《現(xiàn)代電源技術(shù)》課件第3章

第三章UPS電源及逆變器第三章UPS電源及逆變器3.1概述3.2UPS基礎(chǔ)知識(shí)3.3逆變器基礎(chǔ)知識(shí)3.4UPS/逆變器選型指導(dǎo)3.5UPS/逆變器常見(jiàn)問(wèn)題解答3.1概述

UPS是UninterruptiblePowerSystem的縮寫(xiě)，即不間斷電源。UPS是一種能為負(fù)載提供連續(xù)電能的電源系統(tǒng)，UPS也可理解為不間斷電源設(shè)備，它是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的結(jié)果?，F(xiàn)代社會(huì)中大量的數(shù)據(jù)、圖像、文字和語(yǔ)音信息的處理、傳輸和儲(chǔ)存都依靠著計(jì)算機(jī)技術(shù)，然而若正在工作的計(jì)算機(jī)設(shè)備突然遭遇停電，則將會(huì)導(dǎo)致信息丟失或發(fā)生畸變，造成極大的損失。同時(shí)由于電網(wǎng)本身的質(zhì)量與各種偶然因素的作用，電壓浪涌、電磁噪聲、持續(xù)電壓偏高、持續(xù)低壓等現(xiàn)象的出現(xiàn)也是常事。

來(lái)自電網(wǎng)的不良因素還有：電源電壓瞬時(shí)或長(zhǎng)時(shí)間下陷、浪涌和中斷，電源頻率漂移和不穩(wěn)，電源輸入波形畸變，各種尖峰干擾和噪音等。這一切對(duì)于高精度的敏感儀器和不能中斷的設(shè)備來(lái)說(shuō)是非常嚴(yán)重的。在造成數(shù)據(jù)丟失的各種因素中，電源故障以45.3％的概率居于首位。因此，為了避免高精度敏感機(jī)器設(shè)備由于停電或供電質(zhì)量差所造成的故障，必須設(shè)計(jì)一種電源系統(tǒng)，以其優(yōu)良的供電質(zhì)量向負(fù)載連續(xù)不斷地供電——UPS電源就應(yīng)運(yùn)而生了。目前UPS正在以優(yōu)良的供電質(zhì)量走向各行各業(yè)。在通信中，UPS的具體使用對(duì)象是衛(wèi)星通信、數(shù)據(jù)傳輸、傳真技術(shù)以及無(wú)線收發(fā)信息、長(zhǎng)途臺(tái)自動(dòng)計(jì)費(fèi)和移動(dòng)通信基站等。此外，UPS還應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、港口、醫(yī)院、鐵路、銀行金融系統(tǒng)、工業(yè)控制中心和計(jì)算機(jī)中心等。圖3－1

UPS基本組成方框圖

UPS各部分的主要功能如下所述。整流器：將市電或油機(jī)輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?，給逆變器提供能量，同時(shí)給蓄電池充電或浮充電。其性能的優(yōu)劣直接影響UPS的輸入指標(biāo)。逆變器：將整流器或蓄電池送出的直流電能逆變?yōu)榉€(wěn)定、可靠且高質(zhì)量的交流電能，供給重要負(fù)載。其性能優(yōu)劣直接影響UPS的輸出性能指標(biāo)。IGBT逆變器的工作頻率高，濾波器體積小，噪聲低，可靠性高。蓄電池組：為UPS提供一定后備時(shí)間的電能輸出。在市電正常時(shí)，由整流器為其提供電能并轉(zhuǎn)換為化學(xué)能進(jìn)行儲(chǔ)存；在市電中斷時(shí)，將化學(xué)能再轉(zhuǎn)化為電能提供給逆變器；市電恢復(fù)正常后整流器對(duì)其進(jìn)行恒壓限流充電，然后自動(dòng)轉(zhuǎn)為正常的浮充狀態(tài)?，F(xiàn)在UPS中的蓄電池一般采用閥控式密封鉛酸蓄電池。輸出轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)：進(jìn)行逆變器向負(fù)載供電或由市電向負(fù)載供電的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。其結(jié)構(gòu)有帶觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)（如繼電器或接觸器）和無(wú)觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)（一般采用晶閘管）兩類(lèi)。后者沒(méi)有機(jī)械動(dòng)作，因此稱為靜態(tài)開(kāi)關(guān)。

UPS具有以下顯著特點(diǎn)：（1）供電可靠性高。由于UPS為負(fù)載提供了主、備兩套供電系統(tǒng)，而且備用電源和主電源是通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)切換的，切換時(shí)間短且主、備電源始終保持鎖相同步，因此停電從負(fù)載側(cè)來(lái)看沒(méi)有絲毫中斷。這就為負(fù)載連續(xù)、可靠運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障。（2）供電質(zhì)量高。由于采用了微機(jī)控制的電子負(fù)反饋電路，因此UPS的輸出電壓穩(wěn)定度較高，可達(dá)到±0.5%～±2%。同時(shí)，又由于UPS利用石英晶體振蕩來(lái)控制逆變器的頻率，因此輸出頻率穩(wěn)定，穩(wěn)定度可達(dá)±0.01%～±0.5%，電壓失真度也較?。妷夯冃∮?%時(shí)不存在潛波失真的問(wèn)題）。（3）效率高，損耗低。由于UPS中的逆變器采用了PWM調(diào)制技術(shù)，因此它具有開(kāi)關(guān)電源的一系列優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)精確調(diào)整脈沖寬度，可保證功率穩(wěn)定輸出。同時(shí)開(kāi)關(guān)管在截止期間沒(méi)有電流流過(guò)，故自身?yè)p耗小，其供電效率可達(dá)90%以上。（4）故障率低，易于維護(hù)。由于采用了處理器監(jiān)控技術(shù)和IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor絕緣柵雙極晶體管）、驅(qū)動(dòng)型SPWM(SinusoidalPulseWidthModulation，正弦波脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)等，因此目前UPS的可靠性已經(jīng)達(dá)到了極高的水平。對(duì)于大型UPS，其單機(jī)平均故障時(shí)間（MTBF）超過(guò)20萬(wàn)小時(shí)已不成問(wèn)題。如果采用雙總線輸入加雙總線輸出的多機(jī)冗余型UPS供電系統(tǒng)，其MTBF甚至可達(dá)到100萬(wàn)小時(shí)數(shù)量級(jí)。

UPS技術(shù)的發(fā)展將繼續(xù)保持與電子技術(shù)同步。功率器件是功率技術(shù)發(fā)展的前提，但功率器件不是由UPS廠家生產(chǎn)的，而是由功率器件廠商提供的。所以在今后將最新推出的功率器件最好最快地應(yīng)用于UPS技術(shù)是最重要的。在UPS的控制方面，純數(shù)字控制將是主導(dǎo)方向，在主導(dǎo)方向的引領(lǐng)下將會(huì)與通信技術(shù)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制等。

UPS軟件系統(tǒng)可分為控制軟件、通信軟件和管理軟件。其中，控制軟件由UPS廠商自己研制開(kāi)發(fā)，具有特定性、專(zhuān)一性。有些控制軟件已經(jīng)取代了硬件控制。通信軟件大多是由專(zhuān)門(mén)從事此類(lèi)軟件生產(chǎn)的公司開(kāi)發(fā)并提供的?，F(xiàn)在的UPS都將通信端口作為標(biāo)準(zhǔn)配置，提供UPS運(yùn)行狀態(tài)的信號(hào)以便現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。管理軟件往往是由UPS廠家根據(jù)自身產(chǎn)品設(shè)計(jì)的，通常涉及的內(nèi)容較多，包括控制和監(jiān)測(cè)，反映的狀態(tài)大多可以根據(jù)量化的信息構(gòu)成豐富的顯示界面并實(shí)施有效控制。

UPS技術(shù)指標(biāo)將會(huì)更多地滿足現(xiàn)代電源的實(shí)際要求，并且隨著信息技術(shù)和能源技術(shù)的發(fā)展將會(huì)融入于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和新能源供電系統(tǒng)中。3.2

UPS基礎(chǔ)知識(shí)3.2.1

UPS分類(lèi)目前市場(chǎng)上UPS種類(lèi)繁多，通常可按電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、功率容量大小、輸入輸出方式、輸出波形、后備供電時(shí)間等來(lái)分類(lèi)。這些分類(lèi)方法體現(xiàn)了UPS技術(shù)的發(fā)展階段、技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段、不同性能特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合。UPS的分類(lèi)見(jiàn)表3－1。表3－1

UPS的分類(lèi)動(dòng)態(tài)式UPS是早期的不間斷電源系統(tǒng)，出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，由帶飛輪的交流電動(dòng)機(jī)、交流發(fā)電機(jī)和柴油機(jī)同軸組成機(jī)組。平時(shí)由交流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪和發(fā)電機(jī)，并由交流發(fā)電機(jī)向負(fù)載供電。在市電中斷的瞬間，依靠飛輪的旋轉(zhuǎn)慣性帶動(dòng)交流發(fā)電機(jī)繼續(xù)發(fā)電，同時(shí)立即啟動(dòng)柴油機(jī)帶動(dòng)交流發(fā)電機(jī)工作，向負(fù)載供電，保證了不間斷供電。由于動(dòng)態(tài)式UPS轉(zhuǎn)化效率低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難，供電時(shí)間需幾秒，因此被蓄電池儲(chǔ)能裝置的UPS所取代，稱之為靜態(tài)式UPS。由于蓄電池提供的是直流電，所以必須由逆變器將直流電變換為交流電以供負(fù)載使用。目前，動(dòng)態(tài)式UPS也得到了改進(jìn)，新一代的飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品采用磁懸浮技術(shù)，與老一代的飛輪技術(shù)相比具有效率高、速度快、體積小、功率密度大的特點(diǎn)。隨著節(jié)能減排呼聲的提高，動(dòng)態(tài)式UPS將會(huì)重新受到重視。靜態(tài)式UPS功率器件由晶閘管制成。功率晶體管在大、中容量的UPS中得到了廣泛應(yīng)用，MOS管難以達(dá)到高電壓、大電流，其飽和壓降大于晶體管，而兼有兩者優(yōu)點(diǎn)的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的出現(xiàn)，促進(jìn)了UPS逆變技術(shù)更趨于成熟。但I(xiàn)GBT有寄生電流擎住效應(yīng)，這在一定程度上限制了它的應(yīng)用。由于靜態(tài)式UPS具有一系列優(yōu)點(diǎn)，因此它已成為現(xiàn)在UPS的主流。下面主要介紹靜態(tài)式UPS的分類(lèi)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ICE64020－3：1999和其對(duì)應(yīng)的我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T7260.3—2003明確了應(yīng)根據(jù)UPS結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理來(lái)定義其分類(lèi)。標(biāo)準(zhǔn)將UPS分為三類(lèi)：后備式（PassiveStandby）、線路互助式（Line-interactive）、雙交換式（DoubleConversion）。標(biāo)準(zhǔn)建議不再使用離線（Off-line）和在線（On-line）來(lái)描述后備式和雙變換式UPS。

