第4章不間斷電源

第四章不間斷電源UninterruptiblePowerSupply2023/2/3第4章不間斷電源(UPS)4.1UPS的功能及原理4.1.1概述電網(wǎng)的供電質(zhì)量問題UPS的定義和主要功能4.1.2UPS的類型及其工作原理UPS的分類四種典型UPS的工作原理典型UPS的性能UPS技術(shù)的發(fā)展及其方向2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)第4章不間斷電源(UPS)4.2UPS的組成和設(shè)計(jì)4.2.1蓄電池組蓄電池的種類、工作原理和性能指標(biāo)蓄電池的充電和維護(hù)UPS蓄電池容量的選擇4.2.2整流器和PFC電路整流器和充電器功率因數(shù)校正（PFC）4.2.3逆變器逆變器的作用和類型逆變器主電路結(jié)構(gòu)選擇和實(shí)例2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)第4章不間斷電源(UPS)4.2.4逆變、市電的切換4.2.5濾波電路4.2.6旁路控制電源和系統(tǒng)輔助電源4.2.7接地、保護(hù)、報(bào)警4.3UPS輸出電壓控制UPS輸出波形控制UPS同步鎖相技術(shù)UPS交流電壓幅值的快速檢測*4.4UPS的模塊化及串并聯(lián)冗余技術(shù)2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.1.1概述電網(wǎng)電壓常見干擾類型電網(wǎng)供電質(zhì)量2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.1.1概述UPS的定義(UninterruptiblePowerSupply)UPS(UninterruptiblePowerSupply)是一種含有儲(chǔ)能的裝置（通常蓄電池儲(chǔ)能），以逆變器為主要組成部分的恒壓、恒頻電源設(shè)備，主要用于給單臺(tái)計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其他電力電子設(shè)備提供不間斷、高質(zhì)量的電力供應(yīng)，以及作為機(jī)場、電站、醫(yī)院等重要部門的備用電源。

UPS的最基本要求：高質(zhì)量、高可靠性UPS的主要功能：1、后備功能2、隔離功能3、電壓變換功能4、頻率變換功能圖4.1典型UPS結(jié)構(gòu)圖2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.1.2UPS的類型及其工作原理UPS的分類：按有無機(jī)械運(yùn)動(dòng)分動(dòng)態(tài)型－－市電＋電動(dòng)機(jī)＋飛輪儲(chǔ)能＋交流發(fā)電機(jī)＋柴油發(fā)電機(jī)靜態(tài)型－－逆變器＋變壓器＋蓄電池靜態(tài)型UPS的分類按輸出功率分：小、中、大按輸出波形分：方波、梯形波、正弦波按輸出相數(shù)分：單相、三相按逆變頻率分：高頻機(jī)、工頻機(jī)

按電路結(jié)構(gòu)分：后備式(Off-Line)

在線式(On-Line)（雙變換式、互動(dòng)式、雙變換電壓補(bǔ)償式）2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.1.2UPS的類型及其工作原理1、后備式（Off-Line)UPS特點(diǎn)：市電正常由市電直接供電優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、效率高、輸出能力強(qiáng)、可靠性高、成本低缺點(diǎn)：波形質(zhì)量差、轉(zhuǎn)換時(shí)間長、輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波取決于負(fù)載性質(zhì)圖4.2后備式UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.1.2UPS的類型及其工作原理2、雙變換在線式UPS特點(diǎn)：AC/DC/AC兩次變換、逆變器供電為主優(yōu)點(diǎn)：供電質(zhì)量好、零轉(zhuǎn)換時(shí)間缺點(diǎn)：效率低、成本高、對(duì)負(fù)載有限制（如過載能力、功率因數(shù)）圖4.3雙變換在線式UPS系統(tǒng)框圖UPS高頻機(jī)2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)3、在線互動(dòng)式UPS特點(diǎn)：雙向變換器、熱備份、并聯(lián)功率調(diào)整優(yōu)點(diǎn)：市電利用率高、輸出能力強(qiáng)、比后備式UPS切換時(shí)間短、增加了抗干擾能力、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高缺點(diǎn)：電壓穩(wěn)定度差、電能質(zhì)量較差、輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波取決于負(fù)載性質(zhì)4.1.2UPS的類型及其工作原理2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.1.2UPS的類型及其工作原理4、雙變換電壓補(bǔ)償在線式UPS（Delta變換式UPS）(a)主電路圖(b)系統(tǒng)框圖特點(diǎn)：

