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UPS不间断电源技术与基础
2019-09-26 15:57:00 来源:365bet在线网址--本站 浏览:196
所谓不间断电源就是当交流电网(市电)输入发生异常或中断时,
它可以继续向负载供电,并能够保证供电质量,使负载供电不受影响。这种供电装置称为不间断电源装置,或者称为不间断供电系统,简称UPS


早期的不间断电源装置是采用柴油(或汽油)发电机一电动机一发电机组来实现电能变换的。后来随着可控硅(晶闸管)
制造工艺的完善、质量的提高和价格的降低,便开始出现了用可控硅作为功率变换主要元件的可控硅不间断电源装置。80年代,
利用具有可控关断能力的巨型功率晶体管来替代可控硅而制成不间断电源,这样既省去了换向电路、减小了体积、提高了效率、
改善了动态性能,也提高了可靠性。近年来,新型的全控型功率半导体器件具有开关速度快、控制和驱动方便等一系列优点。

三)UPS的功能
1、双路电源之间的无间断切换市电和逆变器输出可通过UPS实现无间断切换。
市电
Ps|,s出
2、隔离干扰功能
在UPS中,交流输入电压经整流后,加入逆变器,逆变器对负载供电,这样可将电网电压瞬时间断、谐波、电压波动、
频率波动以及噪声等电网干扰与负载隔离:既可以使负载不干扰电网,又使电网中的干扰不影响负载。

(四)UPS的分类结构
1、动态UPS
市电电动机发电机

|轮
|负
|载
市电
|换流器||DC电动机|AC发电机|负载

.3、电压变换功能
.通过UPS,可以将输入电压变换成需要的电压。
输入——→电压变换—→输出
输入,电压变换一输出
,220V
+220V(稳压作用)
3.0v80V(稳压作用20v,0w
+400V
415V240V
·4、频率变换功能
.通过UPS,可以将输入电压的频率变换成需要的频率。
输入→频率变换→输出输入—→频率变换→输出
+50Hz(稳频作用),50Hz
50Hz zz0。(稳频作用)
*400Hz
400Hz
·5、后备功能
.UPS中的蓄电池,贮存一定的能量,在市电中断时可通过逆变器向负载供电。就位入,整流器|,|地变器]之热标出,


2、静止式UPS静止式(静态)UPS与动态(旋转式)UPS相比较而言,没有电动机、发电机和飞轮之类旋转体,
它通过由功率半导体器件组成的电能变换主电路对电能实现变换。现在人们概念中的UPS均是静止式UPS。对静止型的UPS而言,
人们习惯上按其工作方式进行分类,一类为在线式,一类为后备式。但无论是后备式还是在线式UPS,其基本结构大体相同,
只是在工作方式上和为负载供电的质量上有一定的差异。

(1)在线式UPS在线式UPS由整流滤波电路、逆变器、输出变压器及波器、静态开关、充电电路、蓄电池组和控制监测、
告警及保护电路组成,原理框图如图所示。在线式UPS输出电压波形通常为标准正弦波。央、婴|e始|,喷氨·|、囊出市电整流|
|及滤波器|开关
不t充电||蓄电||控、监测、显示、电路||油组告警及保护电路


(2)从结构上看,后备式UPS与在线式UPS的差别是:没有输入整流滤波器,逆变器只由蓄电池供电,市电正常时,逆变器不工作。输出没有滤波器,输出电压波形一般为方波。市电正常时输出变压器起交流稳压的作用。
UPS输出
逆变器|转换输出变压器
|开关