1.后備式UPS

1）電路結(jié)構(gòu)后備式UPS的電路結(jié)構(gòu)如圖3－2所示。這種電路也稱為被動(dòng)后備式UPS、冷備份式UPS或無(wú)源后備式UPS。后備式UPS的工作原理為：當(dāng)電網(wǎng)供電正常時(shí)，一路市電通過(guò)整流器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，而另一路市電通過(guò)自動(dòng)穩(wěn)壓器初步穩(wěn)壓，吸收部分電網(wǎng)干擾后，再由旁路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)直接提供給用戶，此時(shí)蓄電池處于充電狀態(tài)，直到蓄電池充滿而轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)。后備式正弦波輸出UPS的電路采用了抗干擾式分級(jí)調(diào)壓穩(wěn)壓技術(shù)，當(dāng)市電電壓在180～250V之間變化時(shí)，其電壓穩(wěn)定度達(dá)±5%，UPS相當(dāng)于一臺(tái)穩(wěn)壓性能較差的穩(wěn)壓器，僅對(duì)市電電壓幅度波動(dòng)有所改善，對(duì)電網(wǎng)上出現(xiàn)的頻率不穩(wěn)、波形畸變等“電污染”不作任何調(diào)整。當(dāng)電網(wǎng)電壓或電網(wǎng)頻率超出UPS的輸入范圍時(shí)，即在非正常的情況下，交流電的輸入被切斷，充電器停止工作，蓄電池進(jìn)行放電，在控制電路的控制下逆變器開(kāi)始工作，產(chǎn)生220V、50Hz的交流電，此時(shí)UPS供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為由蓄電池－逆變器繼續(xù)向負(fù)載供電。后備式UPS的優(yōu)點(diǎn)是：產(chǎn)品價(jià)格低廉，運(yùn)行費(fèi)用低。由于在正常情況下逆變器處于非工作狀態(tài)，電網(wǎng)電能直接供給負(fù)載，因此后備式UPS的電能轉(zhuǎn)換效率很高。蓄電池的使用壽命一般為3～5年。后備式UPS的缺點(diǎn)是：當(dāng)電網(wǎng)供電出現(xiàn)故障時(shí)，由電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換到蓄電池經(jīng)逆變器供電瞬間存在一個(gè)較長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間。對(duì)于那些對(duì)電能質(zhì)量要求較高的設(shè)備來(lái)說(shuō)，這一轉(zhuǎn)換時(shí)間的長(zhǎng)短是至關(guān)重要的。另外，由于后備式UPS的逆變器不是經(jīng)常工作的，因此不易掌握逆變器的動(dòng)態(tài)狀況，容易形成隱性故障。后備式UPS一般應(yīng)用在一些非關(guān)鍵性的小功率設(shè)備上。從后備式UPS的工作原理可以看出，在大部分供電時(shí)間內(nèi)，負(fù)載所使用的電源就是市電(或經(jīng)過(guò)調(diào)壓器簡(jiǎn)單調(diào)壓的市電)，負(fù)載還會(huì)承受從市電網(wǎng)路進(jìn)來(lái)的浪涌、尖脈沖、干擾、頻率漂移等不良影響。顯然，這時(shí)的UPS實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)性能較差的穩(wěn)壓器，只能對(duì)市電的電壓高低問(wèn)題有所改善，而不能解決大部分市電供電中的問(wèn)題，因此它是一種價(jià)格便宜、技術(shù)含量較低的UPS，適合不太重要的單臺(tái)PC使用。圖3－2后備式UPS的電路結(jié)構(gòu)

2）后備式UPS的特點(diǎn)（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。（2）正常情況下，負(fù)載由電網(wǎng)供電，逆變器處于非工作狀態(tài)，電能轉(zhuǎn)換效率高。市電正常時(shí)效率可達(dá)98%以上。（3）當(dāng)市電中斷時(shí)，繼電器把逆變器切換至負(fù)載，繼電器的切換有4～10ms的中斷時(shí)間。因此，重要的計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備不應(yīng)選用后備式UPS，它只能滿足某些非重要負(fù)載的使用。（4）一般后備式UPS的輸出功率多在2kV·A以下。（5）考慮到價(jià)格因素，后備式UPS常采用方波或準(zhǔn)正弦波電壓輸出。

2.雙變換式UPS

1）電路結(jié)構(gòu)雙變換式UPS的基本結(jié)構(gòu)如圖3－3所示，其基本工作原理是：無(wú)論市電是否正常，均由逆變器經(jīng)相應(yīng)的靜態(tài)開(kāi)關(guān)向負(fù)載供電。當(dāng)市電正常時(shí)，將市電交流電通過(guò)整流器變換為直流電，然后直流電通過(guò)逆變器變換為純凈、穩(wěn)定的正弦波電壓向負(fù)載供電，同時(shí)由整流器或另設(shè)的充電器對(duì)蓄電池組補(bǔ)充充電；當(dāng)市電異常時(shí)，由蓄電池組放電供給逆變器直流電。無(wú)論市電正常與否，只要負(fù)載始終100%由逆變器供電就是雙變換式UPS。所謂雙變換，就是指UPS正常工作時(shí)，電能經(jīng)過(guò)了AC/DC、DC/AC兩次變換供給負(fù)載。圖3－3雙變換式UPS的基本結(jié)構(gòu)由整流器/逆變器組合向負(fù)載供電，稱為正常運(yùn)行方式；由蓄電池/逆變器組合向負(fù)載供電，稱為儲(chǔ)能供電方式。這兩種運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，逆變器的輸入直流電壓不間斷，因此UPS的輸出電壓保持連續(xù)不會(huì)中斷。目前，雙變換式UPS使用得較為普遍。無(wú)論市電正常與否，雙變換式UPS的逆變器始終處于工作狀態(tài)。雙變換式UPS從根本上完全消除了來(lái)自市電的任何電壓波動(dòng)和干擾對(duì)負(fù)載工作的影響，對(duì)電網(wǎng)供電起到了“凈化”作用，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載的無(wú)干擾、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻供電。雙變換式UPS輸出的正弦波的波形失真系數(shù)小，目前一般市售產(chǎn)品的波形失真系數(shù)均在3%以內(nèi)。當(dāng)市電供電中斷時(shí)，UPS的輸出不需要一個(gè)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間，因此其負(fù)載電能的供應(yīng)是平滑穩(wěn)定的。雙變換式UPS能實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的真正的不間斷供電，因此從市電供電到市電中斷的過(guò)程中，UPS對(duì)負(fù)載供電的轉(zhuǎn)換時(shí)間為零。由于雙變換式UPS的工作過(guò)程是平時(shí)對(duì)蓄電池充電，當(dāng)市電供電中斷或超出UPS允許輸入范圍時(shí)，再由逆變器將蓄電池的電能逆變成交流電能，因此其電能的轉(zhuǎn)化過(guò)程中有大約20%的電能損失，而且該過(guò)程所產(chǎn)生的熱能又影響周?chē)铍姵氐膲勖碗娐返目煽啃浴?/p>

2）雙變換式UPS的性能特點(diǎn)（1）不管有無(wú)市電，負(fù)載的全部功率由逆變器提供，可保證高質(zhì)量的電源輸出。市電掉電時(shí)，輸出電壓不受任何影響，沒(méi)有轉(zhuǎn)換時(shí)間，具備典型的在線式UPS的功能。（2）由于負(fù)載功率100%由逆變器負(fù)擔(dān)，因而UPS的輸出能力不理想，對(duì)負(fù)載提出了限制條件，如負(fù)載電流峰值因數(shù)、過(guò)載能力和輸出功率因數(shù)等。（3）輸出可控的整流器使UPS輸入功率因數(shù)低，一般為0.7～0.8，無(wú)損功耗大，輸入電流諧波成分大于等于30%，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生極大的污染。若使用高頻整流技術(shù)（功率因數(shù)校正技術(shù)），則可把輸入功率因數(shù)提高到接近于1，輸入諧波也將降到5%以下；若在三相UPS中用12脈沖整流，則只能將輸入功率因數(shù)做到0.95，電流諧波成分降至10%，但成本高，所以一般只作為選項(xiàng)。（4）市電存在時(shí)，串聯(lián)的兩個(gè)變換器都承擔(dān)100%的負(fù)載功率，所以UPS整機(jī)效率低。按功率等級(jí)來(lái)劃分，傳統(tǒng)雙變換式UPS的工作效率范圍見(jiàn)表3－2。表3－2傳統(tǒng)雙變換式UPS的工作效率為了提高傳統(tǒng)的雙變換在線式UPS在市電存在時(shí)的節(jié)能效率及運(yùn)行可靠性，近年來(lái)生產(chǎn)廠商提出在線式UPS的后備運(yùn)行設(shè)想和技術(shù)。其做法是在電網(wǎng)電壓條件較好的地方，通過(guò)智能管理自動(dòng)把UPS設(shè)置為后備式運(yùn)行狀態(tài)，由靜態(tài)旁路直接向負(fù)載供電，逆變器空載，處于熱備份狀態(tài)。這種做法只適用于要求供電質(zhì)量并不十分苛刻的用戶。

3.互動(dòng)式UPS

1）電路結(jié)構(gòu)互動(dòng)式UPS的電路結(jié)構(gòu)如圖3－4所示。這種電路也稱為在線互動(dòng)式UPS、線路互動(dòng)式UPS或市電互動(dòng)式UPS。互動(dòng)式UPS的逆變器一直在工作，但逆變器不輸出功率，處于熱備份狀態(tài)，這是它與后備式UPS的根本區(qū)別。逆變器并聯(lián)連接在市電和負(fù)載之間，僅起后備電源的作用，同時(shí)作為充電器給蓄電池充電，因此，此處的逆變器應(yīng)視為雙向變換器。由于逆變器的可逆運(yùn)行方式與市電相互作用，因此被稱為“互動(dòng)式”?；?dòng)式UPS大多采用正弦波輸出。判定UPS是否為互動(dòng)式UPS可依據(jù)以下兩點(diǎn)：其一，市電正常時(shí)，負(fù)載經(jīng)由改良后的市電供電，同時(shí)雙向逆變器作為充電器給蓄電池充電。此時(shí)雙向逆變器起AC/DC整流器的作用。其二，市電故障時(shí)，負(fù)載全由雙向逆變器供電，此時(shí)雙向逆變器起DC/AC逆變器的作用。圖3－4互動(dòng)式UPS的電路結(jié)構(gòu)

2）互動(dòng)式UPS的性能特點(diǎn)（1）市電正常時(shí)，工作效率極高，可達(dá)98%以上。（2）輸入功率因數(shù)和輸出電流諧波成分取決于負(fù)載性質(zhì)，互動(dòng)式UPS本身不對(duì)電網(wǎng)附加諧波干擾。（3）輸出能力強(qiáng)，適用各種阻抗性質(zhì)的負(fù)載，對(duì)負(fù)載電流波峰系數(shù)、浪涌系數(shù)、輸出功率因數(shù)和過(guò)載能力沒(méi)有嚴(yán)格限制。（4）輸出電壓精度和穩(wěn)定度均差，但能滿足一般負(fù)載的供電要求。（5）逆變器直接在UPS輸出端，并處于熱備份狀態(tài)，對(duì)于輸出電壓波峰干擾有一定的抑制作用。（6）電路簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高。（7）變換器同時(shí)具有充電功能，且其充電能力強(qiáng)。（8）因?yàn)檩斎腴_(kāi)關(guān)存在關(guān)斷時(shí)間，所以UPS輸出仍有轉(zhuǎn)換時(shí)間，但比后備式UPS的要短，一般為4～6ms。如果在輸入開(kāi)關(guān)和自動(dòng)穩(wěn)壓器間串接一個(gè)電感，則當(dāng)市電掉電時(shí)，逆變器可立即向負(fù)載供電，避免輸入開(kāi)關(guān)沒(méi)斷開(kāi)時(shí)逆變器反饋到電網(wǎng)而出現(xiàn)短路的危險(xiǎn)，同時(shí)可使互動(dòng)式UPS的轉(zhuǎn)換時(shí)間縮短到零，并增加了抗干擾能力，但因此降低了輸入功率因數(shù)。后備式UPS和互動(dòng)式UPS都不存在單獨(dú)設(shè)置靜態(tài)旁路開(kāi)關(guān)的問(wèn)題。