串并聯(lián)功率傳輸、雙向變換優(yōu)點(diǎn)：

市電利用率高、功率因數(shù)校正、諧波電流抑制、零轉(zhuǎn)換時(shí)間、效率高、輸出能力強(qiáng)缺點(diǎn)：

主電路和控制電路復(fù)雜2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.1.3典型UPS的比較典型UPS對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)能力2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.1.3典型UPS的比較典型UPS的性能UPS類型容量范圍（kVA）輸出電壓質(zhì)量輸入功率因數(shù)切換時(shí)間效率和過載能力后備式＜2穩(wěn)壓精度：±4％～7％有波形畸變和干擾低長高雙變換在線式0.7～1500穩(wěn)壓精度：±1％波形畸變率小完全不受電網(wǎng)干擾根據(jù)有無功率因數(shù)校正措施而定無低在線互動(dòng)式0.7～20穩(wěn)壓精度：±20％有波形畸變和干擾由負(fù)載決定短高Delta變換式10～480穩(wěn)壓精度：±1％波形畸變率小受電網(wǎng)干擾小高無較高2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.1.4UPS的發(fā)展方向UPS的技術(shù)發(fā)展靜態(tài)－－－動(dòng)態(tài)晶閘管－－－IGBT模擬－－－數(shù)字計(jì)算機(jī)－－－多領(lǐng)域UPS的發(fā)展方向1、控制系統(tǒng)的全數(shù)字化2、主電路拓?fù)涓哳l化和軟開關(guān)技術(shù)3、智能化、網(wǎng)絡(luò)化4、綠色化5、模塊化和冗余化6、功能、結(jié)構(gòu)、品種多樣化UPS的技術(shù)發(fā)展靜態(tài)－－－動(dòng)態(tài)晶閘管－－－IGBT模擬－－－數(shù)字計(jì)算機(jī)－－－多領(lǐng)域UPS的發(fā)展方向1、控制系統(tǒng)的全數(shù)字化2、主電路拓?fù)涓哳l化和軟開關(guān)技術(shù)3、智能化、網(wǎng)絡(luò)化4、綠色化5、模塊化和冗余化6、功能、結(jié)構(gòu)、品種多樣化2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)返回圖4.4UPS高頻機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)圖4.7高頻隔離UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(b)高頻鏈逆變形式UPS(a)DC/DC高頻隔離形式UPS返回2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2UPS的組成和設(shè)計(jì)圖4.8不間斷電源裝置組成框圖2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.1蓄電池組1、蓄電池的種類及其要求UPS對(duì)蓄電池的要求：在短時(shí)間內(nèi)滿足輸出電流的要求保證供電維持時(shí)間鉛酸蓄電池的種類：

涂漿式高效鉛電池：HS型－經(jīng)濟(jì)（廣泛使用）AHH型－低溫

覆蓋式鉛電池：CS型－長放電時(shí)間

小型密封鉛電池：M型－密封式免維護(hù)，廣泛使用鉛酸蓄電池的工作原理：充電時(shí)將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，放電時(shí)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。

2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.1蓄電池組2、蓄電池的基本性能指標(biāo)蓄電池是用多個(gè)單體串聯(lián)而成。每個(gè)單體的標(biāo)稱電壓為2.0V：1）放電中止電壓蓄電池不允許再放電時(shí)的電壓。通常1.75V/單體。2）容量

在充滿電的情況下，采用一定的電流A（0.05C）進(jìn)行恒流放電，放電至中止電壓的時(shí)間H，所能釋放的能量AH即蓄電池的容量。12V/6AH/20HR－－－－0.3A*20h/10.5V2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.1蓄電池組3）放電率：放電至中止電壓的電流大小或時(shí)間快慢。表示：用電流來表示，用時(shí)間來表示6AH－－－0.3A－－－20h4）放電電流：通常用蓄電池的容量（C）乘以某個(gè)系數(shù)來表示。

