大型UPS原理简介

第1-4节大型UPS原理简介N°22020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书目录UPS的基本概念：UPS的定义、UPS的主要作用UPS整流器单元电路：系统组成、电路介绍UPS逆变器单元电路：系统组成、电路介绍UPS静态旁路单元电路：系统组成、电路介绍UPS电池单元电路：系统组成、电路介绍UPS的相关电路：过载保护、并联均流......N°32020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书UPS的主要作用——为什么要使用UPS？随着电子技术的飞速发展，各种各样的用电器越来越多，而这其中的绝大部分都是非线性负载(Non-LinearLoad)：从电网提取电流的波形与电压波形不一致的负载；阻抗随加在其两端的电压而变化的负载；产生谐波电流的负载又称为畸变负载或污染负载。一方面，这些非线性负载给电网带来了大量的谐波以及其它的干扰，使供电的质量越来越坏;另一方面，一些重要的用电部门，如机场、医院、银行数据中心等和一些重要的用电设备：如计算机、服务器、通讯设备等，对供电质量的要求越来越高:不仅要求不停电，还要求电压、频率稳定，还要求波形准确完好。简而言之，需要有一个干净或净化的电源。page3负载与电网供电质量之间的矛盾日趋加深，必须解决。在诸多的解决电源的方案中，UPS是最好的解决方案。一、UPS的基本概念N°42020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书如果只有一路电源(10)(11)主交流输入(6)旁路交流输入(7)去楼宇监控系统去电话网络(14)modem通信接口板(13)监控PC机(5)维修旁路市电电网(12)FAH滤波器(3)电池(9)电池断路器(8)逆变器输出开关输入配电(15)保护开关负载(16)输出配电保护开关(1)整流器充电器(2)逆变器静态开关(4)(10)(11)主交流输入(6)旁路交流输入(7)去楼宇监控系统去电话网络(14)modem通信接口板(13)监控PC机(5)维修旁路(12)FAH滤波器(3)电池(9)电池断路器(8)逆变器输出开关输入配电(15)保护开关(16)输出配电保护开关(1)整流器充电器(2)逆变器静态开关(4)UPS的基本组成一、UPS的基本概念N°52020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书静态开关+6个IGBT逆变器支路(600/800KVA为12个支路)总框图整流器、逆变器、静态旁路和通信接口均使用独立的CUP控制，采用多种总线进行数据交换，降低了各控制电路板之间的兼容性要求，减少了用户的维护成本。逆变器和输出变压器整流器UPS的基本组成一、UPS的基本概念N°62020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书二、整流器单元电路整流器的电路组成：N°72020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书～/=+-+-Q1主交流输入微处理器控制的整流器控制电路板输入断路器、保险滤波电抗器直流/直流转换器整流器/充电器直流滤波电容去逆变器二、整流器单元电路整流器的电路组成：N°82020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书二、整流器单元电路整流器的电压调整：快速调整环节；慢速调整环节。N°92020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书二、整流器单元电路整流器的阈值检测电路：UB：电池电压极限监测。当整流器的调整作用失效时，过高的直流电压会损坏后续的逆变器功率器件和电池组。因此当UB600VDC时，强迫整流器停止运行。IB：充电电流极限监测。过大的充电电流会损坏电池组，并可能产生整流器的过载。通常设置极限充电电流为额定充电电流的2倍，例如密封铅酸电池为0.2C10。FM1：电源1的频率极限监测。通常设计为50Hz±10%，以保证整流后的平均电压在423V～463V范围内(逆变器的最佳运行电压)。UM1：电源1输入电压的下限监测。通常设计为额定电压的-10%，以保证31只～34只12V电池的充电。当选择为额定电压的-15%时，电池只数应少于31只，否则不易充满电池。由于电源1停止瞬间电压变化率较大，因此对停止整流器应做出快速反应，所以UM1与上述三个阈值的处理方式略有不同。ACIA：串行信号接口适配器。用Softtuner由数字总线传送到EEPROM存贮器中进行阈值设定，以便6809微处理器与上述四个参数进行比较。N°102020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书二、整流器单元电路整流器的运行条件（逻辑状态信号）：输入开关Q1闭合；电池开关QF1闭合；输入保险FU1,2,3正常；电池室(柜)环境温度正常；整流器模块温度正常(散热器无过热)；控制电源ALEZ板正常(NoALEZfault)；没有紧急关机的命令(Noemergencyshut-down)；没有整流器停止命令：–用软件停止(Softtuner);–联接到发电机时的手动斜坡停止(Gradualstopongeneratorset);–故障记忆停止(Memorizedfault)；–自诊断故障停止(Auto-teststop)。整流器启动前的充分条件：指前述的四个阈值条件。当所有这些条件都满足时，整流器自动启动(不需要操作任何按键)。反之当这些条件缺少时整流器将自动停止。N°112020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书三、逆变器单元电路逆变器的电路组成：N°122020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书+-i与输出电流自适应的自由频率脉宽调制(PWM)原理有利于：UPS带非线性负载、降低UPS带载时的输出电压失真度、提高UPS的动态特性。i输出电压的再生逆变器输出电压逆变器输出电流滤波前的输出电压滤波后的输出电压三、逆变器单元电路逆变器脉宽调制工作原理N°132020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书三、逆变器单元电路单相逆变器的工作原理：N°142020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书三、逆变器单元电路逆变器脉宽调制工作原理：自由频率的脉宽调制(Free-Frequency-PWM)1.