4.Delta變換式UPS

Delta變換式UPS是于1999年問(wèn)世的全新UPS系統(tǒng)，它把電網(wǎng)調(diào)節(jié)技術(shù)中的串并聯(lián)有源濾波技術(shù)應(yīng)用到了UPS電路結(jié)構(gòu)中。Delta變換式UPS具有傳統(tǒng)雙變換式UPS的高性能輸出的特點(diǎn)，又克服了傳統(tǒng)雙變換式UPS對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染和輸出能力差的固有缺點(diǎn)。

Delta變換式UPS的結(jié)構(gòu)如圖3－5所示。這里為了方便僅畫(huà)出一相電路結(jié)構(gòu)。

Delta變換器是一個(gè)正弦波電流源，串接在主電路中，它的功能是提供正弦波電流，監(jiān)控蓄電池組的充電電平，調(diào)整輸入功率因數(shù)，以及補(bǔ)償市電電壓與輸出電壓之間的差值ΔU。從電路結(jié)構(gòu)上講，它是一個(gè)雙向變換器，逆變時(shí)輸出功率，在主電路中對(duì)輸入電壓進(jìn)行補(bǔ)償，整流時(shí)吸收功率，對(duì)輸入電壓進(jìn)行補(bǔ)償。該拓?fù)湟话銘?yīng)用在三相大功率UPS中。這種雙變換電路拓?fù)浒呀涣鞣€(wěn)壓技術(shù)中的電壓補(bǔ)償原理應(yīng)用到了UPS的主電路拓?fù)渲?，在主調(diào)壓的基礎(chǔ)上再疊加一個(gè)可大可小、可正可負(fù)的電壓來(lái)彌補(bǔ)UPS輸出電壓與輸入市電的差異，使UPS拓寬了市電輸入范圍，提高了輸出穩(wěn)壓精度。圖3－5

Delta變換式的UPS電路結(jié)構(gòu)

1）Delta變換器

Delta變換器是一組DC/AC和AC/DC雙向變換器，它的輸出變壓器的副邊串聯(lián)在UPS主電路中，其作用有三個(gè)：（1）對(duì)UPS輸入端進(jìn)行輸入功率因數(shù)補(bǔ)償，使輸入功率因數(shù)等于1，輸入諧波電流降到3%以下。（2）當(dāng)市電存在時(shí)，與主變換器一起完成對(duì)輸入電壓的補(bǔ)償：當(dāng)輸入電壓高于輸出電壓額定值時(shí)，Delta變換器吸收功率，反極性補(bǔ)償輸入、輸出電壓的差值；當(dāng)輸入電壓低于輸出電壓額定值時(shí)，Delta變換器輸出功率，正極性補(bǔ)償輸入、輸出電壓的差值，是串聯(lián)補(bǔ)償。變換器承擔(dān)的最大功率（當(dāng)輸入電壓處于上限和下限時(shí)）僅為輸出功率的20%（相當(dāng)于輸入電壓的變化范圍），所以功率強(qiáng)度很?。ㄗ畲笥泄β蕛H為輸出功率的1/5左右），功率余量大，這就大大增強(qiáng)了UPS的輸出能力。與雙變換在線式UPS相比，過(guò)載能力得到了增強(qiáng)（200%，1min），不再對(duì)負(fù)載電流波峰系數(shù)予以限制，可從容地對(duì)付沖擊性負(fù)載，也不再對(duì)負(fù)載功率因數(shù)進(jìn)行限制，輸出有功功率可以等于標(biāo)定的kV·A值。（3）與主變換器一起完成對(duì)蓄電池的充電和浮充功能。

2）主變換器主變換器同樣是DC/AC和AC/DC雙向變換器，它的功能有四個(gè)：（1）同Delta變換器一起完成對(duì)輸入、輸出電壓差值的補(bǔ)償。（2）同Delta變換器一起完成對(duì)蓄電池的充電和電壓浮充功能。（3）隨時(shí)檢測(cè)輸出電壓，保證輸出電壓的穩(wěn)定，并對(duì)負(fù)載電流諧波成分進(jìn)行補(bǔ)償，使其不對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響（屬于并聯(lián)補(bǔ)償）。（4）當(dāng)市電中斷時(shí)，全部輸出功率由主變換器給出，并且保證輸出電壓不間斷，輪換時(shí)間為零，當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生畸變時(shí)，也由主變換器調(diào)整補(bǔ)償。在市電存在時(shí)，由于兩個(gè)逆變器承擔(dān)的最大有功功率僅為輸出功率的1/5左右，所以元器件乃至整機(jī)的壽命可靠性必然大幅度提高，整機(jī)效率在很大的功率范圍內(nèi)都可達(dá)到96%。

3）Delta變換式UPS的缺點(diǎn)（1）在市電存在時(shí)，Delta變換器承擔(dān)的最大有功功率為額定功率的20%左右，但兩個(gè)變換器承擔(dān)的無(wú)功功率可能為輸出功率的一倍。（2）效率是個(gè)可變量，只有市電輸入為額定值、負(fù)載為線性負(fù)載時(shí)，效率才達(dá)到最高值。（3）盡管輸入由兩只可控硅隔離，但當(dāng)輸入停電甚至出現(xiàn)短路時(shí)，相當(dāng)于Delta變換器的負(fù)載出現(xiàn)過(guò)載或短路，將會(huì)斷電，Delta變換器將進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。若保護(hù)失效，則故障將是毀滅性的。事實(shí)上，電網(wǎng)停電或短路時(shí)有發(fā)生，相比之下雙變換式UPS卻不會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象。

Delta變換式UPS雖然也是一種雙變換式電路，但不同于傳統(tǒng)的雙變換式UPS。傳統(tǒng)的雙變換式UPS中兩個(gè)變換器的工作是不可逆的，即第一個(gè)變換器只管整流，第二個(gè)變換器只管逆變，而圖3－5中的兩個(gè)變換器都是可逆工作的，兩個(gè)變換器隨時(shí)交替工作在整流和逆變狀態(tài)下，在PWM控制下經(jīng)LC濾波后取平均值。整流寬度大于逆變寬度時(shí)，平均值效果是給出功率，反之是吸收功率。3.2.2

UPS冗余備份

UPS電源確實(shí)具有較高的供電質(zhì)量和可靠性，但其畢竟是由成千上萬(wàn)電子器件、功率器件和散熱器件與其他電氣裝置組成的功率電子設(shè)備，當(dāng)采用單臺(tái)UPS設(shè)備供電時(shí)，其平均無(wú)故障工作時(shí)間一般在十萬(wàn)小時(shí)左右，但還是會(huì)發(fā)生由于UPS本身故障而中斷供電的情況。因此，用戶為了提高運(yùn)行的可靠性，往往采用多個(gè)雙變換單片UPS組成UPS冗余。目前，應(yīng)用最為廣泛的冗余供電方式有串聯(lián)冗余方式、并聯(lián)冗余方式和雙總線冗余方式。在討論冗余供電之前，下面首先介紹在線式UPS的四種工作狀態(tài)。（1）市電正常。在正常工作狀態(tài)下，由市電提供能量，整流器將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，逆變器將經(jīng)整流后的直流電轉(zhuǎn)化為純凈的交流電并提供給負(fù)載，同時(shí)充電器對(duì)蓄電池組浮充電。（2）市電異常。在市電斷電或者輸入市電的電壓或頻率超出允許范圍時(shí)，整流器自動(dòng)關(guān)閉。此時(shí)，由蓄電池組提供的直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)化為純凈的交流電并提供給負(fù)載。（3）市電恢復(fù)正常。當(dāng)市電恢復(fù)到正常后，整流器重新提供經(jīng)整流后的直流電給逆變器，同時(shí)由充電器對(duì)蓄電池組充電。（4）旁路狀態(tài)。靜態(tài)旁路是UPS系統(tǒng)的重要組成部分，在下列兩種情況下UPS處于旁路。①當(dāng)負(fù)載超載、短路(實(shí)際上可以看成是一種嚴(yán)重的超載)或者逆變器故障時(shí)，為了保證不中斷對(duì)負(fù)載的供電，靜態(tài)旁路開(kāi)關(guān)動(dòng)作，由市電直接向負(fù)載供電。②維修或測(cè)試時(shí)，為了安全操作，將維修旁路開(kāi)關(guān)閉合，由市電直接向負(fù)載供電。把UPS系統(tǒng)隔離，這種切換可保證在UPS檢修或測(cè)試時(shí)對(duì)負(fù)載的不間斷供電。

1.UPS的熱備份連接

UPS的熱備份連接也就是主－從串聯(lián)冗余，是指當(dāng)單臺(tái)UPS不能滿足用戶提出的供電可靠性要求時(shí)，就需要再接入一臺(tái)同規(guī)格的單機(jī)來(lái)提高可靠性。任何具有旁路環(huán)節(jié)的UPS都可以進(jìn)行熱備份連接。這種連接非常簡(jiǎn)單，當(dāng)把UPS1作為主輸出電源而把UPS2作為備用機(jī)時(shí)，只需將備用機(jī)UPS2的輸出與UPS1的旁路輸入端相連就可以了。不過(guò)此時(shí)UPS1的旁路輸入端一定要與其輸入端斷開(kāi)。在正常情況下，由UPS1向負(fù)載供電，而UPS2處于熱備份狀態(tài)空載運(yùn)行；當(dāng)UPS1故障時(shí)，UPS2投入運(yùn)行，接替UPS1繼續(xù)向負(fù)載供電。只有當(dāng)UPS2過(guò)載或逆變器故障時(shí)，才閉合UPS2的旁路開(kāi)關(guān)，負(fù)載轉(zhuǎn)為由市電供電。為節(jié)約投資，還可以采用N+1多機(jī)主備冗余供電，即兩臺(tái)以上的主機(jī)UPS的旁路開(kāi)關(guān)一起連接到備機(jī)UPS的輸出上。兩臺(tái)熱備份連接的UPS系統(tǒng)其可靠性比單臺(tái)UPS的可靠性提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并且這種系統(tǒng)的連接方式簡(jiǎn)單易行，即使是不同品牌的機(jī)器，只要規(guī)格、容量相同，就可連接，不需再增加另外的設(shè)備。若兩臺(tái)不同容量的UPS相連，則其容量只能按最小的那一臺(tái)計(jì)算。單臺(tái)UPS處于旁路工作狀態(tài)時(shí)，負(fù)載不受UPS保護(hù)。此時(shí)，如果發(fā)生交流電中斷、過(guò)壓等故障，將造成負(fù)載電源供應(yīng)中斷或設(shè)備損壞。因此，可用一臺(tái)UPS的輸出作為另一臺(tái)UPS主機(jī)的靜態(tài)旁路電源，這就是雙機(jī)主備冗余供電，也叫雙機(jī)串聯(lián)冗余供電，如圖3－6所示。圖3－6雙機(jī)主備冗余供電方式

1）工作原理（1）正常情況下，負(fù)載的工作電源由UPS主機(jī)的逆變器提供，備機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)。（2）UPS1主機(jī)故障時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)為旁路供電，此時(shí)UPS2備機(jī)的逆變器輸出通過(guò)主機(jī)靜態(tài)旁路開(kāi)關(guān)供給負(fù)載電源。UPS主機(jī)故障轉(zhuǎn)為旁路在毫秒時(shí)間內(nèi)完成，不會(huì)產(chǎn)生負(fù)載電源中斷。（3）備機(jī)故障時(shí)，備機(jī)轉(zhuǎn)為旁路。此時(shí)主機(jī)的靜態(tài)旁路輸入的不再是備機(jī)的逆變器輸出，而是由交流電經(jīng)過(guò)備機(jī)的靜態(tài)旁路開(kāi)關(guān)供給，此時(shí)相當(dāng)于主機(jī)單機(jī)工作。（4）UPS主、備機(jī)同時(shí)故障時(shí)，UPS主、備機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)為旁路工作，交流電經(jīng)過(guò)備機(jī)的靜態(tài)旁路開(kāi)關(guān)，再經(jīng)主機(jī)的靜態(tài)旁路開(kāi)關(guān)供給負(fù)載電源。當(dāng)然，UPS主、備機(jī)同時(shí)故障的可能性極小。