C=6AH－－－－0.1C＝0.6A0.25C=1.5A5）自放電率：蓄電池不用時(shí)的自放電。C/天蓄電池長期不用時(shí)應(yīng)定期給蓄電池充電。2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.1蓄電池組3、蓄電池的充電和維護(hù)：初始充電：時(shí)間長，充電電流要小正常充電：分階段不同電流充電方式，各個(gè)階段充電電流逐漸減小，后期采用涓流充電。浮充：恒壓充電（浮充電壓與環(huán)境溫度有關(guān)）均充：對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行均衡充電，消除各單元的不均衡狀態(tài)。

2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.1蓄電池組4、蓄電池的容量的選擇：蓄電池容量－－－－－可供使用的容量影響可供使用的容量的因素：放電電流的大小蓄電池溫度（環(huán)境、放電電流大小、波形）蓄電池的實(shí)際儲(chǔ)能負(fù)載的類型和特性1）最大放電電流

2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.1蓄電池組2）蓄電池的放電特性：

2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.1蓄電池組例1：一臺(tái)300KVA的UPS，功率因數(shù)0.8，效率0.9，要求蓄電池的后備工作時(shí)間24分鐘，該電池組的臨界放電電壓為320V，求所需蓄電池組的標(biāo)稱容量。查蓄電池的放電曲線，得24分鐘的放電速率為0.9C

實(shí)際放出的能量：333.3AH2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.1蓄電池組例2：一臺(tái)120KVA的UPS，功率因數(shù)0.8，效率0.9，要求蓄電池的后備工作時(shí)間60分鐘，該電池組的臨界放電電壓為320V，求所需蓄電池組的標(biāo)稱容量。查蓄電池的放電曲線，得60分鐘的放電速率為0.5C

實(shí)際放出的能量：333.3AH2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.2整流器和PFC電路1、整流器的作用功能：為逆變器供電；為蓄電池供電通常要求：電壓要求：輸出電壓大小能調(diào)節(jié)輸出電壓穩(wěn)定，<1%紋波要小，<1%有一定的過載能力保護(hù)和報(bào)警：過壓、欠壓、過載、短路、過熱等起動(dòng)平穩(wěn)，運(yùn)行可靠2、整流器和充電器整流器和充電器的關(guān)系：密切聯(lián)系又不同整流器帶充電功能：穩(wěn)壓精度和穩(wěn)流精度不高充電器：穩(wěn)壓和穩(wěn)流精度都很高

2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.2整流器和PFC電路大容量UPS：充電特點(diǎn)：充電電壓高，充電電流大－－－絕對(duì)誤差可大成本比例：控制電路成本比例很?。刂瓶梢詮?fù)雜主電路成本所占比例大－－－主電路應(yīng)簡單－－－－－－－整流和充電可以統(tǒng)一方式：整流器（整流和充電（恒流充電和浮充充電））小容量UPS：充電特點(diǎn)：充電電壓低，充電電流?。^對(duì)誤差小成本比例：控制電路成本比例很大－－－控制應(yīng)簡化主電路成本所占比例?。麟娐房蓮?fù)雜－－－－－－－整流和充電需分離方式：整流器＋充電器（恒壓限流充電）2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.2整流器和PFC電路3、功率因數(shù)校正電路功率因數(shù)要高：諧波電流要小無功能量要小無功功率：基本無功＋諧波無功功率因數(shù)：

三相不控整流輸出不加平波電感時(shí)功率因數(shù)不足0.8三相不控整流輸出加大的平波電感時(shí)功率因數(shù)可達(dá)到0.95

2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.3逆變器1、逆變器的作用要求：輸出電壓波形：穩(wěn)壓：靜態(tài)、動(dòng)態(tài)波形畸變率THD要小，單次諧波要小恒頻：靜態(tài)、動(dòng)態(tài)電壓頻率可調(diào)動(dòng)態(tài)相應(yīng)快（電壓、頻率）有一定的過載能力保護(hù)報(bào)警功能：過壓、欠壓、過載、短路、過熱等啟動(dòng)平穩(wěn)、運(yùn)行可靠2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.3逆變器2、逆變器的類型方波、階梯波、正弦波、PWM等3、逆變器主電路結(jié)構(gòu)選擇主電路結(jié)構(gòu)：全橋：中大容量半橋和推挽：小功率電氣隔離功能：小容量UPS：不用或前級(jí)DC/DC隔離或高頻鏈隔離大容量UPS：輸出接工頻變壓器隔離

