变电站用逆变电源(UPS)培训教程

第1页共35页UPS教程北京开元浩海科技发展有限公司第2页共35页目录序言.............................................................................................................................3一、简述UPS分类：.........................................................................................................4二、UPS基本结构和功能.................................................................................................62.1整流器...........................................................................................................................62.2逆变器：.......................................................................................................................72.3电池组...........................................................................................................................82.4静态旁路开关................................................................................................................9三、在线式UPS基本工作方式........................................................................................103.1单机工作.....................................................................................................................103.2串联备份.....................................................................................................................123.3并联热备份.................................................................................................................133.4并联冗余工作方式......................................................................................................14四、电力UPS电源..........................................................................................................15五、维护...........................................................................................................................16七、故障诊断及处理.........................................................................................................19六、外置维修旁路使用...................................................................................................21第3页共35页序言UPS（UninterruptiblePowerSystem）-不间断电源系统，通常指的是交流电供电系统。众所周知，UPS技术是随着现代信息技术的发展而逐渐发展和完善的。但是，在交流供电过程中，还存在一些不利于电气设备的因素，诸如：停电、瞬时断电、电压波动、电压浪涌冲击、尖峰脉冲干扰、波形畸变等。对于传统的电器设备，如：白炽灯、电动机，电视机、音响设备等，人们关心的主要是设备安全和长时间停电问题，而对于以秒为单位的停电或干扰，并不在意。但对于以数字电路为基础的信息及计算机类产品来说，大于10ms的断电，会使运行的设备程序中断，数据丢失；电压浪涌的冲击、尖峰干扰等，会造成设备开关电源的损坏、数据错误；甚至电源零、地电压高，也会对数据传输造成障碍。因而，对于现代信息设备而言，UPS除解决不停电的问题外，还要供给负载不间断的、稳定的、无干扰的、完全符合信息工程要求的绿色交流电。所以现代的UPS，不再是单纯的不间断电源系统，而应当是电源保障系统。第4页共35页一、简述UPS分类：根据欧洲电信标准化协会（ETSI）UPS标准EN50091-3的规定，UPS（UninterruptiblePowerSystem）分为三类，即后备式（Passivestandby）、互动式（Lineinteractive）、在线双转换式（Doubleconversion）。