2）優(yōu)點(diǎn)（1）安裝方便，易于實(shí)現(xiàn)。只要UPS主機(jī)具有獨(dú)立的靜態(tài)旁路輸入口，就可以很容易地實(shí)現(xiàn)UPS雙機(jī)主備機(jī)冗余供電，甚至是不同型號(hào)、不同品牌的UPS，都可以很方便地組成雙機(jī)冗余供電。（2）可靠性高。系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，只要將UPS主、備機(jī)的輸出電壓調(diào)整一致即可。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，UPS雙機(jī)主備冗余供電的可靠性高于雙機(jī)并聯(lián)冗余供電。

3）缺點(diǎn)雙機(jī)主備冗余供電提高了UPS電源供電系統(tǒng)的可靠性，但存在以下缺點(diǎn)。（1）主UPS本身發(fā)生故障時(shí)，可能無(wú)法切換而造成輸出中斷。當(dāng)主UPS內(nèi)部電源板或電源模塊發(fā)生故障時(shí)，主UPS會(huì)立即停止工作，輸出中斷。此時(shí)，主UPS也不可能再?gòu)撵o態(tài)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)向旁路，這時(shí)即使從UPS是好的也無(wú)濟(jì)于事，整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的供電將被中斷。當(dāng)主UPS控制電路出現(xiàn)問(wèn)題后，在逆變器燒毀的瞬間(此時(shí)不滿足切換條件)出現(xiàn)一些其他原因時(shí)，也可能會(huì)出現(xiàn)靜態(tài)開(kāi)關(guān)不切換而造成供電中斷的現(xiàn)象。（2）切換瞬時(shí)輸出出現(xiàn)間斷。UPS供電系統(tǒng)為保證輸出波形連續(xù)，采用先合后斷技術(shù)，即旁路通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)與逆變器輸出有一疊加過(guò)程以保證輸出無(wú)間斷，但這兩路電壓必須保證頻率、相位和幅值完全一致，否則將有可能造成切換過(guò)程中輸出的不連續(xù)。在頻率正常的情況下，主UPS為帶載工況，從UPS為空載。在電網(wǎng)頻率偏離UPS跟蹤頻率范圍時(shí)，UPS將啟動(dòng)自身的晶體振蕩器，由于兩臺(tái)UPS為獨(dú)立系統(tǒng)，無(wú)法進(jìn)行“鎖相”跟蹤，因此如在此時(shí)發(fā)生切換過(guò)程，輸出波形將會(huì)有更大的輸出間斷時(shí)間。特別是在主UPS逆變器發(fā)生故障、強(qiáng)行切換時(shí)，由于無(wú)法進(jìn)行正常跟蹤，將有可能出現(xiàn)較大的間斷時(shí)間，甚至切換失敗。（3）在采用雙機(jī)主備冗余供電方式的供電系統(tǒng)中，增加了兩個(gè)公共故障點(diǎn)。一旦主UPS靜態(tài)開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障，此時(shí)又要求切換，則會(huì)造成負(fù)載供電中斷。發(fā)生過(guò)載時(shí)，主、從UPS將依次轉(zhuǎn)為旁路，這時(shí)UPS的靜態(tài)開(kāi)關(guān)如出現(xiàn)問(wèn)題，也將造成輸出中斷。（4）設(shè)備使用效率低。在整個(gè)供電過(guò)程中，始終有一臺(tái)UPS長(zhǎng)期閑置不用，使用效率低，并且備份UPS的蓄電池長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)下，蓄電池?zé)o法放電，使用壽命大大縮短。但可以增加一個(gè)主從轉(zhuǎn)換裝置，定期將主機(jī)與從機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)主、從機(jī)的蓄電池輪流充放電。在主、從機(jī)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，從機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)切換過(guò)程，負(fù)載量將從0突變到100%，整流器和逆變器將受到大電流沖擊，易于損壞，影響正常輸出，甚至斷電。（5）維修困難。當(dāng)主機(jī)發(fā)生故障、切換到從機(jī)供電時(shí)，用戶負(fù)載不能停機(jī)，無(wú)法關(guān)閉主UPS進(jìn)行維修。一旦從機(jī)出現(xiàn)故障，會(huì)造成整個(gè)供電系統(tǒng)中斷。由于兩臺(tái)UPS同時(shí)發(fā)生故障的概率幾乎為零，因此在雙機(jī)主備冗余供電方式的基礎(chǔ)上，可發(fā)展更合理、更節(jié)省投資、更可靠的多機(jī)主備冗余供電方式。其中，三機(jī)主備冗余供電方式和雙機(jī)主備冗余供電方式基本類(lèi)似，在此不再贅述。

2.UPS并聯(lián)冗余方式從一般原理上講，普通在線式UPS都可直接并聯(lián)，但這些UPS必須由同一路電網(wǎng)供電。在這種情況下，UPS的逆變器永遠(yuǎn)在跟蹤旁路市電。由于這些UPS都在跟蹤同一路市電，也就相當(dāng)于互相在相位上跟蹤，而這些UPS在頻率和相位上都是一致的，因此可以并聯(lián)。但這種并聯(lián)是不保險(xiǎn)的，其主要原因如下：雖然它們都在頻率和相位上跟蹤旁路，但在相位上有超前和落后之分。一般大容量UPS的相位跟蹤誤差為±3°，如果這兩臺(tái)并聯(lián)的UPS一個(gè)是+3°，另一個(gè)是-3°，那么它們兩個(gè)并聯(lián)后就有可能在相位上差了6°，這就有可能使輸出電壓相差30V，將會(huì)在UPS輸出端造成很大的環(huán)流，使逆變器因過(guò)載而燒毀。另外，雖然是同型號(hào)、同規(guī)格的UPS逆變器，但逆變器參數(shù)和變壓器參數(shù)的微小差異會(huì)導(dǎo)致輸出電壓不一樣。比如，一個(gè)為218V，而另一個(gè)為220V，也將會(huì)在UPS輸出端造成很大的環(huán)流，使逆變器因過(guò)載而燒毀。

UPS并聯(lián)連接的目的是提高UPS供電系統(tǒng)的可靠性，增加UPS系統(tǒng)的容量。UPS并聯(lián)連接要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是處于并機(jī)狀態(tài)的各臺(tái)UPS的逆變器應(yīng)在同時(shí)同步跟蹤交流旁路電源的條件下，滿足同幅度、同頻率和同相位的要求，以達(dá)到均分負(fù)載和環(huán)流為零的目的。當(dāng)并聯(lián)UPS系統(tǒng)中任何一臺(tái)逆變器出現(xiàn)故障(包括過(guò)載、短路相蓄電池過(guò)放電而停止工作等)時(shí)，均不能將本身的負(fù)載單獨(dú)轉(zhuǎn)到旁路上，而是將負(fù)載分配到與其并聯(lián)的其他UPS上。只有并聯(lián)系統(tǒng)中所有UPS的逆變器都停止工作時(shí)，才集體轉(zhuǎn)到旁路上。因此一套設(shè)計(jì)完善的UPS并機(jī)冗余供電系統(tǒng)必須具備以下功能：

1）鎖相同步調(diào)節(jié)功能為確保UPS電源能安全、可靠執(zhí)行市電交流旁路供電與逆變器供電的切換操作，要求UPS的逆變器電源的輸出頻率和相位必須盡可能地與交流旁路的市電電源保持一致，即二者處于嚴(yán)格的鎖相同步跟蹤狀態(tài)。對(duì)處于并機(jī)系統(tǒng)的兩臺(tái)UPS逆變器來(lái)說(shuō)，同步跟蹤同一市電的同時(shí)，還必須對(duì)出現(xiàn)在兩臺(tái)UPS相互之間的相位差進(jìn)行微調(diào)，使之盡可能地趨向于0，從而實(shí)現(xiàn)并機(jī)冗余供電系統(tǒng)的鎖相同步調(diào)節(jié)功能。實(shí)現(xiàn)此功能的基本電路稱為鎖相環(huán)電路，是用來(lái)使一個(gè)交流電源與另一個(gè)交流電源保持頻率相同、相位差小且恒定的閉環(huán)控制電路。鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)如圖3－7所示。它由鑒相器（PD）、環(huán)路低通濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）三個(gè)主要部件組成。圖3－7鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)鑒相器用于比較信號(hào)Ui（t）(如電網(wǎng)電壓檢測(cè)信號(hào))和壓控振蕩器反饋回來(lái)的輸出信號(hào)Uo(t)的相位，其輸出為正比于兩個(gè)信號(hào)間相位差的誤差電壓Ud（t），所以鑒相器又稱為相位比較器。環(huán)路低通濾波器用于衰減Ud(t)中的高頻分量和噪聲，提高抗干擾能力，輸出控制電壓Uc(t)。壓控振蕩器是振蕩角頻率受控制電壓控制的振蕩器，當(dāng)輸入控制電壓Uc(t)=0時(shí)，其振蕩角頻率ω0固定不變；當(dāng)U

c(t)≠0時(shí)，振蕩角頻率ω0隨控制電壓Uc（t）的變化而變化。

2）均流功能為充分發(fā)揮系統(tǒng)容量，提高可靠性，必須對(duì)每臺(tái)UPS逆變器的輸出電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)微調(diào)，使每臺(tái)UPS各自分擔(dān)負(fù)載總電流的平均值。均流不平衡度過(guò)大，不僅會(huì)導(dǎo)致UPS故障率增大，帶載能力下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成并機(jī)系統(tǒng)只能運(yùn)行在單機(jī)狀態(tài)。

3）選擇性脫機(jī)“跳閘”功能在UPS并機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，如果某臺(tái)UPS的逆變器出現(xiàn)故障，則并機(jī)邏輯控制電路必須在準(zhǔn)確地識(shí)別出哪臺(tái)單機(jī)出故障的同時(shí)，對(duì)并機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行如下操作：（1）自動(dòng)關(guān)閉有故障的單臺(tái)UPS逆變器；（2）通過(guò)關(guān)斷逆變器的輸出靜態(tài)開(kāi)關(guān)或輸出斷路器，將故障單機(jī)從并機(jī)系統(tǒng)中脫離開(kāi)來(lái)；（3）禁止故障單機(jī)執(zhí)行交流旁路靜態(tài)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的調(diào)控操作；（4）發(fā)出“選擇性脫機(jī)”報(bào)警信號(hào)。