2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.3逆變器4、UPS實(shí)例

圖4.10有源功率因數(shù)校正及半橋逆變結(jié)構(gòu)2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.4逆變、市電的切換電路4.2.4、逆變、市電的切換電路作用：保證負(fù)載供電的連續(xù)性保護(hù)UPS和負(fù)載切換開關(guān)：機(jī)械電磁開關(guān)、靜電開關(guān)、混合式開關(guān)

圖4.11UPS中常用的轉(zhuǎn)換開關(guān)(c)混合式開關(guān)(b)靜態(tài)開關(guān)(a)機(jī)械接觸器2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.4逆變、市電的切換電路1、機(jī)械電磁開關(guān)主要有：繼電器、接觸器（吸合時(shí)間比釋放時(shí)間長）小容量UPS中應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、自動(dòng)互鎖、損耗小缺點(diǎn)：切換時(shí)間長，會(huì)產(chǎn)生供電中斷，易產(chǎn)生電弧，存在擾動(dòng)改進(jìn)措施：采用雙繼電器實(shí)現(xiàn)互鎖

2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.4逆變、市電的切換電路2、靜態(tài)開關(guān)半導(dǎo)體開關(guān)

切換過程：關(guān)斷已處于導(dǎo)通的晶閘管檢測負(fù)載電流電流過零時(shí)開通原處于關(guān)斷的晶閘管

優(yōu)點(diǎn)：供電不中斷、不存在環(huán)流、缺點(diǎn)：存在導(dǎo)通損耗2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.4逆變、市電的切換電路2、混合式開關(guān)機(jī)械開關(guān)＋靜態(tài)開關(guān)

要求：逆變器波形與市電波形同頻、同相、同幅優(yōu)點(diǎn)：供電不中斷、損耗小缺點(diǎn)：對(duì)逆變器要求高、不能實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷、有環(huán)流2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.5濾波電路4.2.5濾波電路差模信號(hào)和共模信號(hào)

差模濾波和共模濾波濾波器的設(shè)置：交流輸入濾波整流直流電壓濾波交流輸出濾波器LC交流輸出濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)：LC大：優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)輸出波形越好缺點(diǎn)：體積大、重量大、成本高、相位滯后嚴(yán)重、穩(wěn)定性差LC?。簝?yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、成本低缺點(diǎn)：諧波含量高2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.5濾波電路LC的要求：能有效濾掉高次諧波，對(duì)基波沒有影響

L過大：優(yōu)點(diǎn)：電流紋波小、穩(wěn)定性提高、動(dòng)態(tài)相應(yīng)慢缺點(diǎn)：體積大、重量重、電壓損失大2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.6旁路控制電源和系統(tǒng)輔助電源

4.2.7接地裝置、保護(hù)和報(bào)警系統(tǒng)

4.2.6旁路控制電源和系統(tǒng)輔助電源4.2.7接地裝置、保護(hù)和報(bào)警系統(tǒng)1、接地裝置接地的目的：固定設(shè)備的電位，保障設(shè)備和人身安全1）機(jī)殼接地目的：保護(hù)設(shè)備和人身安全2）邏輯接地目的：減輕或消除電源本身或外部電磁干擾對(duì)控制電路的影響，避免因邏輯地和機(jī)殼以及其他元器件因電位差及其變化而導(dǎo)致設(shè)備故障。3）防雷接地目的：避免雷擊而損壞設(shè)備2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.7接地裝置、保護(hù)和報(bào)警系統(tǒng)2、保護(hù)和報(bào)警系統(tǒng)1）過載保護(hù)

過載不能太大、過載時(shí)間不能太長2）過壓保護(hù)

輸入輸出交流過電壓、整流直流過電壓、器件的過電壓3）欠壓保護(hù)電壓過低輸出電壓過低、電流過大、各輔助電源不正常4）短路保護(hù)短路電流大器件和電纜發(fā)熱嚴(yán)重器件損壞、絕緣破壞5）過熱保護(hù)風(fēng)道不通、風(fēng)機(jī)故障、環(huán)境溫度過高元器件損壞、絕緣破壞2023/2/3電力電子裝置及系統(tǒng)4.2.7接地裝置、保護(hù)和報(bào)警系統(tǒng)6）蓄電池保護(hù)