UPS 基本概念.ppt

1、1,什么是UPS?,中文是“不間斷電源”(uninterruptible power supply) 它是能夠?qū)崿F(xiàn)兩路電源之間無(wú)間斷地相互切換的電氣裝置,有時(shí)人們叫它“不停電電源”，這種說(shuō)法從專業(yè)上來(lái)說(shuō)是不確切的。因 為電源是能夠提供電能、實(shí)現(xiàn)其他能量轉(zhuǎn)換成電能的裝置。UPS不能依靠能量 的轉(zhuǎn)換來(lái)提供電能，因此從嚴(yán)格意義上講，UPS不是一種電源。它只是提供一 種兩路電源之間無(wú)間斷轉(zhuǎn)換的機(jī)會(huì)， 這才是UPS設(shè)計(jì)的主要思想。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。,UPS=CVCF+BAT,2,為什么要使用UPS？,理論上講，供電設(shè)備應(yīng)提供固定幅值和頻率的正弦波電壓（比如低壓配電系

2、統(tǒng)中400V，50Hz）。但實(shí)際的情況是，市電在額定值附近波動(dòng)。在歐洲，EN 50160標(biāo)準(zhǔn)定義了低壓配電系統(tǒng)中正常的電壓波動(dòng)范圍： 電壓 +10%到-15%（一周內(nèi)95%情況下必須在+10%之內(nèi)） 頻率 +4%到-6%（一年內(nèi)99.5%情況下必須在1%之內(nèi)） 電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)摘要 由于供電網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載的復(fù)雜性，以及自然界的雷擊，地電和人為因素的影響，電網(wǎng)供出的交流電存在各種質(zhì)量問題。,3,電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)摘要,4,電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)摘要,5,電網(wǎng)存在的質(zhì)量問題：,6,7,UPS在信息系統(tǒng)中的位置,People(人員) 工作態(tài)度 專業(yè)知識(shí) 操作技能等,Process(流程) 設(shè)備操作流程 組織結(jié)構(gòu)

3、 管理流程等,Information Technology(信息系統(tǒng)) 數(shù)據(jù) 應(yīng)用程序 操作系統(tǒng) 服務(wù)器 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等,Environment(環(huán)境) NCPI,NCPINetwork Critical Physical Infrastructure，即網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵基礎(chǔ)物理設(shè)施。 NCPI包含3個(gè)子系統(tǒng)： 電力供應(yīng)子系統(tǒng) 空調(diào)調(diào)節(jié)子系統(tǒng) IT設(shè)備機(jī)械支撐子系統(tǒng),8,使用UPS的目的,兩路電源之間的無(wú)間斷相互切換,隔離作用,電壓變換作用,頻率變換作用,提供一定的后備時(shí)間,The UPS solution,9,UPS的兩路電源無(wú)間斷相互切換功能,UPS,三類供電,一類供電,M1,M2,輸出,10,UPS

4、的隔離作用,整流器,直流,逆變器,交流輸入,交流輸出,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，既使負(fù)載對(duì)電網(wǎng)不產(chǎn)生干擾，又使電網(wǎng)中的干擾不影響載。,11,UPS的電壓變換作用,輸入,電壓變換,輸出,380V,220V,380V,400V,415V,（穩(wěn)壓作用）,12,UPS的頻率變換作用,50Hz,50Hz,60Hz,400Hz,輸入,頻率變換,輸出,（穩(wěn)頻作用）,13,UPS的后備功能,整流器,逆變器,交流輸入,負(fù)載,電池,UPS帶有電池，貯存一定的能量，一方面在電網(wǎng)停電或發(fā)生間斷時(shí)繼續(xù)供電一段 時(shí)間來(lái)保護(hù)負(fù)載；另一方面在UPS的整流器發(fā)生故障時(shí)使用戶有時(shí)