4）環(huán)流監(jiān)控功能能否將整個(gè)UPS并機(jī)系統(tǒng)的環(huán)流控制在盡可能接近于零的程度，是判斷UPS并機(jī)供電系統(tǒng)的可靠性是否高的重要指標(biāo)之一。如前所述，所謂環(huán)流，是指位于并機(jī)中的各UPS單機(jī)的逆變器電源在不能同時(shí)達(dá)到同電壓、同頻率、同相位和同內(nèi)阻等四項(xiàng)指標(biāo)之一的要求時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致從各臺(tái)UPS逆變器所輸出的電流不是全部流向負(fù)載，而有部分輸出電流在各臺(tái)UPS單機(jī)之間流動(dòng)。環(huán)流的出現(xiàn)，輕則造成UPS并機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率下降和UPS單機(jī)老化加速，重則造成并機(jī)系統(tǒng)向交流旁路供電或停止向用戶供電，從而徹底破壞UPS并機(jī)系統(tǒng)向用戶提供高質(zhì)量和高可靠性的逆變器電源的工作狀態(tài)。由此可見(jiàn)設(shè)置環(huán)流監(jiān)控電路的重要性。當(dāng)在UPS并機(jī)系統(tǒng)中出現(xiàn)較大的環(huán)流時(shí)，常會(huì)看到如下現(xiàn)象：（1）輸入到并機(jī)系統(tǒng)的總輸入電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于從并機(jī)系統(tǒng)所輸出的負(fù)載電流(在扣除系統(tǒng)效率的影響因素后)。（2）位于并機(jī)系統(tǒng)中的各臺(tái)UPS的輸出功率因數(shù)的值不同，提供環(huán)流的UPS單機(jī)的輸出功率因數(shù)明顯高于接受環(huán)流的UPS單機(jī)。（3）當(dāng)環(huán)流是由于頻率或相位不同步所造成時(shí)，從各UPS單機(jī)所輸出的電流/功率因數(shù)值總是不斷變動(dòng)的，而不是一個(gè)穩(wěn)定值。并聯(lián)UPS系統(tǒng)雖然比熱備份連接的UPS系統(tǒng)有很多優(yōu)越性，但其控制技術(shù)要比熱備份連接的UPS系統(tǒng)復(fù)雜得多，因?yàn)樵诙嗯_(tái)UPS并聯(lián)時(shí)，其中最重要的指標(biāo)就是電流均分，即如果N臺(tái)UPS并聯(lián)，則必須保證每臺(tái)UPS的輸出電流是總輸出電流的l/N，至少其相互之間的最大不平衡度要在要求范圍內(nèi)(一般小于2%)。這個(gè)指標(biāo)就限制了并聯(lián)臺(tái)數(shù)的增加。目前可以看到各個(gè)品牌實(shí)現(xiàn)并機(jī)的臺(tái)數(shù)也不完全一樣。例如，F(xiàn)enton可并聯(lián)高達(dá)6臺(tái)；IMVSitepro500kV·A以下的機(jī)型可做到4臺(tái)并聯(lián)，500kV·A及以上的機(jī)型可做到6臺(tái)并聯(lián)；Siemens500kV·A以下的機(jī)型可4臺(tái)并聯(lián)，500kV·A的機(jī)型可8臺(tái)并聯(lián)；三菱UPS可8臺(tái)并聯(lián)；SiliconUPS的并聯(lián)臺(tái)數(shù)達(dá)到了9臺(tái)。一般來(lái)說(shuō)，功率在500kV·A以下時(shí)，并聯(lián)臺(tái)數(shù)被限制在4臺(tái)以內(nèi)的居多。并聯(lián)不一定是冗余的，并不是所有并聯(lián)UPS系統(tǒng)都具有冗余的功能。并聯(lián)的概念是增容，而冗余的概念則是可靠性。比如，兩臺(tái)50kV·AUPS并聯(lián)給80kV·A負(fù)載供電，只能說(shuō)這兩臺(tái)UPS實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)，但若其中一臺(tái)因故障而關(guān)機(jī)，則余下的另一臺(tái)也會(huì)因過(guò)載而轉(zhuǎn)入旁路供電。然而若負(fù)載為40kV·A，那么一臺(tái)50kV·A的UPS因故障而關(guān)機(jī)后，負(fù)載并沒(méi)有被切換到這臺(tái)UPS的旁路上去，而是由另一臺(tái)UPS繼續(xù)供電，這就實(shí)現(xiàn)了冗余。也就是說(shuō)，當(dāng)一個(gè)UPS并聯(lián)系統(tǒng)中的一臺(tái)或者幾臺(tái)UPS發(fā)生故障時(shí)，余下的UPS仍能向負(fù)載正常供電，那么這個(gè)系統(tǒng)就是冗余系統(tǒng)。因此，并聯(lián)是實(shí)現(xiàn)冗余的必要手段，而并不一定就是冗余。在理解這個(gè)問(wèn)題時(shí)，應(yīng)先了解UPS系統(tǒng)的冗余度。系統(tǒng)冗余度的表達(dá)式為N+X，其中N的含義是并聯(lián)系統(tǒng)中UPS單機(jī)的總臺(tái)數(shù)，X的含義是并聯(lián)系統(tǒng)中允許出現(xiàn)故障的UPS單機(jī)臺(tái)數(shù)。例如，在5臺(tái)UPS并聯(lián)系統(tǒng)中，允許其中兩臺(tái)同時(shí)出現(xiàn)故障，那么這個(gè)系統(tǒng)的冗余度就是5+2。目前市售UPS并機(jī)系統(tǒng)因各生產(chǎn)廠家的設(shè)計(jì)觀點(diǎn)和開(kāi)發(fā)人員的技術(shù)背景不同而有如圖3－8所示的幾種直接并機(jī)方案。圖3－8直接并機(jī)方案以下介紹幾種常見(jiàn)的并機(jī)方案。（1）被動(dòng)式直接并機(jī)方案。這是一種技術(shù)含量較低、成本較低的直接并機(jī)設(shè)計(jì)方案，它只對(duì)位于并機(jī)系統(tǒng)中的各臺(tái)UPS單機(jī)的逆變器電源的頻率和相位執(zhí)行市電同步跟蹤調(diào)控，并不對(duì)它們相互之間的電壓幅度和相位進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整。顯然，這種并機(jī)系統(tǒng)的可靠性是較低的，特別是當(dāng)遇到用戶的負(fù)載突變時(shí)，易于發(fā)生故障。（2）主動(dòng)式直接并機(jī)方案。位于這種并機(jī)系統(tǒng)中的各臺(tái)UPS在同時(shí)同步跟蹤同一市電電源的前提下，還對(duì)位于該并機(jī)系統(tǒng)中的各臺(tái)UPS之間的逆變器電源輸出電壓的幅值、頻率和相位等參數(shù)之間可能出現(xiàn)的差異進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控，使其盡可能地達(dá)到同電壓、同頻率、同相位的程度。（3）采用“并機(jī)柜”的直接并機(jī)方案。在主動(dòng)式直接并機(jī)方案中應(yīng)用廣泛的為采用“并機(jī)柜”的直接并機(jī)方案，采用本方案的目的是解決上述采用分散交流旁路供電技術(shù)的多機(jī)冗余UPS配置方案中所出現(xiàn)的位于各個(gè)分散的交流旁路上的“靜態(tài)開(kāi)關(guān)”的不均流帶載問(wèn)題。其配置方案如圖3－9所示。圖3－9中用另一個(gè)專(zhuān)門(mén)的系統(tǒng)旁路“并機(jī)柜”來(lái)取代分散交流旁路供電通道。位于該系統(tǒng)旁路“并機(jī)控制柜”內(nèi)的并機(jī)邏輯板可利用頻率母線調(diào)控電路、電流母線調(diào)控電路來(lái)使得各臺(tái)UPS單機(jī)的逆變器輸出總是處于同相位、同頻率和均流向負(fù)載供電的良好運(yùn)行狀態(tài)(其控制原理與“1＋1”并機(jī)方案相似，在此不再重述)。當(dāng)UPS供電系統(tǒng)因故出現(xiàn)從逆變器電源供電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髋月饭╇姇r(shí)，市電電源將經(jīng)位于并機(jī)柜中的一套交流旁路靜態(tài)開(kāi)關(guān)(對(duì)三相UPS來(lái)說(shuō)，共有三條交流旁路靜態(tài)開(kāi)關(guān))來(lái)向負(fù)載供電，而不會(huì)采用分散交流旁路供電技術(shù)的多機(jī)直接并機(jī)配置，因?yàn)檫@樣會(huì)出現(xiàn)由N套交流旁路“靜態(tài)開(kāi)關(guān)”來(lái)同時(shí)向負(fù)載供電而產(chǎn)生的不均流帶載問(wèn)題。按目前的技術(shù)水平，可將6～8臺(tái)大型UPS進(jìn)行并機(jī)運(yùn)行。此外，采用“系統(tǒng)旁路柜”方案帶來(lái)的另一個(gè)好處是，我們可從它的顯示屏上同時(shí)讀取整個(gè)UPS供電系統(tǒng)和各臺(tái)UPS單機(jī)的所有運(yùn)行參數(shù)，從而提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。圖3－9采用“并機(jī)柜”的多機(jī)直接并機(jī)方案

3.雙總線冗余供電方式上述UPS供電系統(tǒng)僅僅解決了提高UPS本身的MTBF，即降低整個(gè)UPS供電系統(tǒng)的故障率，并沒(méi)有十全十美地解決好UPS供電系統(tǒng)的可維護(hù)性問(wèn)題。由于在UPS供電系統(tǒng)的輸出端與負(fù)載間還有配電柜、斷路器開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)絲和電力傳輸電纜，因此如果配電柜本身或從UPS輸出端至配電柜的輸電電纜出故障或保險(xiǎn)絲被燒毀，則斷路器開(kāi)關(guān)跳閘時(shí)，我們要進(jìn)行檢修，就必然要對(duì)負(fù)載執(zhí)行停電操作。當(dāng)然，對(duì)一般用戶來(lái)講，可以在預(yù)先通知用戶的條件下來(lái)執(zhí)行檢修操作。然而，對(duì)于某些重要用戶，是不允許對(duì)用戶執(zhí)行停電來(lái)執(zhí)行檢修任務(wù)的。為此，我們可以采用如圖3－10所示的雙總線冗余供電方式。圖3－10雙總線冗余供電方式在雙總線冗余供電方式中，分別設(shè)置有UPS供電系統(tǒng)1和UPS供電系統(tǒng)2。這種UPS供電系統(tǒng)既可以是具有相同額定輸出功率的UPS單機(jī)，也可以是UPS并機(jī)供電系統(tǒng)。從UPS供電系統(tǒng)1和UPS供電系統(tǒng)2送出的高質(zhì)量逆變器電源被分別送到配電柜1和配電柜2。在負(fù)載同步控制器的作用下，平時(shí)S1和S2開(kāi)關(guān)處于相通狀態(tài)，S處于斷開(kāi)狀態(tài)。這樣從UPS供電系統(tǒng)1輸出的逆變器電源經(jīng)由配電柜1、S1開(kāi)關(guān)、A路輸出電纜向負(fù)載A供電。與此同時(shí)，UPS供電系統(tǒng)2經(jīng)配電柜2、開(kāi)關(guān)S2向負(fù)載B供電。一旦UPS供電系統(tǒng)1、配電柜1或S1開(kāi)關(guān)之中的任一部件出現(xiàn)故障，通過(guò)負(fù)載同步控制器，自動(dòng)執(zhí)行同步切換操作，將S開(kāi)關(guān)閉合，就能在保證UPS供電系統(tǒng)2在繼續(xù)對(duì)負(fù)載A供電的條件下對(duì)位于有故障的UPS供電系統(tǒng)1的相關(guān)設(shè)備執(zhí)行檢修任務(wù)。3.2.3