后备式UPS是指在市电正常情况下，市电（经过简单滤波、稳压）通过UPS直接供给负载。当市电故障时，才由逆变器（电池组提供能源）向负载供电，因此UPS由市电转为逆变器供电时，会有一个大约几毫秒的中断时间：充电器逆变器转换开关输出输入电池后后后UPS后后后在线双转换式UPS，也称纯在线式UPS。是指在市电正常时，市电的交流电100%经整流器转换为直流电，这个直流经过逆变器变成交流后提供给负载。因为能量经过交-直-交两次转换，故称为双转换。当市电发生故障时，UPS通过电池组向逆变器提供能量，保持负载供电的连续性。因而，无论市电情况如何，负载始终由逆变器供电。从而可以充分保证UPS对负载高稳定、高质量、无中断的供电。UPS输出的交流电，与输入的市电的电压没有关系，电压、频率都是完全隔离的。互动式（Lineinteractive）UPS是介于后备式和在线双转换式UPS之间的一种产品，也称为三端口式UPS，他的基本结构和后备式UPS相似，但具有比后备式UPS更短的切换时间。第5页共35页整流器逆变器电池静态旁路输出输入双转换UPS示意图另外，APCSilcon系列UPS，是互动式UPS的变形，是采用Delta技术的补偿式UPS。补偿逆变器电池组主逆变器补偿线圈补补补UPS补补补后后后后第6页共35页二、UPS基本结构和功能AC/DCDC/AC静态旁路电池组后后后后在线式UPS，输入的是普通市电，输出的是高质量（稳定、无干扰）的交流电。能量在从输入—输出的过程中，经过两次完全的转换。第一次转换为交流直流，是在整流器（AC/DC）中完成的，整流器输入的是交流市电，输出的是直流电。能量的第二次转换是直流—交流，是由逆变器（DC/AC）来完成的。由IGBT(绝缘栅双极晶体管)组成的逆变桥电路，通过SPWM(正弦波脉宽调制)技术，将直流电转换成50HZ标准正弦波的交流电。逆变器的交流输出，使用户得到一个充分保证的、稳定、无干扰的纯正弦波交流电源。在能量的双转接过程中，市电供电中的所有干扰全部被消除。输出的交流电与输入的市电之间，除了能量之间的传递外，在频率、电压等参数上，输入与输出都是没有任何关系。2.1整流器整流器的作用是把交流市电转换为UPS内部直流，此直流除了要满足逆变器工作的需要外，在大功率UPS工作中，还担负着向电池组充电的任务。第7页共35页UPS整流器可分为两类：工频整流器（可控或不可控），高频整流器。工频整流器的建立在普通整流二极管或可控硅的基础上，一般为桥式整流。特点：容量大，可靠行性高，工频（50Hz）工作，工作效率低，输入功率因数低，谐波电流大。高频整流器是建立在BOOST（升压）电路基础上，工作频率高。具有工作效率高，输入功率因数高，输入谐波电流小，体积小的优点，技术指标上具有明显的优势，高频整流器可以把输入功率因数从工频整流器的0.85左右提到0.95以上，输入电流波动从30％左右提到5％以下。另一方面，BOOST电路本身是硬开关电路，在开关管开通瞬间，直流正负之间几乎是短路状态（电感量很小），在开关管关断的瞬间，又会遭遇电感储能电流的冲击。因此，这个电路的可靠性较工频整流器要差。可靠性较工频整流器低，目前超大容量不可作到。2.2逆变器：逆变器是UPS中一个非常重要的部分。逆变器的功能是把UPS内部直流或者后备电池转换成稳定的交流（正弦波）输送给负载。逆变器的性能和可靠性在很大程度上直接影响UPS。目前在线式UPS逆变器主要分为两类：2.2.1工频机的全桥逆变器第8页共35页V+输出隔离变压器2.2.2高频机的半桥串联开关逆变器V+V-2.3电池组在整流器（AC/DC）和逆变器（DC/AC）中间联有蓄电池组。蓄电池组是UPS中能量储备的重要环节。没有蓄电池组的UPS，无法解决断电，交流输入过低等问题，只能起到稳压器的作用。当输入市电正常时，蓄电池处于充电状态。当输入市电断电或输入过低时，整流器输出直流将会消失或过低。这时，蓄电池组立即输出直流，使逆变器的工作不受影响。在这个过程中，逆变器的输出既不会有任何中断，也不会受到影响。事物都是一分为二的，蓄电池组的重要性也正是体现在这里。蓄电池在这个过程中，必须立即供出充足的能量，如果在此时，蓄电池不能立即供出充足的能量，逆变器势必出现中断或输出波型变形，造成严重后果。所以，蓄电池组在UPS中是一个不容忽视的重要环节。第9页共35页2.4静态旁路开关UPS的交流输入和输出之间，装有一个双向可控硅器件构成的静态旁路开关，此开关是UPS的重要组成部分，因为它将UPS的平均无故障时间提高了近（5～7）倍。下面详细介绍它的工作原理及过程。静态旁路开关逆变器静态开关负载2.4.1旁路开关是UPS系统正常供电的最后防线当UPS逆变器出现故障时；当市电停电、电池能量被耗尽时；当UPS严重过载时……，这些时候，静态旁路开关就是UPS正常供电的最后一道防线。静态旁路开关在过载150%时，可以连续工作，一般单次半周波浪涌可达数KA，这是对负载连续供电的最后支撑。因而，保证逆变器-旁路之间顺畅转换，是UPS安全供电的重要环节。2.4.2UPS逆变器旁路转换过程UPS逆变器正常工作时，它跟踪旁路市电和旁路保持相位和频率一致，这时，旁路静态开关是关闭的，逆变器静态开关是开通的，负载由逆变器供电。当UPS出现需要向静态旁路转换的情况时，静态旁路开关立即打开，此时静态旁路开关和逆变器静态旁路开关出现共同导通过程。由于逆变器输出与旁路市电同相位，同频率，静态开关的元器件可控硅本身具有单向导通特性，电流不可能发生倒流，因而两路供电不会出现短路现象。此时，逆变器PWM波开始关断，逆变器第10页共35页供出的电压幅度迅速降低，逆变器的静态开关形成自然关断。可以看出，在这个过程中UPS负载的供电不会有任何中断。反过来，由静态旁路恢复至逆变器的供电也是同样的一个过程。从上述过程中可以看到，双静态开