5、間來(lái)保護(hù)負(fù)載。 按照用戶的要求，后備時(shí)間可以是5分鐘、10分鐘、15分鐘、30分鐘(電池占UPS價(jià) 格的一半)、90分鐘等，甚至更長(zhǎng)。,14,The UPS solution: high quality and availability,15,UPS的分類,動(dòng)態(tài)型（旋轉(zhuǎn)型） 發(fā)電機(jī)+慣性飛輪+直流發(fā)電機(jī)+蓄電池 靜態(tài)型 輸出功率：小功率100KVA 輸出波型：方波（階梯波，準(zhǔn)正玄波） 標(biāo)準(zhǔn)正玄波 輸出相數(shù)：?jiǎn)蜗噍敵觯?20V，50HZ） 三相輸出（380V，50HZ） 功率器件：可控硅（SCR，Silicon Control Rectifier） 功率晶體管（GTR，Giant Transis

6、tor） MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET，Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor） 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor IPM,Intelligent Power Module）,16,UPS的分類,后備時(shí)間：標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型（15分鐘） 長(zhǎng)延時(shí)機(jī)型（2小時(shí)） 逆變頻率：高頻機(jī)（PWM頻率20KHZ不帶隔離變壓器） 工頻機(jī)（PWM頻率10KZH帶工頻輸出變壓器） 功率傳輸調(diào)整方式： 串聯(lián)調(diào)整方式（雙變換在線式負(fù)載功率流經(jīng)兩條串聯(lián)回路） 并聯(lián)調(diào)整方式（在線互動(dòng)式負(fù)載功率流經(jīng)兩條并聯(lián)

7、回路） 串并聯(lián)調(diào)整方式（雙逆變電壓補(bǔ)償在線式負(fù)載功率流經(jīng)串并聯(lián)回路） 控制回路： 模擬控制（模擬信號(hào)+微處理器邏輯功能）（分立元件+小規(guī)模IC） 部分?jǐn)?shù)字控制（部分?jǐn)?shù)字化信號(hào)控制+DSP數(shù)字信號(hào)處理器）（分立元件+中大規(guī)模IC） 全數(shù)字控制（全數(shù)字化信號(hào)控制+雙DSP數(shù)字信號(hào)處理器+門陣列）（大規(guī)模IC+專用IC） 顯示方式： LED顯示（參數(shù)顯示） 中屏LCD顯示（功能及參數(shù)顯示） 大屏LCD觸摸顯示（人性化界面） 運(yùn)行方式： 單機(jī)運(yùn)行 多機(jī)運(yùn)行（主從備份，并聯(lián)運(yùn)行） 技術(shù)發(fā)展方向：（高輸入功率因數(shù)，高變換效率，高輸入電流峰值因數(shù)，全數(shù)字處理控制電路，智能化功率變換器件，專用集成電路，軟開關(guān)

8、技術(shù)） 綜合發(fā)展方向： （高頻化，小型化，智能化，數(shù)字化，網(wǎng)絡(luò)化，人性化，模塊化，大功率化，高可靠性，高可用性，高穩(wěn)定性，遙測(cè)，遙控）,17,動(dòng)態(tài)UPS,這一類UPS使用旋轉(zhuǎn)機(jī)械來(lái)實(shí)現(xiàn)UPS的功能，獲得“旋轉(zhuǎn)逆變器的功能”。 這一類UPS實(shí)際上是將一臺(tái)高度簡(jiǎn)化的 靜態(tài)逆變器與一個(gè)電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)結(jié)合在一起。逆變器濾除市電的騷擾，同時(shí)只控制其輸出電壓的頻率(通常以方波的形式)，并為電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組供電。電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組有時(shí)還會(huì)與飛輪組合在一起。電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生以逆變器輸出頻率為參考的正弦波電壓輸出。,18,靜態(tài)UPS的分類,后備式,在線互動(dòng)式,雙變換在線式,19,后備式,工作原理 大多數(shù)基本類

