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第五章UPS第一节UPS发展概述UPS是不间断供电电源系统（UninterruptiblePowerSystem）的英文简称，是能够持续、稳定、不间断向负载供电的一类重要电源设备。从广义上说，UPS包含交流不间断电源系统和直流不间断电源系统。长期以来，电信业已习惯于把交流不间断电源系统称为UPS，故本章讨论的UPS也是界定在的交流不间断电源系统的范围。随着计算机的普及和信息处理技术的不断发展，为了保证计算机的正确运算，控制信号不出现丢失，保证设备的安全运行，人们对供电电源质量提出了越来越严格的要求。计算机类或其他敏感先进仪器设备，除要求供电系统具有连续可靠之外，还要求市电供电系统的输出，保持良好的正弦波形且不带任何干扰。一、市电供电电源质量问题目前，我国市电供电电源质量一般为：电压波动±10%，频率50Hz±0.5Hz，有些地区，还达不到这个标准。而市电电网中接有各式各样的设备，来自外部、内部的各种噪声，又会对电网形成污染或干扰，甚至使电网污染十分严重。这些污染主要有以下几种。（一）电压浪涌电压浪涌是指一个周期或多个周期，电压超过额定电压值的110%。比如重型设备的关机，由于电网中电流突然消失，其线路电感（分布参量）反电势造成电压上升；另一方面，线路电阻上电压降的突然消失，也会造成电压上升。（二）电压尖峰电压尖峰是指在二分之一周至100ms期间内，叠加达6000kV以上的电压脉冲。这主要由雷电、开关操作，电弧式故障和静电放电等因素造成。（三）电压瞬变电压瞬变是指在10ms至100ms期间，叠加在市电电压上达20kV的脉冲电压。它的产生大致和电压尖峰差不多，只是在量上有区别。（四）噪声电压噪声电压是指叠加在工频电压上的低幅度，而频率范围很宽的高频分量。这种现象，在电网中很普遍，它的产生一般是电机电刷打火，继电器动作，广播发射，微波空中传播，电弧焊接，远距离雷电等。（五）过压过压是指超过电网电压正常有效值一定百分比的稳定高电压。一般是由于接线错误，电厂或电站的误调整，附近重型设备关机。对单相电压而言，也可能是由于三相负荷不平衡或者是中线接地不良等原因造成。（六）电压跌落电压跌落是指一个或多个周期电压低于80%～85%额定电压有效值。主要是由于附近重型设备的启动或者电动机类机器启动造成。（七）欠压欠压是指低于正常市电有效值一定百分比的稳定低电压。这主要是由于这负荷而造成电网电压的降低。（八）电源中断电源中断是指超过一周期的无电状态。以上污染或干扰对计算机或其他敏感先进仪器设备所造成的后果不尽相同。如电源中断，可能造成硬件损坏；电压跌落，可能会使硬件提前老化、文件数据受损；过压或欠压、浪涌电压等，可能会损坏驱动器、存储器、逻辑电路，还可能产生不可预料的软件故障；噪声电压和瞬变电压以及电压叠加，可能损坏逻辑电路和文件数据等等。大家都知道，这些污染或干扰，供电电网是较难避免的，而这些污染或干扰对于计算机的动作，对于要求市电输出保持良好正弦波形且不带干扰的设备来说又是十分不利的。为了保证计算机类或其他敏感先进仪器设备的安全运行，为了满足计算机类或其他敏感先进仪器设备，对供电电源质量提出的严格要求，而发展和普及起来的一种新型供电系统（UninterruptiblePowerSystem），称为“不间断电源系统”或“不停电供电系统”，简称UPS。UPS在通信网中的位置如下：图5-1静态UPS框图第二节UPS工作原理一、UPS分类从机械的角度来看，UPS可分为旋转型和静止型两大类。旋转型现已较少使用，不再赘述。目前广泛应用的UPS属于静止型UPS。静止型UPS采用精密的电子元器件，同时利用电池的储能给设备供电。市电正常时将市电转化为化学能储存起来；当市电不正常时，由化学能转化为电能给设备供电。静态UPS的基本框图如下图所示。