|充电||蓄电||控制、监测、显示、电路||池组|告警及保护电路

(3)在线式UPS和后备式UPS的比较后备式UPS和在线式UPS虽然其基本结构大致一样,但在市电正常供电时,
在线式UPS的输出较后备式UPS的输出交流电质量好,这主要是说在线式UPS的输出是稳压、稳频的,而后备式UPS最多对输出采取粗稳压而没有稳频等其他处理功能。
不但如此,在市电供电异常、蓄电池组开始向逆变器提供能量时,在线式UPS没有转换时间,后备式UPS是有一定的转换时间的。因此从工作方式和供电质量上看,
市电供电时和市电供电转为蓄电池组提供电能的转换过程,在线式UPS的性能优于后备式。有的后备式UPS的生产厂家加了电网滤波装置,有的在输出变压器上增加了一些抽头,
以实现对输出的简单稳压,使其产品的性能有所改善,但终究和在线式还有一定差距。但后备式UPS的造价低于在线式UPS,因此小容量的后备式UPS也得到了广泛的应用。


(4)三端口式UPS在线式UPS要经过直流变交流和交流变直流的两次电能变换,因而整机效率变低了,可靠性也因变换环节多而下降,
三端式结构UPS则力求通过改变经典式UPS的结构来改善上述不足。
三端口式UPS与在线式UPS相比较,具有整机效率高、可靠性高、抗电磁干扰能力强等一系列优点,但也存在体积大、重宣重、有可闻噪芦、
小容量产品价格偏高等一些缺点。

1、输入电压允许范围:UPS电源生产商根据市电电网的一般变化范围和内部整流电路型式而确定的。若供电电压较稳定且又接近额定值的使用场合可选用输入电压允许范围较窄的UPS,这样有利于提高运行的可靠性;若市电电压不稳定,可将输入电压范围适当放宽,可避免在运行中出现市电供电与逆变器供电的频繁切换。
2、输入功率因数:定义为输入有功功率与视在功率之比。UPS的功率因数低,则与UPS相连接的导线、熔断器、备用发电机组等电力设施的容量都要加大。目前,采用有源功率因数校正的UPS功率因数可达到
0.99以上。
3、输入电流谐波成分:定义为3~39次奇次电流谐波的有效值之和与基波电流有效值之比。在选用三相大功率UPS时要注意此项指标的优劣。输入电流谐波较大,
会对电网造成谐波污染,干扰其它用电设备的正常运行。
4、频率跟踪范围:当交流供电时,UPS的输出频率跟随输入交流频率变化的范围。若UPS只在市电下运行,因市电的频率比较稳定,所以这项指标要求不必过高。
若市电异常时,由油机为UPS供电,则UPS的频率跟踪范围可适当放宽到14%。

5、频率跟踪速率:UPS输出频率跟随交流输入频率变化的快慢,有Hz/S表示。频率跟踪速率快的UPS由逆变切换到旁路时负载断电的可能性会小得多。
6、输出电压稳压精度:指在UPS输入电压下限值测量额定负载时的输出电压,在输入电压上限时测量其空载电压。二者与额定输出电压的差值再与额定电压之比。选择UPS时,此项指标应根据负载的输入电压适应范围而定。
7、输出电压波形失真度:输出电压谐波总体有效值与输出电压有效值之比。一般用失真度仪或电力谐波分析仪直接测得。
8、逆变、旁路切换时间:当逆变器故障或负载出现过载时,UPS将负载切换到旁路由市电供电所用的时间。
9、转换效率:指在额定输入电压、输出额定负载时,输出的有功功率与输入有功功率(不含电池充电功率)之比。
10、输出功率因数:用来衡量UPS对感性、容性等非线性负载的驱动能力。
11、输出电流峰值系数:定义为整流非线性电路脉冲电流的峰值与其其波由渣的右效信之比,衡品UpS对整清非线性命考的亚动能力。

12、过载能力:过载能力主要取决于整流器与逆变器的功率设计余量。衡量的标准是在一定的过载容量下连续运行且不转旁路的最长时间。
13、并机输出电流不均衡度:
14、输出电压不平衡度:考核三相UPS电源在其三相负载不平衡状态下,三相输出电压的不平衡度。此项指标规定在100%不平衡负载下测量。
15、UPS电源的保护功能:包括输出短路保护、输出过载保护、过温保护、电池欠压保护、输出过欠压保护、抗雷击浪涌能力等。

