不中斷負(fù)載的運(yùn)行的情況下對(duì)UPS進(jìn)行維護(hù)和維修。整流器/充電器，逆變器和靜態(tài)開(kāi)關(guān)被關(guān)閉并從主電源隔離出來(lái)。電池被其保護(hù)性斷路器隔離。page422.UPS的基本運(yùn)行原理提高UPS可靠性的方法－熱備份式并聯(lián)：可由兩臺(tái)不同容量的UPS組成，主機(jī)帶重要負(fù)載，備機(jī)帶次要負(fù)載或不帶載；主機(jī)到備機(jī)的切換無(wú)間斷。優(yōu)點(diǎn)：可靠性最高；連接簡(jiǎn)單；后備時(shí)間延長(zhǎng)。缺點(diǎn)：不能增容；過(guò)載能力不能增大。page432.UPS