变压变压逆变器输出市电S1S2S3充电器整流滤波蓄电池图5-2静态UPS框图静态UPS的特点是：（一）当市电中断后，UPS以蓄电池组作为电源继续向负载供电，依据蓄电池组容量的大小，可以供电10分钟至数小时。在此期间，若市电不能恢复，则可以启动柴油发电机代替市电供电。（二）在线式UPS具有稳压和稳频的功能，还可以降低电源的噪声，改善工作条件。目前这种系统的电压稳定度一般小于1%，频率稳定度一般小于0.5%，噪声一般小于80dB。另外，还能抑制和削弱输入电压波形的下陷、尖峰、浪涌、下跌和消除高次谐波等现象。（三）不需要固定地基，可能随移动，工作时没有振动，使用方便，并且有比较完备的保护、报警功能。静态UPS由于具有以上特点，所以发展很快。特别是在大功率晶体管，门极控制开关（GTO）等半导体器器件快速发展的情况下，UPS已发展成为晶体管化的、微机控制的现代UPS。由于静止型UPS可按多种性能特点进行分类，而这些分类方式对于UPS选型应用有着较大的意义，以下对各种UPS分类进行逐一说明：（一）按配电方式分类根据用户的不同配送系统，有三种UPS机型可供用户选择，这种划分与UPS的输出功率有关。图5-3不同配送系统UPS分类1、单进/单出机型：选用此机型时，用户无需考虑UPS输出端的负载均衡分配问题，但必须考虑市电配电的三相均衡带载问题。2、三进/单出机型：此种机型的交流旁路市电输入的相线和中线配置可单相承担UPS额定输出电流的导线截面积，防止三相电压不平衡时中线电流过大。3、三进/三出机型：输入要求同2；另外还要将UPS输出端的负载不平衡度控制在标准规定的范围之内。（二）按工作方式分类从工作方式上讲，静态式UPS分为三类：后备式（OFFLINE）、在线式（ONLINE）和在线互动式（LINEINTERACTIVE）。1、后备式UPS后备式UPS原理框图如下：图5-4后备式UPS原理框图后备式UPS性能如下表：项目后备式UPS容量范围0至几KVA，多为1KVA以下，且多为500VA技术特征多为准方波输出，对市电没有净化功能；逆变器为后备工作方式，掉电转逆变工作有时间间隔结构采用工频变压器来进行能量传递的，电源笨重而且体积大优点价格便宜，结构简单，可靠性高缺点没有净化功能，稳压特性差，掉电切电池有间断时间适用场合只能处理断电问题，仅适合比较简单、不很重要的环境使用，如办公或家用PC，不重要的网上终端等2、在线互动式UPS在线互动式原理框图如下：图5-5在线互动式UPS原理框图在线互动式UPS性能如下表：项目在线互动式UPS容量范围多在5KVA以下技术特征充电器与逆变器合为一体，没有整流环节，输出电压分段调整，工作在后备方式。当输入变压器抽头跳变时，功率单元作为逆变器工作一段时间，弥补继电器跳变过程中的输出供电的间断结构使用工频变压器，电源笨重、体积大优点可靠性较高，结构紧凑，成本较低缺点后备工作方式，净化功能差，掉电切电池有间断时间适用场合能满足大多数的要求，如网上路由器，集线器，终端；办公及家用PC。但不适合大型数据网络中心和其它关键用电领域3、在线式UPS在线式UPS原理框图如下：图5-6在线式原理框图在线式UPS性能如下表：项目在线式UPS容量范围几百伏安到几千伏安（单机）技术特征输出正弦波，逆变器主供电，掉电转电池没有中断时间，对市电进行完全净化结构绝大部分采用的是高频变换技术，能量的变换也都使用的是高频变压器来完成的，体积小、重量轻、噪声低优点对市电完全净化缺点价格比较贵，效率相对较低适用场合提供全面而彻底的保护，10KVA以上UPS大都采用这种技术，适合大型数据网络中心和其它关键用电领域．如服务器及其他重要仪器，设备，控制系统等在实际工作中，可根据负载对输出稳定度、切换时间、输出波形的要求，确定是选择后备式、在线互动式、在线式。在线式UPS的输出稳定度、瞬间响应能力比另外两种强，对非线性负载及感性负载的适应能力也较强。另外如果要使用发电机带短延时UPS，由于发电机的输出电压和频率波动较大，推荐使用在线式。（三）按输出容量分类按输出功率大小可分为中小容量UPS（10kVA及以下）和大容量UPS（10kVA以上）。