UPS中的蓄電池蓄電池是UPS系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，它的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)UPS系統(tǒng)的可靠性。然而，蓄電池又是整個(gè)系統(tǒng)中平均無(wú)故障時(shí)間最短的一種器件，如果用戶能夠正確使用和維護(hù)，則能夠延長(zhǎng)其使用壽命，反之其使用壽命會(huì)大大縮短。目前在UPS中廣泛使用蓄電池作為儲(chǔ)存電能的裝置。UPS中蓄電池的基本能量流程是：電能→化學(xué)能→電能。先用直流電源對(duì)蓄電池充電，將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)市電供應(yīng)中斷時(shí)，UPS依靠?jī)?chǔ)存在蓄電池中的能量維持逆變器的正常工作。在這個(gè)過(guò)程中，蓄電池起承上啟下的作用?？梢赃@樣說(shuō)，不管UPS有多么復(fù)雜，其性能最終取決于它的蓄電池，只要蓄電池失效，再好的UPS也無(wú)法提供后備電能。UPS一般要輸出220V的交流電來(lái)帶動(dòng)較大功率的負(fù)載。在蓄電池串聯(lián)數(shù)目有限的情況下，通常要求有較大的輸出電流能力。直流供電系統(tǒng)和交流不間斷供電系統(tǒng)中的蓄電池，現(xiàn)在均采用閥控式密封鉛酸蓄電池。用于啟動(dòng)油機(jī)發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)電池可采用普通蓄電池，但這種電池自放水和水的損耗都很大，要定期補(bǔ)充蒸餾水。因此，一般的UPS系統(tǒng)均采用閥控式密封鉛酸蓄電池。以下就對(duì)UPS系統(tǒng)常采用的閥控式密封鉛酸蓄電池做一介紹，關(guān)于UPS使用的其他免維護(hù)蓄電池請(qǐng)參見(jiàn)本書(shū)的第四章。

1.閥控式密封鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)與原理

VRLA（ValveRegulatedLeadAcid）電池即閥控式密封鉛酸蓄電池的簡(jiǎn)稱，其作用有：①后備電源（包括直流供電系統(tǒng)和UPS系統(tǒng)），當(dāng)市電異常時(shí)或在整流器不工作的情況下，由蓄電池單獨(dú)供電，擔(dān)負(fù)起對(duì)全部負(fù)載供電的任務(wù)，起到備用作用；②平滑濾波，在市電正常時(shí)，雖然蓄電池不擔(dān)負(fù)向通信設(shè)備供電的主要任務(wù)，但它與供電的主要設(shè)備——整流器并聯(lián)運(yùn)行，能改善整流器的供電質(zhì)量；③調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓；④是動(dòng)力設(shè)備的啟動(dòng)電源。閥控式密封鉛酸蓄電池由電池槽、正負(fù)極板、電解液、隔板、安全閥、引出端子等部分組成。具體結(jié)構(gòu)如圖3－11所示。閥控式密封鉛酸蓄電池與傳統(tǒng)蓄電池的區(qū)別在于：蓄電池基本上是密封的，必須具備無(wú)流動(dòng)的電解液，充電時(shí)不產(chǎn)生氣體，過(guò)充電流小，無(wú)水的損耗。另外，少量氣體要有安全閥門(mén)作通道，安全閥應(yīng)具有單向節(jié)流性。但是其基本原理都是一致的。正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛（PbO2），負(fù)極板上的活性物質(zhì)為純鉛（Pb）。電解液由蒸餾水和純硫酸按一定的比例配制而成。正負(fù)極板上活性物質(zhì)的性質(zhì)不同，當(dāng)兩種極板放置在同一硫酸溶液中時(shí)，各自發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生不同的電極電位。圖3－11閥控式密封鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)圖酸蓄電池充放電總的化學(xué)反應(yīng)為：PbO2+Pb＋2H2SO4＝2PbSO4+2H2O從上述反應(yīng)式可看出，放電過(guò)程中，硫酸逐漸消耗，電解液的比重逐漸下降，因此，在實(shí)際工作中我們可以根據(jù)電解液的比重變化來(lái)判斷傳統(tǒng)蓄電池的放電程度；充電過(guò)程中，兩極上原來(lái)被消耗的活性物質(zhì)復(fù)原了，同時(shí)電解液中的硫酸成分增加，水分減少，電解液比重升高，因此，在實(shí)際工作中可根據(jù)電解液比重變化來(lái)判斷傳統(tǒng)蓄電池的充電程度。傳統(tǒng)型蓄電池在化學(xué)反應(yīng)的充電過(guò)程中會(huì)伴隨著副反應(yīng)：2H2O→2H2↑+O2↑。因?yàn)橛性摲磻?yīng)的存在，所以有氫氣的析出和水的消耗。閥控式密封鉛酸蓄電池中，在接近至完全充電時(shí)電池內(nèi)有少量水被電解，少量氧氣從正極析出，擴(kuò)散到負(fù)極變?yōu)楣滔嘌趸镏螅只蠟橐合嗟乃?，且由于氧氣在?fù)極的復(fù)合又對(duì)氫氣有抑制作用，因而負(fù)極上幾乎無(wú)氫氣發(fā)生。但因偶爾失誤而過(guò)充電所產(chǎn)生的大量氣體需經(jīng)安全閥排出電池外，以減少電池內(nèi)壓。氧氣的復(fù)合反應(yīng)式為2Pb+O2=2PbOPbO+H2SO4=PbSO4+H2O這就是閥控式密封鉛酸蓄電池的氧循環(huán)過(guò)程，其基本原理為：從正極周?chē)龀龅难鯕馔ㄟ^(guò)電池內(nèi)循環(huán)擴(kuò)散到負(fù)極被吸收，變?yōu)楣腆w氧化鉛之后又化合為液態(tài)的水，經(jīng)歷了一次大循環(huán)。閥控式鉛酸蓄電池采用負(fù)極活性物質(zhì)過(guò)量設(shè)計(jì)，正極在充電后期產(chǎn)生的氧氣通過(guò)隔板（超細(xì)玻璃纖維）空隙擴(kuò)散到負(fù)極，與負(fù)極海綿狀鉛發(fā)生反應(yīng)變成水，使負(fù)極處于去極化狀態(tài)或充電不足狀態(tài)，達(dá)不到析氫過(guò)電位，所以負(fù)極不會(huì)由于充電而析出氫氣，電池失水量很小，故使用期間不需加酸加水維護(hù)，克服了傳統(tǒng)式鉛酸蓄電池的主要缺點(diǎn)。在閥控式鉛酸蓄電池中，負(fù)極起著雙重作用，即在充電末期或過(guò)充電時(shí)，一方面極板中的海綿狀鉛與正極產(chǎn)生的氧氣（O2）反應(yīng)而被氧化成一氧化鉛（PbO）；另一方面極板中的硫酸鉛（PbSO4）又要接受外電路傳輸來(lái)的電子進(jìn)行還原反應(yīng)，由硫酸鉛還原成海綿狀鉛（Pb）。閥控式密封鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）失水少。（2）采用不含銻的鉛鈣合金制作板柵，同時(shí)采用的極板為管狀，從而減小了電池的正負(fù)極板上自放電和氫氣的生成。因此，其存儲(chǔ)壽命長(zhǎng)，活性物質(zhì)的有效利用率較高。（3）以大電流放電，能低溫放電。閥控式密封鉛酸蓄電池的缺點(diǎn)如下：（1）容量低，內(nèi)阻大，不宜過(guò)放電，否則易短路，還會(huì)引起電池過(guò)熱。（2）浮充電壓不及常規(guī)蓄電池均勻，一般需浮充一年以上才可使活性物質(zhì)趨于一致。近年來(lái)出現(xiàn)的閥控式密封鉛布蓄電池進(jìn)一步減輕了其質(zhì)量。這種蓄電池的正、負(fù)極板用復(fù)合型鉛絲網(wǎng)布板柵（所謂復(fù)合型鉛絲網(wǎng)布板柵，就是用玻璃纖維同軸鉛絲編織成的極板骨架）涂膏制成，在“電池型號(hào)”的末尾多一個(gè)漢語(yǔ)拼音字母B。

2.VRLA蓄電池的電特性

VRLA蓄電池的工作電壓是指電池接通負(fù)載后在充放電過(guò)程中顯示的電壓，又稱負(fù)載電壓。在郵電通信局（站）直流電源系統(tǒng)中，蓄電池采用全浮充工作方式。在市電正常時(shí)，蓄電池與整流器并聯(lián)運(yùn)行，蓄電池自放電引起的容量損失在全浮充過(guò)程被補(bǔ)足，這時(shí)蓄電池組起平滑濾波作用。因?yàn)殡姵亟M對(duì)交流成分有旁路作用，從而保證了負(fù)載設(shè)備對(duì)電壓的要求。在市電中斷或整流器發(fā)生故障時(shí)，由蓄電池單獨(dú)向負(fù)荷供電，以確保通信不中斷。各種類(lèi)型的VRLA電池的浮充電壓不盡相同，在理論上要求浮充電壓產(chǎn)生的電流足以達(dá)到補(bǔ)償電池的自放電損失和單獨(dú)放電用量，維持氧循環(huán)的需要。實(shí)際工作中還應(yīng)考慮下列因素：（1）在該充電電壓下，電池極板生成的PbO2較為致密，以保護(hù)板柵不至于很快被腐蝕。（2）盡量減少O2與H2析出，并減少負(fù)極硫酸鹽化。（3）電解液濃度對(duì)浮充電壓的影響。（4）板柵合金對(duì)浮充電壓的影響。（5）通信設(shè)備對(duì)浮充系統(tǒng)基礎(chǔ)電壓的要求。浮充充電與環(huán)境溫度有密切關(guān)系。通常浮充電壓是在環(huán)境25℃下而言的，所以當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，為使浮充電流保持不變，需按溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，即調(diào)整浮充電壓。在同一浮充電壓下，浮充電流隨溫度升高而增大。若進(jìn)行溫度換算，則可得出：環(huán)境溫度自25℃升或降1℃，每個(gè)電池端電壓隨之減或增3～4mV方可保持浮充電流不變。

VRLA電池在放電后應(yīng)及時(shí)充電。充電時(shí)必須認(rèn)真選擇以下三個(gè)參數(shù)：恒壓充電電壓、初始電流、充電時(shí)間。不同蓄電池的充電電壓值由制造廠家規(guī)定，充電電壓和充電方法隨電池用途不同而不同。電池放電后的充電推薦采用恒壓限流方法，即充電電壓取U（廠家定），限流值取0.1C10A，充入電量為上次放電電量的1.1～1.2倍即可。鉛酸蓄電池投入運(yùn)行是對(duì)實(shí)際負(fù)荷的放電，其放電速率隨負(fù)荷的需要而定。各種放電小時(shí)率下的放電方法一般有標(biāo)準(zhǔn)小時(shí)率（10小時(shí)率）下的放電、高放電率下的放電、沖擊放電和核對(duì)性放電等幾種。放電速率不同，放電終止電壓也不同，放電速率越高，放電終止電壓越低。溫度對(duì)電池放出的容量也有較大影響，通常環(huán)境溫度越低，放電速率越大，電池放出的容量越小。3.2.4