二、不间断电源的构造与组成
*(一)正弦脉宽调制电路
*习惯上人们称对逆变器主电路实施控制的电路为逆变控制电路,而将控制电路对主电路实施的控制方式叫逆变控制方式。逆变控制方式有多种,
但在UPS中所使用的主要有三种。即波形叠加法,脉冲宽度调制(PWM)法、PWM加波形叠加混和法,但用得最广泛的是PWM法中的正弦脉宽调制(SPWM)法。

1、单脉冲PWM所谓单脉冲PWM法,就是用一个矩形波脉冲去等效交流电的半周,再用同样的矩形波脉冲等效交流电的另一个半周,
通过调整矩形波的脉宽来稳定输出电压,通过调整矩形波的中心距离来调整和稳定输出频率。

2、多脉冲PWM多脉冲PWM法就是用多个等宽度矩形脉冲去等效交流的正半周,再用同样多个等宽矩形波脉冲去等效交流电的负半周,
通过矩形波的调整去调整和稳定输出电压,而通过调整矩形脉冲的中心距离来调整和稳定输出频率。
用多脉冲PWM法比较单脉冲PWM法输出所含谐波更容易滤出,但每周期内开关器件通断次数过多会造成控制复杂和过多的能量损耗。

3、SPWM PWM法是在周期不变的条件下,通过改变脉冲波形的宽度来抑制谐波和调节输出电压的大小。而SPWM法就是在PWM法基础上,
使每一个输出电压脉冲在一个特定时间间隔内,能量等效于正弦波在该时间内包含的能量。

用单片计算机产生SPWM波随着微型计算机和微型处理器的发展和应用,原UPS中许多由硬件实现的部分,现在都可以用单片计算机来实现。
根据正半周SPWM波关于限I/2对称的特点,可以只列出四分之一周期的脉冲宽度,其他四分之三周期则通过变换查表方法而从列出的表中获得,这可节省大量的内存空间。

二、单相全桥式逆变器
单相正弦波逆变器电路如图所示。功率开关管VT1~VT4构成全桥电路的两个桥臂,输出电感L与电容C组成高频滤波器。
全桥逆变器的直流供电来自前级DC/DC高频变换器。

三、三相逆变器
三相逆变器电路原理如图(a)所示。从原理图中可以看出其三相输出的任意一相与中性线N的工作方式与半桥式变换电路基本相同。
输出三相电压之间的相位差是通过三相逆变器每个桥臂上功率开关管导通的时间差来决定的。

四、不间断电源系统
UPS通常包括几部分:输入整流滤波电路、功率因数校正电路、蓄电池组、逆变电路、控制电路、静态开关电路、充电电路、监测显示及保护电路等。
1、输入整流滤波电路
UPS中,常用的整流电路有单相不可控和可控整流电路、三相不可控和可控整流电路。滤波器可分为电容输入或电感输入两种。
电容输入滤波器输出电压较高,但要求变压器输出的峰值电流较大,且负载调整率较差。电感输入滤波器输出特性较好,
但需要较大的扼流圈且成本较高。目前UPS中通常采用电容和电感组成的LC滤波器。


五,在转换开关实现v,与v。相互切换时,要求v,与v,最好先实现同步然后再切换。但是,即便是UPS中设置了锁相同步环节,
也很难实现v,与v,的完全同步,于是仍有可能出现切换瞬间的环流或切换瞬间负载端呈现很高的感应电压。
无论是出现环流或负载端呈现高压均可造成转换开关及逆变器的损坏,因此在转换瞬间最好是负载电流过零。
以上两个条件就是实现市电与UPS逆变器输出相互安全转换的条件

