UPS的组成与基本原理

梅兰日兰电子(中国)有限公司第3章冗余备份应急电源技术3.1.1.UPS的基础知识UPS的定义UPS的主要作用UPS的基本组成3.1.2.UPS的基本运行原理正常运行方式电池后备运行方式旁路运行方式维修运行方式目录3.1.1UPS的基础知识UPS的定义UPS是英文UninterruptablePowerSupply的缩写，中文译为“不间断电源”；它是能够实现两路电源之间不间断地相互切换的电气装置；从严格意义上讲，UPS不是一种电源，它不是依靠能量形式的转换来提供电能，它只是提供一种两路电源之间无间断切换的机会，这才是UPS的主要设计思想；UPS的价格之所以昂贵，就是贵在这种不间断切换的特点上page3UPS的定义UPS是电力电子技术的产品：以电力为对象，以电子技术为手段实现控制的技术称为电力电子技术。它的主要任务是利用电力和电子器件实现对电能的控制和转换。–从1956年第一只可控硅（SCR）诞生之日起，即进入了电力电子技术的时代。70年代末期由微电子技术与电力晶体管（GTR）技术相结合，进入了现代电力电子技术的时代。–现代电力电子技术应用于所有的电气工程领域，例如：发电厂的储能设备、直流输电设备、动态无功补偿、电力机车牵引、变频调速电机、不间断电源、开关电源、中高频感应电炉、电视、办公自动化、通讯、汽车自动化、家用电器等等。page43.1.1UPS的基础知识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(DeformingLoads)或污染负载(PollutingLoad);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、银行等和一些重要的用电设备：如计算机、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；这就使得负荷(用电器)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。page53.1.1UPS的基础知识UPS的主要作用——电网中的骚扰（定义）骚扰（disturbance）：任何可能引起装置、设备或系统性能降低或对有生命、无生命的物质产生损害作用的现象；干扰（interference）：由骚扰引起的设备、传输通道或系统性能下降的现象；从严格意义上讲，“骚扰”和“干扰”是两个不同的概念：“骚扰”是一种客观存在的现象；“干扰”是一种在“骚扰”作用下，使敏感设备受到影响时的现象。根据GB4824-1996的标准词汇，选用“骚扰”一词。page63.1.1UPS的基础知识UPS的主要作用——电网中的骚扰停电：短时间的、长时间的...page7骚扰特征主要起因主要后果停电(Poweroutages)间断(Micro-outages)电压完全消失10毫秒。大气条件、切换、故障、电网施工。运行故障和数据丢失(计算机系统)或生产中断(连续处理过程)。停电(Outages)电压在一个周期以上的完全消失：-短时停电：3分钟(70%的停电都小于1秒钟)-长时停电：3分钟大气条件、切换、故障、意外事故、电网施工。视停电持续时间而定，机器停机并危及人身(如电梯)，数据丢失(如计算机系统)或生产中断(如连续处理过程)。3.1.1UPS的基础知识UPS的主要作用——电网中的骚扰电压变化：电压跌落、过电压、欠电压、电压尖峰、三相不平衡...page83.1.1UPS的基础知识UPS的主要作用——电网中的骚扰频率变化：频率波动、过高、过低、闪烁...page9骚扰特征主要起因主要后果频率变化(Frequencyvariations)频率波动(Frequencyfluctuations)频率的不稳定性。典型情况为+5%、-6%(10秒钟时间间隔的平均值)。-发电机组的调整；-发电机组的运行失调；-频率不稳定的电源。这些变化超出了某些仪表和计算机的容限范围(通常为±1%)，因此可能会导致数据的错误或丢失。闪烁(Flicker)由于电压和频率(35Hz)的下降造成照明系统的闪烁。电焊机、电动机、电弧炉、X-光机、激光、电容组。生理骚扰。3.1.1UPS的基础知识UPS的主要作用——电网中的骚扰其它骚扰：高频瞬态冲击、谐波、电磁兼容性...page10骚扰特征主要起因主要后果其它骚扰(Otherdisturbances)高频瞬态(HFtransients)突然、巨大和非常短暂的电压跳变。类似于电压尖峰。大气现象(雷击)和电网切换。破坏设备、加速老化、器件或绝缘故障。极短的持续时间(Shortduration)1微秒幅值1到2kV频率为几十MHz小型感性负载的起动，低压继电器和接触器的重复开、关。稍长的持续时间(Mediumduration)1微秒到100微秒峰值为额定电压的8到10倍，频率为几MHz故障(闪电)或高压开关的切换通过电磁耦合传输到低压系统。较长的持续时间(Longduration)100微秒峰值为额定电压的3到5倍频率为几百KHz)。感性负载停机或高压故障通过电磁耦合传输到低压系统。谐波失真(Harmonicdistortion)非线性负载吸收的谐波电流造成电流和电压的波形失真。25次以上的谐波往往可以忽略不计。带磁芯的电力机械(电动机、空载变压器，等等)、开关电源、电弧炉、变频调速器。设备需增容，温度升高，电容谐振，毁坏变压器，电动机噪声增大。电磁兼容性(EMC)电磁或静电的传导或辐射骚扰。目标是保证低发射率和高抗扰性。电子部件(晶体管，可控硅，二极管)的开关、静电释放。敏感性电子装置的功能失常。