UPS的電池管理蓄電池是UPS的心臟，不管UPS多么復(fù)雜，其性能最終都取決于它的蓄電池。如果蓄電池失效，則再好的UPS也無(wú)法提供后備電源。如何監(jiān)視蓄電池的工作狀態(tài)并精確地預(yù)測(cè)其臨界失效期和如何延長(zhǎng)蓄電池的有效壽命，是保證UPS供電系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。能否真正地理解和選用好UPS的蓄電池管理功能，對(duì)UPS本身的高可靠性和高可利用率具有至關(guān)重要的影響。這是因?yàn)橐坏┦须姲l(fā)生故障，UPS將依靠由蓄電池所提供的直流電源來(lái)維持UPS逆變器的正常工作。此時(shí)，如果因管理不善而導(dǎo)致蓄電池過(guò)早老化、損壞，勢(shì)必導(dǎo)致UPS電源自動(dòng)關(guān)機(jī)，從而造成重要負(fù)載的誤動(dòng)作甚至癱瘓。根據(jù)蓄電池在中、大型UPS系統(tǒng)中運(yùn)行的特點(diǎn)，應(yīng)選擇合適的監(jiān)測(cè)管理方法和容量配置，以延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，減少UPS系統(tǒng)故障率。UPS系統(tǒng)對(duì)蓄電池的監(jiān)測(cè)管理包括對(duì)蓄電池組進(jìn)行均勻性判斷和對(duì)每個(gè)單體蓄電池的電壓、電流、實(shí)際容量、剩余容量和工作溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。例如，Exide的ABM型智能充電器具有浮充、均衡充電、在線放電測(cè)試和故障告警等功能，能自動(dòng)循環(huán)充放電，提高了蓄電池的壽命，浮充電壓穩(wěn)定，并具有溫度補(bǔ)償功能。但很多產(chǎn)品在電池管理功能上做得還很薄弱，幾乎不存在智能性，因此對(duì)UPS的選型非常重要?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的UPS大都把蓄電池組直接掛在UPS整流后的直流母線上，利用整流器直接充電，此方式要求整流功率遠(yuǎn)大于逆變功率，一般整機(jī)功率的20%設(shè)計(jì)為電池的充電功率；有的則需外加充電器，實(shí)現(xiàn)電池管理。它們都應(yīng)注意充電功率和電池容量的搭配問(wèn)題。可以從以下幾個(gè)方向注意此類(lèi)問(wèn)題：（1）保證蓄電池組的均勻性。如果蓄電池的均勻性不好，則當(dāng)蓄電池處于充電狀態(tài)時(shí)，其中容量較小的蓄電池會(huì)提前析氣，導(dǎo)致電壓升高，電解水反應(yīng)加快。這些變化會(huì)促使蓄電池內(nèi)部溫升加大和失水量加劇，甚至出現(xiàn)熱失控。蓄電池組中容量較大的蓄電池其充電電壓上升很慢，容易造成充電不足。長(zhǎng)期如此，必然加劇蓄電池極板硫化程度，導(dǎo)致容量下降，引起蓄電池提前失效。所以，UPS系統(tǒng)要盡可能選用均勻性好的蓄電池組。此外，在蓄電池運(yùn)行過(guò)程中，要根據(jù)單體蓄電池電壓來(lái)判斷蓄電池組的均勻性，及時(shí)更換失效的蓄電池。（2）采用正確的浮充方式。在浮充方式下，其浮充電壓必須控制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，過(guò)高會(huì)造成過(guò)充電，過(guò)低會(huì)造成充電不足。同理，其充電電流也不能過(guò)高或過(guò)低。GFM系列蓄電池的浮充電壓應(yīng)為每只（2.25±0.02）V，充電電流應(yīng)為0.005C10A。此時(shí)氣體的復(fù)合效率極高，幾乎達(dá)到100%，充電過(guò)程中產(chǎn)生的氣體幾乎完全再?gòu)?fù)合成水，蓄電池電解液的飽和度基本不受影響，從而保證了蓄電池的正常使用壽命。此外，浮充電壓要根據(jù)蓄電池的工作溫度進(jìn)行補(bǔ)償，通常單只蓄電池的溫度校正系數(shù)為-3mV/℃。（3）采用正確的均衡充電方式。當(dāng)UPS系統(tǒng)中的蓄電池因市電停電等原因放電之后或在浮充運(yùn)行中出現(xiàn)了落后蓄電池時(shí)（GFM系列蓄電池中，每節(jié)電壓低于2.18V），需對(duì)蓄電池組進(jìn)行均衡充電。其方法為：初期恒流（0.1C10～0.15C10A）充至2.35V之后保持該電壓，然后再恒壓充電。對(duì)于很少放電的蓄電池，應(yīng)每隔三個(gè)月進(jìn)行均衡充電一次。另外，應(yīng)每年進(jìn)行30%的核對(duì)性放電，同時(shí)進(jìn)行電池激活。（4）保證蓄電池的運(yùn)行溫度。當(dāng)溫度升高時(shí)，應(yīng)降低充電電壓，否則蓄電池中極板受硫酸腐蝕加劇，從而使其壽命縮短。當(dāng)環(huán)境溫度低于25℃時(shí)，充電電壓應(yīng)提高，以防止充電不足。

1.蓄電池容量配置

1）蓄電池容量的選擇方法蓄電池容量要根據(jù)蓄電池實(shí)際放電電流和所要求的備用時(shí)間來(lái)決定。選擇蓄電池的容量時(shí)，應(yīng)先計(jì)算出要求放電的電流值，然后根據(jù)蓄電池生產(chǎn)廠家提供的放電特性曲線和用戶要求的備用時(shí)間進(jìn)行選擇。

2）蓄電池最大放電電流的計(jì)算蓄電池最大放電電流可按下式計(jì)算：其中：Imax為蓄電池的最大放點(diǎn)電流值，單位為A；P

是UPS的標(biāo)稱輸出功率，單位為W；cos是負(fù)載功率因數(shù)；η是逆變器的效率；Ei是電池放電終了電壓，一般指電池組的電壓；N是蓄電池組中的單體蓄電池?cái)?shù)。

3）放電電流的計(jì)算由于在放電過(guò)程中蓄電池的放電電流是變化的，蓄電池剛放電時(shí)的電流明顯小于最大放電電流Imax，因此根據(jù)蓄電池的放電狀態(tài)，一般取0.75作為校正因數(shù)。蓄電池實(shí)際所需的放電電流I=0.75Imax。

4）蓄電池容量的計(jì)算計(jì)算出蓄電池實(shí)際所需的放電電流值后，再根據(jù)所要求的備用時(shí)間按照蓄電池生產(chǎn)廠家所提供的蓄電池放電特性曲線找出要求蓄電池組提供的放電速率，按下式即可計(jì)算出要求配置的蓄電池容量：根據(jù)計(jì)算的容量值，選擇蓄電池的規(guī)格。

2.蓄電池的智能化管理

1）智能化的充電管理功能蓄電池的充電性能是影響蓄電池壽命的重要因素之一。早期的UPS只控制充電電壓而不控制充電電流，這樣在蓄電池充電初期，由于蓄電池端電壓與充電電壓存在較大的壓差，極易因充電電流過(guò)大而造成蓄電池?fù)p壞。智能化的充電管理功能能夠根據(jù)使用條件、使用環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)充電機(jī)理，從而為蓄電池創(chuàng)造良好的運(yùn)行條件，有效延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。當(dāng)今的絕大多數(shù)UPS都將電池組置于長(zhǎng)時(shí)期的“浮充充電”工作狀態(tài)之下。但愛(ài)克賽、力博特和梅蘭日蘭等公司在UPS中配置有如下的ABM型先進(jìn)電池充電管理系統(tǒng)，這是一種由微處理器監(jiān)控的“三階”智能化ABM型電池管理設(shè)計(jì)方案：短時(shí)的快速恒流，均充充電→恒壓浮充充電→長(zhǎng)時(shí)間微小電流放電的電池管理+實(shí)時(shí)的電池性能老化檢測(cè)的綜合型電池充放電管理系統(tǒng)。同傳統(tǒng)的連續(xù)浮充電方式相比，這種方式可延長(zhǎng)電池使用壽命的50%以上。它采用間隙式的周期充電方案，將每個(gè)充電周期分成三個(gè)時(shí)間段，其充電周期為21天。

2）浮充電壓溫度補(bǔ)償功能通過(guò)在蓄電池組現(xiàn)場(chǎng)安裝溫度傳感器，UPS會(huì)實(shí)時(shí)取得蓄電池的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)蓄電池環(huán)境溫度的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)浮充電壓。鉛酸蓄電池的額定運(yùn)行溫度范圍是10℃～30℃，在15℃～25℃范圍內(nèi)〖JP〗充電電壓不必隨溫度的變化進(jìn)行調(diào)整。如果運(yùn)行溫度不在此范圍內(nèi)，則充電電壓應(yīng)隨溫度的變化自動(dòng)予以調(diào)整。溫度調(diào)整系數(shù)可以在-3～-8mV/℃范圍內(nèi)設(shè)定。

3）蓄電池的自動(dòng)檢測(cè)功能該項(xiàng)功能的主要作用是檢測(cè)蓄電池性能以及蓄電池回路是否正常。其基本原理是：通過(guò)強(qiáng)迫蓄電池放電，檢測(cè)蓄電池在一定時(shí)間內(nèi)的放電電流和電壓壓降，然后與UPS內(nèi)存儲(chǔ)的放電曲線進(jìn)行比較，給出蓄電池目前的品質(zhì)狀態(tài)。在檢測(cè)技術(shù)方面，各UPS生產(chǎn)廠家有所不同。在強(qiáng)迫蓄電池放電方面，有些廠家采取停止整流器工作的方式，有些廠家采取降低整流器輸出電壓的方式。顯然，后者更先進(jìn)、更可靠，因?yàn)檫@種方式不會(huì)由于蓄電池或蓄電池回路存在故障而造成輸出斷電。下面以“DCExpert（專(zhuān)利）”電池管理技術(shù)為例來(lái)說(shuō)明一套完善的電池管理系統(tǒng)具體的檢測(cè)功能。（1）定時(shí)、自動(dòng)執(zhí)行電池容量自診斷測(cè)試；執(zhí)行放電容量小于10%的輕度放電操作，以激活電池；通過(guò)可編程操作可自由控制電池自診斷測(cè)試之間的時(shí)間間隔（按季度或按月）和測(cè)試日期。（2）當(dāng)UPS在執(zhí)行自診斷測(cè)試時(shí)，由UPS的整流器和電池組來(lái)共同承擔(dān)負(fù)載。所以，絕不會(huì)出現(xiàn)因電池失效造成UPS將用戶負(fù)載接到市電交流的弊端。（3）在執(zhí)行電池自診斷測(cè)試中遇到下述情況之一時(shí)，UPS可智能地中斷上述測(cè)試操作，防止電池的容量被白白浪費(fèi)：在執(zhí)行預(yù)置的可編程電池自診斷測(cè)試前24個(gè)小時(shí)內(nèi)，曾發(fā)生過(guò)市電停電事件；正在執(zhí)行自診斷測(cè)試的過(guò)程中，突然遇到市電電源故障（停電或輸入電壓過(guò)低）。（4）通過(guò)自診斷測(cè)試所獲得的電池后備供電時(shí)間的測(cè)試值不但精度高（小于±3%），而且與用戶的操作和專(zhuān)業(yè)知識(shí)水平無(wú)關(guān)。（5）預(yù)報(bào)電池的完好程度及其變化趨勢(shì)，即測(cè)試電池組的內(nèi)阻（判斷電池好壞的最可靠指標(biāo)是電池的內(nèi)阻，而不是端電壓）。當(dāng)發(fā)現(xiàn)電池的實(shí)用容量下降到原始容量的80%時(shí)，發(fā)出自動(dòng)報(bào)警信號(hào)，提醒用戶盡早檢測(cè)和維護(hù)電池組。（6）自動(dòng)存儲(chǔ)最近30次的電池自診斷測(cè)試結(jié)果，供用戶分析電池性能惡化的發(fā)展趨勢(shì)。