(2)不同步切换方式
当交流旁路电源电压与逆变器输出电压之间的相位差超差(一般UPS允许的最大相位差在3.6~15°之间)或上述两种电压间的瞬态电压差过大
(如超过25V以上)时,静态开关逻辑控制电路会发出禁止切换命令。在这种情况下,由市电交流旁路供电至逆变器供电的切换操作只能采取不
同步切换方式,以免在执行切换操作的瞬间因环流过大而引发事故,如烧毁静态开关中的晶闸管或逆变器中的末级驱动晶体管模块。
当UPS从逆变器供电向市电交流旁路供电切换时,是采用
“先断开后接通”的控制方式来执行切换操作的。即先让位于逆变器供电通道上的接触器断开,然后在经过0.2s~0.8s的时间延迟后,
才让处于市电交流旁路通道上的静态开关中的晶闸管导通。因此,当UPS在执行不同步切换操作时,对用户的供电而言,它有可能会叫现0.2s~0.8s的供电中断。

5、静态开关的同步切换和非同步切换(1)同步切换方式
对于采用接触器和电子开关的系统中,从交流旁路供电至逆变器供电切换操作,应先合逆变器的输出接触器,再在电流过零点上将处于交流旁路通道上的静态开关中的晶闸管关断,采用这种“先合后断”的切换控制方式,可以确保上述两种交流电源产生重叠向负载供电的最长时间,被控制在50Hz的半个周波之内(即小于10ms);当由于逆变器故障需关闭逆变器时,由控制电路在向逆变器本身及位于逆变器供电通道上的输出接触器发出“关断”命令信号的同时,也向位于交流旁路通道上的静态开关发出“闭合”
命令。
对于都采用电子式开关的系统中,在满足安全切换条件下进行切换,即满足同步和电流过零两个条件

三、不间断电源的使用与维护
(一)使用方法
当采用单台UPS电源供电时,由于其平均无故障工作时间是个有限值,一般规定在10万小时左右,但这只是平均值,所以还是会发生由于UPS电源本身的故障而中断供电的现象。采用双机热备份的冗余技术可使供电系统的可靠性得到很大的提高。
UPS电源热备份方式分为串联和并联两种方式。

1、双机串联热备份
如图所示为双机串联热备份工作方式。这种串联方式将处于热备份的UPs输出电压连接到主机UPS电源的旁路输入端。
UPS主机正常工作时负担全部负载功率,当UPS主机发生故障时便自动切换到旁路状态,由UPS备机的输出电压通过UPS主机旁路输出继续为负载供电。
当市电中断时,备机与主机都处于电池工作状态,由于UPS主机承担全部负载所以其备用电池先放电到终止电压,而后自动切换到旁路工作状态,
由备用UPs的电池为负载供电。用于双机串联热备份使用中的两台UPS电源的交流输入必须来自同一相交流市电,这样才能使UPS主机正常工作,
而且确保UPS主机在同频率、同相位条件下进行旁路切换。UPS主机逆变器的静态开关是影响串联热备份供电系统可靠性的重要部分,
此静态开关一旦发生故障则主、备用UPs电源均无法为负载供电。

2、双机并联冗余供电
用于这种双机并联中的UPS电源必须具有并机功能,两台UPS电源中的并机控制电路通过并机信号线来调整输出电压的频率、相位及幅度,
使其满足并联输出的要求。这种并联方式主要是为了提高供电系统的可靠性,而不是用于供电系统的扩容。所以这种并联使用方式必须保证供电系统具有50%的冗余度,
也就是负载的总容量不要超过其中一台UPS电源的额定输出容量,当其中一台UPS电源发生故障时,可由另一台UPS电源来承担所有负载的供电。这种两台冗余并联供电的UPS电源,
由于其输出容量只是额定容量的50%,所以两台UPS电源始终在低效率下运行,


