UPS电源基础知识及原理

UPS电源基础知识及原理上海久贺科技发展有限公司潘永丰电话：[e-mail]基本公式[欧姆定律]U=I×R电压=电流×电阻（伏特）=（安培）×（欧姆）正弦电流TImax数值大小和方向都按正弦波的规律周而复始循环变化的电流i=Imax(sin2∏ft+∮)正弦电流的三要素：幅值Imax或有效值IrmsIrms=Imax/√2频率f或周期Tf=1/T相角∮三相交流电路对称的三相交流电路有效值相等，频率相等，相位相差120度三相负载星形连接的负载线电压和相电压间的关系是ULL=√3ULN=1.732ULN以市电电压为例，单相电压220V相间电压220×1.73=380V若总负载15KVA（对称负载）则：每相负载15/3=5KVA相电流=5000/220=22.73AL1L2L3N380V380V220V基波与谐波基波：频率f为50HZ的正弦波；谐波：频率为基波的倍数的正弦波—2次谐波f=2*50HZ—3次谐波f=3*50HZ谐波分为电压谐波和电流谐波—电流谐波：主要由非线性负载产生，例如开关电源；晶闸管、整流器等。—电流谐波会导致电压谐波在基波上叠加谐波=》波形会发生畸变基波与谐波无功和高次谐波电流对电网造成的危害：增加电网容量和配置导致电网电压畸变，严重干扰其他用电设备导致变压器等电气设备损耗增大，过热，绝缘老化，降低寿命引起计算机等精密电子设备运行不正常引起异步电机振动加剧，噪声增大对通讯线路、测量线路产生辐射干扰影响电能计量精度。。。。。。。基本概念整流：交流AC直流DC逆变：交流AC直流DC串联并联基础知识视在功率S（单位：VA）指负载从交流电源吸取电流有效值与电源电压有效值的代数乘积。有功功率P（单位：W）指负载从交流电源吸取的全部用以做功消耗的功率。无功功率Q（单位：Var）指在交流电源与负载之间来回转换，但不被负载消耗的那部分功率。功率因数cos∮指负载从交流电源吸取的有功功率与视在功率的比。S=U×ICOS∮=P/SS=P+Q222专业名词UPS的容量指UPS的额定输出规模，通常用VA表示，用以说明UPS额定工作（满载）时输出的视在功率的值。UPS的输入功率因数指UPS作为电网的负载，表现出的功率因数。即UPS从电网吸取的有功功率与视在功率的比。UPS的输出功率因数一般指UPS的有功功率与视在功率之比，其大小由负载性质决定UPS的效率指UPS输出的有功功率在全部输入的有功功率中占的成分，它标志着UPS本身损耗的大小。专业名词输出电压稳定精度指在市电—逆变供电时，当输入电压在设计范围内变化，以及负载在满载负荷内100%变化时，输出电压的变化量与额定值的百分比。负载对此项指标的要求并不高，以计算机类的负载为例，因为机内大多是配置了开关型的直流电源，它容许输入电压在20-30%范围内变化。输出电压波形失真度所谓波形失真度是指计算机输入交流电压中所有高次谐波有效值之和与基波有效值的百分比，数据表明，波形失真度小于10%的情况下就可以满足计算机的要求。输出电压频率稳定精度（电池供电时）UPS输出电压频率的变化量与额定频率（50HZ）的百分比。专业名词输出电压切换时间市电掉电时UPS由市电逆变供电（或市电稳压直接供电）转换为电池逆变供电过程中，UPS的输出可能出现的短时间的断电时间。输出电流峰值系数输出电流峰值与电流基波有效值的比值。典型值为3—4，大小由负载决定。该指标主要用来衡量UPS的输出能力输入电流的谐波成分输入电流的谐波成分形成的输入功率是无功的，它是造成UPS输入功率因数低的一个重要的因数，可对电网电压造成严重污染。频率跟踪速率当市电频率变化时，逆变器工作频率跟踪市电频率变化响应能力。