3.1.1UPS的基础知识UPS的主要作用——电网中骚扰的解决方案为了消除这些电网中的干扰，制定有关的供电标准：–供电标准EN50160定义了欧洲配电系统中的如下一些正常波动：电压+10%到-15%(每10分钟间隔的平均有效值)，其中每周95%的时间必须在±10%的范围内；频率+4％到-6%，一年中有99.5%的时间在1%的范围内–国家标准《电子计算机场地通用规范》（GB/T-2887-2000）中关于机房供配电要求如下：频率：50Hz，电压：380V／220V，相数：三相五线制或三相四线制／单相三线制：page11计算机房供电允许变化的范围级别项目A级B级C级电压变化(％)-5～+5－10～+7-15～+10频率变化(Hz)-0.2～+0.2-0.5～+0.5-l～+l3.1.1UPS的基础知识UPS的主要作用——电网中骚扰的解决方案为了消除这些电网中的干扰，制定有关的法规，限制用电器对电网造成的扰动，规定用电器给公共电网带来的干扰限值：–国际电工委员会制定的标准IEC1000-3-2,–欧洲标准EN60555-2,–瑞士标准ASE3600，–美国标准IEEE519；–以及国家标准GB12326-90（电能质量－电压允许波动和闪变）、GB/T14549－93（电能质量－公用电网谐波）等。人们用了多年的时间来寻找各种解决办法最后才创造出UPS这样的新型设备,使电网和用电器进行隔离,既避免负载对电网产生干扰,又避免电网中的干扰进入和影响负载。page123.1.1UPS的基础知识UPS的主要作用——电网中的骚扰，各种电气装置解决方案的比较隔离变压器稳压器电源净化器调谐滤波器动态机组铁磁共振UPS电力UPS噪声******电压变化*****频率变化*瞬间间断***断电***谐波****后备时间无有在众多的解决方案中，只有UPS的抗电网干扰的功能最全面、性能最好，因而得到各个领域的广泛应用。page133.1.1UPS的基础知识整流器直流逆变器输入输出UPS输出第二路供电三类供电一类供电第一路供电2.隔离作用：将瞬间间断、谐波、电压波动、频率波动以及电压噪声等电网干扰阻挡在负载之前，即使负载对电网不产生干扰，又使电网中的干扰不影响负载；page14UPS的主要作用1.两路电源之间的无间断相互切换；3.1.1UPS的基础知识UPS220Vac220Vac230Vac240Vac(稳压作用)UPS50Hz50Hz60Hz(稳频作用)(频率变换)4.频率变换作用：输入频率等于或不等于输出频率，如50Hz/50Hz，50Hz/60Hz，包括稳频作用；page15UPS的主要作用3.电压变换作用：输入电压等于或不等于输出电压，如380V/380V，380V/220V，包括稳压作用；3.1.1UPS的基础知识整流器直流逆变器输入输出电池1)和5)是保证对负载供电的连续性；2)、3)和4)是保证对负载供电的质量。page16UPS的主要作用5.提供一定的后备时间：UPS的电池贮存一定的能量，在电网停电或间断时继续供电一段时间来保护负载；后备时间为10分钟、30分钟、60分钟或更长。3.1.1UPS的基础知识如如如如如如如如如如如如如如如如如如如如如如如如如如如如如(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(9)(8)(10)(13)(14)(11)(15)(16)(12)如如如如如如如如如如如如如如如如如如如如如FAHmodem如监控PC机维修旁路市电电网滤波器选件输入配电和保护开关逆变器整流器充电器电池UPS的基本组成page173.1.1UPS的基础知识UPS的基本组成－(1)整流器/充电器将主交流输入电源的交流电压转换成直流电压的变换器。用于：–为逆变器提供电源；–对电池进行充电和浮充电。page183.1.1UPS的基础知识UPS的基本组成－(2)逆变器将直流电压转换成满足严格要求的交流电压的转换器。直流电压–正常情况下来自整流器；–后备期间来自电池。page193.1.1UPS的基础知识UPS的基本组成－(3)电池在市电电网发生下列情况时使UPS继续运行：–市电电网断电；–电网电力的指标超出了UPS允许的容限范围。标准的电池后备时间是从10分钟到30分钟，并且根据需要延长。根据后备时间的不同，电池可装在UPS机柜内或分开的柜体内。page203.1.1UPS的基础知识UPS的基本组成－(4)静态开关用于将负载从逆变器切换到旁路，并且在切换时对负载的供电没有任何中断（因为切换动作是由电子元件而不是机械元件完成的）。以下的任意一种原因都可能导致切换：–UPS自行关机；–超越逆变器容量上限的过载；–内部故障。page213.1.1UPS的基础知识UPS的基本组成－(5)手动维修旁路开关用于在维护时将负载切换到旁路。转换到旁路方式运行不会导致对负载供电的中断，因为转换是通过静态开关进行的。page223.1.1UPS的基础知识UPS的基本组成－(6)市电输入开关、(7)静态旁路输入开关、(8)逆变器输出开关和(9)电池断路器这些置于UPS内的装置在维护期间隔离各种组件；电池短路器提供电池过放电保护、保护整流器/充电器和逆变器免受电池短路的影响。page233.1.1UPS的基础知识UPS的基本组成(10)旁路输入隔离变压器(选件)当负载由旁路供电时提供UPS输入/输出的电气隔离；(11)电压匹配变压器(选件)将电压调节至所需的值。(12)输入谐波滤波器(选件)在主电源输入端，有可能需要在整流器安装谐波滤波器；目的是消除反送回配电系统的谐波电流：谐波电流是由整流器中的二极管或可控硅的开关作用产生的，它是产生电压失真度的原因之一；安装谐波滤波器可以降低配电总线中的电压失真度。将THDU(总谐波电压失真度)控制在允许的水平内；page243.1.1UPS的基础知识UPS的基本组成－(13)内置通信接口板