4）過(guò)放電自動(dòng)保護(hù)功能蓄電池過(guò)放電是指當(dāng)蓄電池放電電壓降至最低保護(hù)電壓時(shí)，蓄電池已處于被深度放電的狀態(tài)。造成蓄電池過(guò)放電的原因主要有如下兩個(gè)：（1）蓄電池最低保護(hù)電壓設(shè)置錯(cuò)誤。（2）小負(fù)載、長(zhǎng)時(shí)間、小電流放電。在并機(jī)冗余系統(tǒng)中，由該因素造成的過(guò)放電情形很常見(jiàn)。這是因?yàn)樵谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)UPS的容量就留有一定的余量，而配備蓄電池時(shí)一般要求按滿負(fù)載設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)載往往只能達(dá)到UPS容量的30%左右。根據(jù)這一情況，如果設(shè)計(jì)系統(tǒng)后備時(shí)間為30min，則實(shí)際放電時(shí)間可達(dá)到4h左右，極易造成蓄電池的過(guò)放電。通過(guò)修正相關(guān)設(shè)置可以糾正最低保護(hù)電壓設(shè)置錯(cuò)誤，但解決不了小負(fù)載、長(zhǎng)時(shí)間、小電流放電造成的過(guò)放電問(wèn)題。因此，更為先進(jìn)的保護(hù)方式是UPS可以根據(jù)負(fù)載情況動(dòng)態(tài)調(diào)整蓄電池最低保護(hù)電壓。智能過(guò)放電保護(hù)單元中內(nèi)置的微處理器會(huì)根據(jù)蓄電池的放電電流自動(dòng)調(diào)節(jié)關(guān)斷電壓，保護(hù)蓄電池免受過(guò)放電損壞。

5）后備時(shí)間顯示及低電壓報(bào)警功能當(dāng)UPS由于各種原因切換到由蓄電池供電時(shí)，用戶需要及時(shí)了解系統(tǒng)后備時(shí)間，采取相應(yīng)措施。當(dāng)蓄電池電壓降到最低限度時(shí)，報(bào)警通知用戶，然后自動(dòng)關(guān)機(jī)以防止蓄電池深度放電。蓄電池放電時(shí)，UPS會(huì)根據(jù)蓄電池的類(lèi)型、蓄電池容量、浮充電壓、蓄電池最低放電電壓等信息，結(jié)合當(dāng)前的負(fù)載情況，實(shí)時(shí)計(jì)算蓄電池的后備時(shí)間、電壓過(guò)低的預(yù)警值以及系統(tǒng)關(guān)機(jī)的最低值。計(jì)算每30s更新一次，以消除因負(fù)載變動(dòng)引起的誤差，確保檢測(cè)精度。后備時(shí)間在液晶控制屏上實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到蓄電池預(yù)警低電壓時(shí)，UPS聲音報(bào)警頻率會(huì)加快。蓄電池預(yù)警低電壓和預(yù)警時(shí)間是兩個(gè)獨(dú)立的參數(shù)，預(yù)警時(shí)間可設(shè)。當(dāng)電池可供電時(shí)間少于預(yù)警時(shí)間或電壓低于預(yù)警低電壓時(shí)，均會(huì)報(bào)警。3.2.5

UPS的監(jiān)控由于UPS供電系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性要求較高，因而實(shí)施完備監(jiān)控變得極為重要。對(duì)于UPS供電設(shè)備及環(huán)境進(jìn)行遙測(cè)、遙控、遙信可以提高設(shè)備維護(hù)質(zhì)量，降低運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)保證系統(tǒng)處于良好的運(yùn)行工作狀態(tài)，從而大幅度地提高整機(jī)效率，提高供電管理水平?；谝陨显颍骍PS必須具備一定的監(jiān)控能力。一般UPS都帶有監(jiān)控功能，簡(jiǎn)單監(jiān)控通過(guò)DB－9接頭，用RS232實(shí)現(xiàn)；復(fù)雜和高智能化UPS選用SNMP（SimpleNetworkManagementProtocol）卡進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。以下選取北京凱睿優(yōu)公司的UPS監(jiān)控警報(bào)方案來(lái)說(shuō)明UPS的監(jiān)控功能及其應(yīng)用。1.基于通信協(xié)議的UPS專(zhuān)用短信報(bào)警器通過(guò)智能設(shè)備的串口RS232輸出，可以獲得詳細(xì)的信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是監(jiān)控指標(biāo)多且全面。圖3－12所示是基于通信協(xié)議的短信報(bào)警器的結(jié)構(gòu)示意圖。

UPS短信報(bào)警器簡(jiǎn)單實(shí)用，客戶只需要提供一張手機(jī)卡即可，連線簡(jiǎn)單，功能實(shí)用。它可以實(shí)現(xiàn)三種功能：①UPS狀態(tài)參數(shù)的檢測(cè)和報(bào)警（系統(tǒng)可以自由設(shè)定上下限，一旦輸入電壓、輸出電壓、電池電壓、內(nèi)部溫度等超過(guò)設(shè)定上限或低于下限，立即發(fā)短信報(bào)警）；②UPS運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)和報(bào)警（一旦出現(xiàn)市電斷電、UPS轉(zhuǎn)旁路、內(nèi)部故障、負(fù)載過(guò)載、電池低電位，立即發(fā)短信報(bào)警）；③短信遠(yuǎn)程查詢（短信報(bào)警器提供一個(gè)管理員和五個(gè)報(bào)警手機(jī)號(hào)碼，這些手機(jī)號(hào)碼發(fā)短信“查詢”給短信報(bào)警器，可返回上述監(jiān)控指標(biāo)當(dāng)前狀態(tài)的短信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程了解UPS狀態(tài)的功能）。圖3－12基于通信協(xié)議的短信報(bào)警器的結(jié)構(gòu)示意圖

2.基于監(jiān)控通知郵件的解決方案該系統(tǒng)有多臺(tái)UPS，且每臺(tái)UPS都已有配套網(wǎng)管軟件在監(jiān)控。智能設(shè)備在異常時(shí)往往通過(guò)網(wǎng)管軟件提供郵件通知，也就是將異常原因發(fā)到指定的郵箱。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控此郵箱，將符合條件的郵件內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)成短信，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程報(bào)警。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以同時(shí)監(jiān)控多個(gè)UPS，成本低，監(jiān)控的指標(biāo)多。該系統(tǒng)由短信收發(fā)器CatayouSM3000和郵件監(jiān)控系統(tǒng)軟件SMAP3000組成。該系統(tǒng)的具體功能如表3－3所示。表3－3系統(tǒng)功能表3.局域網(wǎng)內(nèi)多個(gè)UPS監(jiān)控的解決方案當(dāng)有多臺(tái)UPS，且每臺(tái)UPS都能提供通信協(xié)議，并在同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)時(shí)，就可以采用此方案進(jìn)行解決。圖3－13所示為其系統(tǒng)組成圖。表3－4所示是該系統(tǒng)的組成情況。圖3－13基于局域網(wǎng)的UPS的集中監(jiān)控方案的組成結(jié)構(gòu)示意圖該系統(tǒng)是專(zhuān)為局域網(wǎng)內(nèi)多個(gè)UPS設(shè)備設(shè)計(jì)的監(jiān)控方案。UPS的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)等通過(guò)局域網(wǎng)上傳到服務(wù)器，一旦任意一個(gè)被監(jiān)控的UPS出現(xiàn)問(wèn)題，都會(huì)給預(yù)先設(shè)定的手機(jī)發(fā)送短信來(lái)進(jìn)行報(bào)警。該系統(tǒng)可以監(jiān)控每個(gè)UPS的以下指標(biāo)：輸出電壓、輸入電壓、電池電壓、內(nèi)部溫度、市電狀態(tài)、電池狀態(tài)、旁路狀態(tài)、內(nèi)部故障等。授權(quán)管理員在任何時(shí)間發(fā)送短信“查詢”都可以查詢指定的監(jiān)控指標(biāo)。該系統(tǒng)是利用短信來(lái)實(shí)現(xiàn)日常工作中的業(yè)務(wù)管理的，具有先進(jìn)性、便捷性等特點(diǎn)。

EMA3000環(huán)境監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)除了可以監(jiān)控多個(gè)UPS之外，還可以監(jiān)控機(jī)房的精密空調(diào)、環(huán)境溫濕度、漏水、煙霧狀態(tài)、配電狀態(tài)等。4.不在同一局域網(wǎng)內(nèi)多個(gè)UPS監(jiān)控的解決方案該方案是基于廣域網(wǎng)的分散設(shè)備的監(jiān)控方案，適合多個(gè)不在同一局域網(wǎng)內(nèi)的分散的UPS的監(jiān)控。例如，對(duì)分散式移動(dòng)通信基站不間斷電源設(shè)備的監(jiān)控，可采用此方案。該方案系統(tǒng)組成與前述系統(tǒng)所差無(wú)幾，只是在監(jiān)控單元中設(shè)置的是UPS短信報(bào)警器，其主要作用是將各個(gè)UPS的報(bào)警信息通過(guò)短信報(bào)警器上傳到服務(wù)器上，其他設(shè)備沒(méi)有變動(dòng)。該方案的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3－14所示。該方案專(zhuān)門(mén)用于多個(gè)分散設(shè)備的監(jiān)控，也適合無(wú)人值守基站、分散的機(jī)房/庫(kù)房/倉(cāng)庫(kù)、分散的設(shè)備的監(jiān)控。該方案中，短信報(bào)警器實(shí)時(shí)監(jiān)控多個(gè)分散UPS的狀態(tài)，一旦任意一個(gè)被監(jiān)控的UPS發(fā)生問(wèn)題，都會(huì)給預(yù)先設(shè)定的手機(jī)發(fā)送短信來(lái)進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)，每一個(gè)監(jiān)控終端也會(huì)給后臺(tái)監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信息。監(jiān)控中心接收到報(bào)警信息之后，可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)并進(jìn)行聲音報(bào)警，監(jiān)控中心也可以將報(bào)警信息轉(zhuǎn)發(fā)給更多的手機(jī)。圖3－14基于廣域網(wǎng)的分散設(shè)備的監(jiān)控方案的結(jié)構(gòu)示意圖以上各種方案均是考慮具體情況，根據(jù)UPS供電系統(tǒng)的實(shí)際特點(diǎn)設(shè)計(jì)出的可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的檢測(cè)方案。應(yīng)用這些方案可以監(jiān)控UPS的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，并且可以要求維修人員根據(jù)故障快速解決UPS故障，從而可以達(dá)到真正的即使故障也要“不間斷”地供電?，F(xiàn)今是否擁有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的監(jiān)控軟件是選購(gòu)UPS必備的技術(shù)條件，并且UPS監(jiān)控軟件功能的強(qiáng)弱也成為選擇UPS的另一考慮重點(diǎn)。在不久以后將會(huì)有更加智能且功能更加完善的UPS監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并快速處理，以確保系統(tǒng)的高可靠性和始終可用性。3.3逆變器基礎(chǔ)知識(shí)將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的過(guò)程稱為逆變，實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的變換器稱為逆變器。逆變器種類(lèi)繁多，可以從以下幾個(gè)方面對(duì)逆變器進(jìn)行分類(lèi)。（1）按換流方式，可分為有負(fù)載換流式逆變器和自換流式逆變器。前者適用于晶閘管逆變器，而且用于能夠提供超前電流的容性負(fù)載，可利用負(fù)載電壓作為換流電壓，以強(qiáng)制轉(zhuǎn)移逆變電路中導(dǎo)電臂間的電流，然后關(guān)斷導(dǎo)通的晶閘管。但對(duì)于非容性負(fù)載，必須采用自換式流逆變器，即在電路中設(shè)置獨(dú)立的換流電路以強(qiáng)制轉(zhuǎn)移晶閘管間的電流。（2）按直流電源，可分為電壓型逆變器和電流型逆變器。前者直流電壓近于恒定，輸出電壓為交變方波；后者直流電流近于恒定，輸出電流為交變方波。（3）按輸出電流波形，可分為正弦波逆變器和非正弦波逆變器。（4）按交流器件，可分為半控型和全控型兩類(lèi)。前者不具備自關(guān)斷能力，元件在導(dǎo)通后即失去控制作用，普通晶閘管即屬于這一類(lèi)。后者具有自關(guān)斷能力，即元件的導(dǎo)通和關(guān)斷均可由控制極加以控制，故稱為全控型。電力金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（PowerMFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等屬于全控型。通信局（站）使用的逆變器通常屬于自換流式、電