9、型的備份電源采用離線式或后備式技術(shù)，如上圖表示。如果市電供給交流電源，它直接通過UPS傳輸?shù)剿B接的負(fù)載。電池充電器把輸入的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，維持電池充電。如果市電故障，逆變器將電池的直流電轉(zhuǎn)換成交流電供給負(fù)載。逆變器在大多數(shù)時(shí)間里運(yùn)行在后備方式，充電器僅保持電池充電狀態(tài)的功率。一旦市電出現(xiàn)超出規(guī)定范圍的變化，逆變器從空載到100%負(fù)載供電時(shí)間在幾毫秒之內(nèi)逆變器從電池獲得電能，直到電池耗盡。這種技術(shù)通常稱為“單重轉(zhuǎn)換”，因?yàn)樵谌魏蔚慕o出點(diǎn)，電源僅轉(zhuǎn)換一次。 性能特點(diǎn) 市電利用率高，可達(dá)98%以上。輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波取決于負(fù)載性質(zhì)。輸出能力強(qiáng)，對(duì)負(fù)載電流波峰因數(shù)，浪涌系數(shù)，輸出功率因數(shù)

10、，過載等沒有嚴(yán)格限制。轉(zhuǎn)換時(shí)間一般為4-10ms。 由于它的低成本和高效率，這類UPS是保護(hù)家用計(jì)算機(jī)或備份的獨(dú)立工作站運(yùn)行非關(guān)鍵業(yè)務(wù)或文娛活動(dòng)設(shè)備應(yīng)用的理想產(chǎn)品。 這類的許多產(chǎn)品還包括基本的浪涌保護(hù)，但并不提供任何真正的電源調(diào)節(jié)作用。,20,在線互動(dòng)式,工作原理 在線互動(dòng)式UPS技術(shù)提供相近水平的保護(hù)。同離線式技術(shù)有點(diǎn)相似，在線互動(dòng)式產(chǎn)品采用變壓器或電感器串聯(lián)在市電電源和負(fù)載之間，如圖所示。這種串聯(lián)式電感器提供一定程度的電壓調(diào)節(jié)，使UPS逆變器能夠同輸入電源“相互作用”（互動(dòng)式名稱的由來(lái)）。在多數(shù)情況下，這種“雙向的”轉(zhuǎn)換器是恒定的電壓裝置，它用改變輸出相位角去調(diào)節(jié)負(fù)載的變化，由于相位角不能

11、夠快速變化，需要電池提供功率差，這會(huì)導(dǎo)致電池壽命的減少。在線互動(dòng)式產(chǎn)品的另一個(gè)限制是如果不由電池供電運(yùn)行，它不能完全地使輸入電源隔離負(fù)載。公用電源的干擾、頻率上的干擾和其它電源的異常情況可能直接傳送到關(guān)鍵負(fù)載上，因?yàn)樗皇峭耆碾姎飧綦x。 性能特點(diǎn) 當(dāng)市電存在時(shí)，市電利用率高，可達(dá)98%以上。輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波取決于負(fù)載性質(zhì)。對(duì)負(fù)載電流波峰系數(shù)，浪涌系數(shù)，輸出功率因數(shù)，過載等沒有嚴(yán)格的限制。市電掉電時(shí)，輸出有轉(zhuǎn)換時(shí)間，但比后備式要小。由于它提供基本電壓調(diào)節(jié)和它的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)中包括更先進(jìn)的通信能力，在線互動(dòng)式UPS作為選擇考慮成本-效率因素來(lái)保護(hù)關(guān)鍵的工作站和中小型網(wǎng)絡(luò)配置時(shí)得以應(yīng)用。如果認(rèn)