专业名词电压浪涌指一个或多个周期电压超过额定电压值的110%电压尖峰指在二分之一周至100ms期间内叠加的电压脉冲噪声电压是指叠加在工频电压上的低幅度、频率范围很宽的高频分量过压指超出电网电压正常有效值一定百分比的稳定电压电压跌落指一个或多个周期电压低于80%~85%额定电压有效值欠压指低于正常电压有效值一定百分比的稳定低电压电源中断指超过一个周期的无电压状态UPS概念变化UPS(UninterruptablePowerSupply)不间断电源——为重要部门电网掉电提供持续供电保障50-70%都为电源故障，停电占百分之几对于供电质量提出了更高的要求UPS(UninterruptablePowerSystem)产品——系统，高可靠、高性能、高度自动化的供电中心主机运行高效、高可靠、适应性强（电网、负载）高可用性和可维护性很强的网络保护功能UPS分类按电路主结构分类:·后备式·在线互动式·双变换在线式从后备时间分类:·标准机·长效机按输入输出方式分类:·单相输入/单相输出·三相输入/单相输出·三相输入/三相输出从技术结构分:·工频机·高频机从输出容量分类:·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）50KVA·大型（大于50KVA）UPS作用解决公共电网存在的问题：a.实现双路电源的不间断相互切换。b.隔离作用：将瞬间间断、谐波、电压波动、频率波动及电压噪声等电网干扰阻挡在负载之前。c.电压变换/稳压作用。d.频率变换/稳频作用。e.提供一定的后备时间。影响UPS运行的几种市电问题电涌（powersurges）：指输出电压有效值高于额定值110％，而且持续时间达一个或数个周期。电涌主要是由于在电网上连接的大型电气设备关机时，电网因突然卸载而产生的高压。高压尖脉冲（highvoltagespikes）：指峰值达6000v，持续时间从万分之一秒至二分之一周期（10ms）的电压。这主要由于雷击、电弧放电、静态放电或大型电气设备的开关操作而产生。暂态过电压（switchingtransients）：指峰值电压高达20000V，但持续时间界于百万分之一秒至万分之一秒的脉冲电压。其主要原因及可能造成的破坏类似于高压尖脉冲，只是在解决方法上会有区别。电压下陷(powersags）：指市电电压有效值介于额定值的80％至85％之间的低压状态，并且持续时间达一个到数个周期。大型设备开机，大型电动机启动，或大型电力变压器接入都可能造成这种问题。电线噪声（electricallinenoise）：系指射频干扰(RFI)和电磁干扰（EFI）以及其它各种高频干扰。马达的运行、继电器的动作、马达控制器的工作、广播发射、微波辐射、以及电气风暴等，都会引起线噪声干扰。频率偏移（frequencyvariation）：系指市电频率的变化超过3Hz以上。这主要由应急发电机的不稳定运行，或由频率不稳定的电源供电所致。持续低电压（brownout）指市电电压有效值低于额定值，并且持续较长时间。其产生原因包括：大型设备启动和应用、主电力线切换、启动大型电动机、线路过载。影响UPS运行的几种市电现象电压低市电停电谐波干扰频率波动高电压尖峰线路噪声电压波动瞬态尖峰电压浪涌衡量UPS的优劣UPS主机要对电网环境有较强的适应能力要注意UPS对各种负载的适应能力提高电池性能，加强对电池的管理系统配置的灵活性和冗余功能智能化和网络保护能力对UPS硬件系统的考察UPS原理基本分类后备式（off—line）在线互动式（line—interactive）双变换在线式（on—line）后备式（off—line）智能调压充电器DCACVin输出转换开关后备式特点效率高达98%UPS本身不产生附加输入功率因数、谐波电流市电存在，输出能力强存在转换时间（4ms左右），满足一般负载要求电压稳定精度不高输出转换开关，受切换电流能力和动作时间限制，功率做不大在线互动式（line—interactive）输入开关智能调压ACDCVin在线互动式特点效率高达98%UPS本身不