高效率；2.快速的动态响应；3.超强的过载能力；4.100%的非线性负载能力。N°152020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书三、逆变器单元电路逆变器的运行条件：内部处理总线输入：电池电压OK；允许逆变器启动；同步调整命令已发出；逆变器电压跟踪电源2电压；同步调整信号正常；没有切换故障。逻辑状态信号输入：输出保险正常；没有紧急停止命令；控制电源正常(OK)；逆变器支路的保险正常；CROZ时钟正常；逆变器模块温度检测正常；变压器T5温度检测正常。N°162020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书三、逆变器单元电路逆变器的运行条件：没有逆变器的“停止”命令：用软件停止(Softtuner)；用操作面板按键停止(ICOZ1)；用操作面板“强迫”按键停止(ICOZ2)；用外部控制器停止(GTCZ)。没有逆变器的故障记忆：慢速电压调整正常；快速电压调整正常；无逆变支路过载(Thermal-overload)；CROZ板参数设置及校准已完成；没有“复位”命令；内部处理总线输出：逆变器运行正常，输出电压不超限；逆变器没有屏蔽限流(Limitwithmask)。N°172020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书四、静态旁路单元电路静态旁路的电路组成：静态开关电路为负载由逆变器向市电的切换提供了一条电气通路。它通常是由无触点、无机械动作的电子开关制成，主要的功率器件由正反向并联的可控硅SCR组成。N°182020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书四、静态旁路单元电路静态旁路的切换条件(TransferConditions)逆变器与旁路电源2之间进行不间断切换的条件是电压幅值、频率、相位必须一致。电源2是市电电压，受当地供电情况及负载特性的影响，幅值、频率相位(波形)时时刻刻都在变化。为了保证在随机的任意时刻，逆变器与电源2之间的切换总能成功，逆变器产生的正弦波就应与电源2同步，即每时每刻都随着电源2的变化而变化。但如果电源2变化的范围过大，逆变器提供的电源质量和精度就较差，不能被负载所接受，因此根据一般计算机类负载的要求，将这种变化范围定义在：电压幅值：±10%额定电压(380V，400V，415V)；频率幅度：±0.5%～±4%额定频率(50Hz或60Hz)(可按用户要求设定)；相位差：±3°。当电源2电压满足上述条件时，就可以实现逆变器和电源2之间的不间断切换(即重迭切换)；当电源2不满足上述条件时，则逆变器和电源2之间的切换是有间断的或禁止切换。因此上述的三个条件就称之为切换条件。N°192020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书四、静态旁路单元电路静态旁路的切换时序(TransferSequence)电压幅值、频率、相位满足切换条件时：N°202020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书四、静态旁路单元电路静态旁路的切换时序(TransferSequence)电压幅值、频率、相位不满足切换条件时：N°212020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书五、电池单元电路电池单元的电路组成：两极断路器串联的目的：提高直流分断电压(2Px250Vdc)N°222020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书五、电池单元电路电池监测：复合参数监测N°232020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书六、其它相关电路1、UPS过载（短路）的检测：过载检测：在逆变器的输出端（负载侧）进行采样；短路检测：在逆变器支路的末端（变压器之前）进行采样，当负载电流超过1.65In有效值时，以2.33In峰值进行限流，持续1秒钟。Uo2.33In输出限流时，输出电压降低V(t)N°242020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书限流过载10mn1mn1s1,25InIn1,65In2,33InI1.1InUPS的过载能力1.05In-连续工作1.1In-2小時1.25In-10分钟1.35In-3分钟1.65In-1分钟UPS的短路能力以限流方式工作1秒钟六、其它相关电路UPS过载（短路）能力的标度过载或短路特性表示了UPS在极短时间内所允许的最大工作能力：N°252020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书六、其它相关电路2、UPS并联的电路组成：以单相UPS逆变器为例。N°262020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书六、其它相关电路UPS并联的等效电路：R1和R1‘、R2和R2'为电流互感器（电流源）的负载分压电阻，其阻值全部相等，根据电路分析可以得到：公式(1)：ITH＝(I1+I2)/2公式(2)：IEX＝I1-ITH＝ITH-I2＝(I1-I2)/2式中：ITH为理论平均电流IEX为两个电流源之间的不平衡电流或交换电流。UPS并联的工作原理：当由于某种原因使得两个逆变器电流分配不均匀，且I1大于I2时，将有IEX＝I1-I2从逆变器1流向逆变器2，这时逆变器1通过调整电路将减少电流IEX，逆变器2通过调整电路将增加IEX电流，从而使得I1逐渐等于I2，两个逆变器电流分配即趋于动态平衡。N°272020年2月10日数据中心基础设施建设规划建议书六、其它相关电路UPS并联的电路组成：交换电流或不平衡电流以环流的形式出现，对逆变器的影响最终表现为对正弦波输出的幅值及相位的影响，因此调整环节就分成为幅值调整及相位调整两部分。调整是将交换电流Iex分离为有功部分(Active)和无功部分(Reactive)，有功部分即Iexcos用于相位φ的调整，无功部分即Iexsin用于幅值A的调整，角表示理论平均电流ITH与时间(周期)t的夹角。当I1向理论平均电流ITH移动IEX时，I2也向理论平均电流ITH移动-IEX＝I2-ITH，用矢量表示这种移动关系更为明显(如下图所示)。