12、為采用一個(gè)更高級(jí)的集中式電源解決方案不值得的話，它也不失為一種好的解決方案。,21,雙變換在線式,工作原理 對(duì)于大規(guī)模集中式的應(yīng)用，真正在線式或稱雙重轉(zhuǎn)換系統(tǒng)見圖，提供最佳水準(zhǔn)的保護(hù)。在這項(xiàng)技術(shù)中，整流器將交流輸入電源整流成直流電，輸出逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成潔凈的交流供電給關(guān)鍵負(fù)載。連接到直流母線的電池在正常運(yùn)行時(shí)處于浮充電。如果輸入電源超出規(guī)定的范圍，電池提供電源給逆變器和關(guān)鍵負(fù)載。,22,性能特點(diǎn) 將關(guān)鍵負(fù)載和交流輸入完全隔離 。 逆變器總是在向負(fù)載供電：當(dāng)輸入電源中斷時(shí)，輸出電壓沒有瞬時(shí)的下降，因?yàn)槟孀兤骺偺幵谶\(yùn)行的狀態(tài)，并總是由直流輸入供電； 共模噪聲防護(hù)：輸出逆變器通常包括一個(gè)隔離變壓

13、器，這一隔離變壓器可以產(chǎn)生一個(gè)分離的中性線，這樣就使得UPS被電氣隔離，從而對(duì)負(fù)載提供共模噪聲保護(hù)； 市電存在時(shí)，串連的兩個(gè)變換都承擔(dān)100%的負(fù)載功率，所以UPS整機(jī)的效率較低。 由于全部的負(fù)載功率都由逆變器承擔(dān)，因而UPS的輸出能力不理想，對(duì)負(fù)載提出限制條件，如負(fù)載電流峰值系數(shù)，過載能力，輸出功率因數(shù)等。 對(duì)可控硅整流器還存在輸入功率因數(shù)低，無(wú)功損耗大，輸入諧波電流對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染等缺點(diǎn)。,23,UPS用功率器件,1.可控硅（晶閘管）SCR 普通型SCR電壓高達(dá)6000V，電流達(dá)數(shù)千安培，自身電壓降約為1.5V。開通 時(shí)僅需在控制極上加一個(gè)小觸發(fā)脈沖，關(guān)斷電路復(fù)雜，工作頻率不大于500HZ，

14、 主要用做整流器和靜態(tài)開關(guān)。 2.MOSFET晶體管 全控型器件，采用電壓控制，開關(guān)速度快。但其輸入阻抗高，承載能力和工作電 壓較低，多用于電壓為500V以下的低功率高頻率能量變換裝置。 3.BJT（功率GTR）晶體管 開關(guān)時(shí)間長(zhǎng)，自身壓降大，往往要求驅(qū)動(dòng)電路輸出很大的電流，造成較大的功耗。 4.IGBT場(chǎng)效應(yīng)晶體管 IGBT是新發(fā)展起來(lái)的復(fù)合型電力電子器件，既有單極型電壓驅(qū)動(dòng)的MOSFET的 優(yōu)點(diǎn)，又有雙極型器件BJT耐壓高，電流大的優(yōu)點(diǎn)。IGBT的最高電壓為1200V， 最大電流為1000A，工作頻率高達(dá)100KHZ。普遍用于逆變器和斬波器，有的也 用于整流器。,24,UPS的基本組成部件

15、,充電器,逆變器,靜態(tài)開關(guān),電池,25,逆變器,固定頻率斬波 在一個(gè)正弦周期內(nèi)，斬波脈沖的前沿相位總是固定的，脈沖間隔相對(duì)于斬波頻率是均勻的。 通過在固定的時(shí)間間隔內(nèi)調(diào)節(jié)脈沖寬度，來(lái)符合基準(zhǔn)正弦波。圖中的兩條正弦波包絡(luò)線對(duì) 應(yīng)于基準(zhǔn)正弦波的容限范圍 ( 1%) 。,采用IGBT和頻率調(diào)制PWM斬波技術(shù),26,自由頻率斬波 在一個(gè)正弦周期內(nèi)，斬波脈沖的前沿相位是不固定的，脈沖間隔也是不固定的。 斬波頻率適配于調(diào)整的需要，即基準(zhǔn)正弦波形的變化率。當(dāng)基準(zhǔn)正弦波形的變 化率增大時(shí)，斬波頻率增大，斬波脈沖的寬度減?。ㄗ冋?，反之，當(dāng)基準(zhǔn)正 弦波形的變化率減小時(shí)，斬波頻率下降，斬波脈沖的寬度增大（變寬）。