中小容量UPS包括后备式、在线互动式和在线式；大容量UPS一般为在线式。当设备需求容量大时，可以选用单机容量较大的UPS，也可以选择多台中小容量UPS进行并联冗余实现。但推荐使用单台大容量UPS，因为采用单台容量较大的UPS集中供电方式，不仅有利于集中管理UPS，有效利用电池能量，而且降低了UPS的故障率。二、UPS并机冗余并机包含两层含义：冗余和增容。并机不一定是冗余的，并联的概念才是增容，而冗余的概念则是可靠性。如两台30kVAUPS并联给40kVA负载供电，只能说是这两台实现了并联，但若其中一台因故障而关机，则余下的另一台也会因过载而切换到旁路上去，若负载为15kVA则一台因故停机时，不会切换到旁路上而由另一台UPS继续供电，这就实现了冗余，在实际工作中，应根据实际情况确定并机的目的是冗余还是增加可靠性。现在大型UPS电源MTBF可达20万小时以上，但并不能确保故障率为零，在UPS电源中可采用具有容措功能的冗余配置方案来解决这个问题。因此如何解决好多台UPS电源以同频、同相、同幅运行是实现多台UPS冗余供电的关键。从冗余式配置方案来看，有这样几种方式：主机—从机型“热备份”UPS供电方式；直接并机冗余UPS供电方式；双总线冗余供电方式。（一）主机—从机型“热备份”UPS供电方式这是缘于UPS电源的锁相同步控制技术还未完善到足以保证多台UPS的逆变器电源总是处于同相、同频的跟踪技术下常采用的方案。主机—从机型“热备份”UPS供电方式如下图所示。图5-7主机—从机型“热备份”UPS供电方式上图中，UPS-2中的逆变器电源2一直处于空载状态，只有当UPS-1故障时，UPS-2才承担供电业务。此方式的缺陷在于UPS-2长期处于空载状态，其电池寿命会缩短、容量会下降，且UPS-2得具有阶跃性负载承载能力，无扩容能力。为提高性价比，可采用下图形式。UPS-1、UPS-2作主机使用，而UPS-3作为二者的从机。图5-8三台UPS构成的“热备份”冗余供电系统（二）直接并机冗余供电方式为克服主机—从机型热备份供电系统的弱点，随着UPS控制技术的进步，具有相同额定输出功率的UPS可直接并联而形成冗余供电系统。为保证高质量的并机系统，各电源间必须保持同频、同相，且各机均流。一套设计完善的n+1型并联冗余供电系统应完成以下的控制功能。1、锁相同步调节功能为安全、可靠执行供电的切换，要求逆变输出频率及相位与旁路市电处于严格的锁定状态而且对多台间的相位差进行微调，使相位差尽可能趋于零，从而实现冗余系统锁相同步的完善调节，以防止并联系统出现环流。2、均流调节应保证并机系统均衡承担总电流，因此UPS并机控制电路应对每台UPS的输出电压进行微调，以保持多台UPS电流输出的均衡度。3、选择性脱机跳闸功能并机控制电路应正确判断出哪台UPS单机出现故障，并进行自动操作，向值机人员发出告警信号，以便及时检修。4、非冗余工作状况报警若系统处于非冗余状况，并机控制电路应发出告警，提醒值机人员及时排除故障，恢复冗余供电状态，防止由于负载的变化切换到交流旁路供电系统。5、环流监控环流的出现，将会导致UPS并机系统运行效率下降，加速单机老化，严重时造成向交流旁路系统切换或停止供电。因UPS设计不同，直接并机方案有简单的直接并机方案、主动式的并机方案以及输出端带“总线输出开关”冗余供电设计的直接并机方案。（1）简单的直接并机方案各台UPS只实行与市电的跟踪同步，相互间对相位、电压不进行调节，因此易发生故障。（2）主动式直接并机方案各台UPS只实行与市电的跟踪同步，相互间对相位、电压不进行调整。“1+1”型直接并机方案“1+1”型直接并机方案如下图所示，“1+1”并机板完成调节单机间的相位差，对输出电压进行微调，达到对负载的均衡供电并实行环流管理。图5-9“1+1”型直接并机方案“导航型”UPS直接并机方案“导航型”UPS直接并机方案如下图所示，它与“1+1”型直接并机方案的区别在于将其中一台UPS单机作为具有优先同步跟踪市电的“导航UPS”，其余UPS