产生附加输入功率因数、谐波电流市电存在，输出能力强存在很短的转换时间电压稳定精度不高逆变器同时有充电功能，节省UPS（后备）附加充电器双变换在线式（on—line）VinVout旁路开关（Ⅰ）（Ⅱ）ACACDCDC双变换在线式特点提供高质量的电源市电掉电，无任何转换时间UPS功率余量有限输入功率因数低（THD高）整机效率不高UPS的可靠性与可用性MTBF—平均无故障时间MTTR—故障恢复时间MTBF+MTTR—一个服役周期A—可用性MTBF—即为可靠性，提高A，增大MTBF，减小MTTRMTBFMTTRT（年）A=MTBF/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元器件的选用UPS的拓扑结构UPS的制造工艺并机、冗余技术提高可用性现场维修时间TRUPS管理响应时间TMUPS技术服务系统TS电源系统实现冗余的几种方式单机InputOutputStaticBypassBypassPanel电源系统实现冗余的几种方式隔离冗余方式（串联并机）主输出主机从机维修旁路静态旁路静态旁路维修旁路主输入旁输入主输入隔离冗余方式（串联并机）隔离冗余热备份（即串联冗余）UPS热备份即UPS串联冗余，有主机和从机之分。其基本原理是：主机正常时100%地承担负载电流，故障时由从机提供后备电源。由于备用UPS是在主机旁路处在等待工作状态，故称为热备份。缺点：1．主机静态开关发生故障时，将可能中断整个系统供电，出现瓶颈故障。2．在市电故障，市电超限时，因为UPS封锁旁路，所以主、从机无法切换，造成热备份失效。3．备机长期处于备用状态，电池也长期处于浮充状态，影响电池寿命。4．目前尚无一个简单的方式实现互为热备份。UPSBUPSAUPSA主输入UPSA旁路输入UPSA主输入UPSB旁路输入负载UPSA输出UPSB输出模块式并联电源系统实现冗余的几种方式集中式并联负载并机柜旁路负载UPSA主输入并机柜系统旁路UPSB主输入集中式并联并联冗余方式（一）并联冗余是将多于两台同型号、同功率的UPS，通过并机柜、并机模块或并机板，把输出端并接而成。目的是为了共同分担负载功率，其基本原理是：正常情况下，两台UPS均由逆变器输出，平分负载和电流，当一台UPS故障时，由剩下的一台UPS承担全部负载。三机并联也是常用的一种方式。例：60KVA的负载，三台30KVA并联，一台UPS出现故障，另两台UPS仍然可以承担全部负载，此为N+1并联冗余，还有N+2、+3等。并联冗余的本质，是UPS均分负载。并联冗余方式（二）要实现并联冗余，必须解决以下技术问题：1．各UPS逆变器输出波形保持同相位、同频率；2．各UPS逆变器输出电压一致；3．各UPS必须均分负载；4．UPS故障时能快速脱机。并联冗余的缺点：1．由于要求功率均分，因而调试困难。有些品牌UPS要在满负载运行时调节功率均分。另外：输入、输出线长、线径都是影响均分的因素。2．并机柜系统如发生故障，将中断整个系统供电（瓶颈故障）。采用DSP控制技术，具有高超的冗余并联运行技术（采用DSP技术并机）1．并机运行的UPS独立控制电压与相位，没有公共控制部分，不存在瓶颈故障。2．并机调试非常简单，只须每台UPS参数设置完毕，即可投入并联运行。3．由于采用DSP控制技术，并机运行的每台UPS输出滤形，电压都非常一致，因此并机环流很小。4．多机并联运行，NET90系列最多可达8台并联。5．在并联系统中任意一台UPS故障时，DSP控制技术可以在正弦波的任意一点切换，使故障UPS快速脱机，由其它UPS继续不间断地供电。并联冗余技术的要点说明大功率UPS相位跟踪在±3°，两台UPS并联有可能在相位上相差6°，造成电压差，sin6°=30V，因而在输出端会造成很大的环流，就有可能使逆变器因过载而烧毁。另外，UPS机内各种元件电参数的微小差异也会导致