16、在整 個(gè)周期內(nèi)，盡管自由頻率斬波的平均斬波頻率與固定頻率技術(shù)的斬波頻率是相 同的 (大約為幾kHz)，但其調(diào)整性卻更好，因?yàn)閾Q向在正弦波變化率較高的區(qū) 域內(nèi)加速 。,27,Galaxy PW,Galaxy 3000,Galaxy,Comet S31,低頻,高頻,充電器,PFC整流器,28,標(biāo)準(zhǔn)整流器 這是由六只可控硅SCR組成的三相整流橋。 這種類型的整流器吸收n = 6 k 1 (這里的k 為整數(shù)) 次的諧波電流，主要是H5 和H7， H11 和 H13的幅值相對(duì)較小。 利用濾波器可以控制這些諧波對(duì)上線的注入。,“潔凈” PFC (功率因數(shù)校正) 整流器 這種類型的整流器由六只內(nèi)置的IGBT

17、組成的三相整流橋和正弦波調(diào)整系統(tǒng)組成。 這種技術(shù)確保了輸入電壓和輸入電流： 同為完美的正弦波，即不含諧波； 相位相同，即輸入功率因數(shù)接近于1。 有了這種類型的整流器，就不再需要濾波器了。,29,靜態(tài)開關(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 供電沒有任何間斷。容錯(cuò)功能使供電系統(tǒng)在各級(jí)供電發(fā)生 故障的情況下以“低級(jí)”方式運(yùn)行。在維修所必須的時(shí)間內(nèi)， 負(fù)載繼續(xù)得到供電并創(chuàng)造產(chǎn)值。,容錯(cuò)系統(tǒng), 有意識(shí)的逆變器停機(jī)； 過載超過了逆變器限定的能力 (這種切換可以被人為地禁止)； 內(nèi)部故障。,以下的任意一種原因都可能導(dǎo)致自動(dòng)切換：,30,容錯(cuò)功能提高了可用性,31,UPS的儲(chǔ)能技術(shù),UPS需

18、要一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)在市電故障或超限的情況下給逆變器供電。 存儲(chǔ)的能量必須具有如下的特性： 它能立即用來(lái)提供過渡市電的間斷、短期的電壓下降或停電時(shí)的電力； 具有足夠的功率來(lái)為所有負(fù)載供電，即其額定容量等同于UPS系統(tǒng)本身的額定容量； 后備時(shí)間(通常為10分鐘)能適合負(fù)載的需要，并且能持續(xù)到獲得其它的能源 (例如由一臺(tái)發(fā)電機(jī)組提供長(zhǎng)時(shí)間的后備)。,可以使用的儲(chǔ)能技術(shù), 電池： - 密封鉛酸電池， - 開口鉛酸電池， - 鎳鎘電池。 超級(jí)電容； 飛輪： - 傳統(tǒng)飛輪，以低速旋轉(zhuǎn) (每分鐘1500 轉(zhuǎn))并結(jié)合發(fā)電機(jī)組； - 中速 (每分鐘7,000轉(zhuǎn)) 或高速(每分鐘30,000到100,000轉(zhuǎn)) 飛輪。,32,輸入功率因數(shù)和輸出功率因數(shù),輸入功率因數(shù)低時(shí)的危害,視在功率的損失,電纜中的溫度升高,中線電流增大,自污染負(fù)載,損壞電容,變壓器降容(Derating),越高越好,UPS的供電質(zhì)量,線性負(fù)載,非線性負(fù)載,33,對(duì)各種電氣裝置，諧波電流既不會(huì)產(chǎn)生有功功率也不會(huì)產(chǎn)生無(wú)功功率，只是通過焦耳效應(yīng)產(chǎn)生損耗，即轉(zhuǎn)變?yōu)榻苟鸁?ri2)。,3