3、无并机接口直接并联使用
在单机运行时县有其他普通UPS一样的功能。只要将参与并机的UPS单杭盖好,即可直接并机运行,几台并联的ups可共用一组备用电池。
图(a)是采用并机柜来实现两台UPS的冗余并联,通过并机柜的控制使负载均分。当其中一台UPS发生故障时,全部负载将自动转由另一台UPS供电,
并机柜上具有自动旁路转换功能。
图(b)是主从并联热备份的连接方法。UPS主机承担全部负载供电,备机UPS处于热备份状态,当UPS主机发生故障或市电中断电池放电结束时,
自动切换到备机UPS供电,市电恢复后或主机UPS修复后,自动切换柜将负载自动恢复到由主机UPs供电状态。为了减少切换炭数,可将自动切换
柜设计为无主备工作方式,即先有输出电压的UPS为主机,当主机故障退出系统后,另一台UPS即成为主机,修复后的UPS重新接入系统时自动切换
柜将不再切换,仍保持原有供电状态。


(二)日常维护要求
1、中小容量UPS充电电路
中小容量的UPS电源的备用电池组的电压一般为48V~120V。此种UPS的充电器采用降压充电方法,
如图所示。交流输入电源经过充电器变换后,输出与蓄电池组浮充电压相等的稳定直流电压为蓄电池组充电。
当电池组电压较低时充电器可采用晶闸管或DC/DC斩波变换方式降低并稳定充电电压。由于交流输入电压经整流
滤波后的直流电压高于电池组电压,所以必须在电池组的输出端与直流主回路之间串连二极管或晶闸管,如图中晶闸管D。


2、大中型UPS充电电路
电路如图所示。由于图中的备用电池组电压较高,略低于交流输入经整流滤波后输出的直流电压,所以充电器输入端经二极管整流后,
再通过DC/DC斩波器少最降压后可供电池组充电。这样可使充电电路更为简单,效率也有所提高。如果充电器的输入整流电路采用晶闸管控制,
则充电电路更为简单。当转换为备用电池组供电时,可直接通过二级管或晶闸管D为PWM正弦波逆变器供电。由于电池组电压较高,可与后级正
弦波逆变器输入端有较合适的电压匹配。这种电池组充放电电路简单,效率高。

3、蓄电池维护要求(1)保持环境温度
UPS电源及其备用电池组的周围工作环境温度不宜超过30℃,当电池工作环境温废超过而35C时,由于电池内部损耗增加,电池本身的“存储寿命“将会缩短。解决电池由于工作环境温使过高而缩短使用寿命的最根本方法是在机房配备空调设备,使环境工作温度控制在25C左右。在不具备空调设备的情况下,可采用带有温度补偿的充电器。当采用带有温度补偿的充电器充电时,充电器将按照其内部预先设置的充电电压与环境温度的关系曲线,再根据安装在电池柜中温度传感器所测得的实际环境温度来随时自动地调节充电器的浮充电压值,使电池组在一定温度范围内保持最佳充电状态。
但带有温度补偿的充电器相对地提高了蓄电池的使用寿命,还不能由此根本解决环境温度过高而造成电池实际使用寿命缩短的问题。

(4)定期维护
对于与UPS电源连机开始运行或闲置的电池组一定要定期维护。定期维护主要包括以下两个方面:
首先是对处于长期备用浮充状态的电池组定期进行放电、充电维护。充放电时间间隔一般为6~12个月。
备用电池组的另一种维护是对电池组进行短时间的均衡充电。这是因为电池组在长期的浮充备用状态下或经过多次循环使用后,由于其内部原因会出现端电压、内阻不一致的现象。为了消除这种不均衡现象的故障隐患,进行均衡充电时每个电池的单体电压可充到2.3V~2.4V,充电电流要限制在0.2C以内,在这种均衡充电状态下5个小时左右而后转人正常浮充状态。密封铅酸蓄电池的均衡充电维护应在环境温度为20℃~25℃时进行,至于何时对电池组进行均衡充电,应根据电池组的实际使用情况而定。一般经过均衡充电后电池组中的电压、内阻不平衡现象可得到改善,并可证长由为组的使用寿命

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