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UPS不間斷電源技術與基礎
2020-09-26 15:57:00 來源:本站 瀏覽:1462
所謂不間斷電源就是當交流電網(市電)輸入發生異常或中斷時,
它可以繼續向負載供電,并能夠保證供電質量,使負載供電不受影響。這種供電裝置稱為不間斷電源裝置,或者稱為不間斷供電系統,簡稱UPS


早期的不間斷電源裝置是采用柴油(或汽油)發電機一電動機一發電機組來實現電能變換的。后來隨著可控硅(晶閘管)
制造工藝的完善、質量的提高和價格的降低,便開始出現了用可控硅作為功率變換主要元件的可控硅不間斷電源裝置。80年代,
利用具有可控關斷能力的巨型功率晶體管來替代可控硅而制成不間斷電源,這樣既省去了換向電路、減小了體積、提高了效率、
改善了動態性能,也提高了可靠性。近年來,新型的全控型功率半導體器件具有開關速度快、控制和驅動方便等一系列優點。

三)UPS的功能
1、雙路電源之間的無間斷切換市電和逆變器輸出可通過UPS實現無間斷切換。
市電
Ps|,s出
2、隔離干擾功能
在UPS中,交流輸入電壓經整流后,加入逆變器,逆變器對負載供電,這樣可將電網電壓瞬時間斷、諧波、電壓波動、
頻率波動以及噪聲等電網干擾與負載隔離:既可以使負載不干擾電網,又使電網中的干擾不影響負載。

(四)UPS的分類結構
1、動態UPS
市電電動機發電機

|輪
|負
|載
市電
|換流器||DC電動機|AC發電機|負載

.3、電壓變換功能
.通過UPS,可以將輸入電壓變換成需要的電壓。
輸入——→電壓變換—→輸出
輸入,電壓變換一輸出
,220V
+220V(穩壓作用)
3.0v80V(穩壓作用20v,0w
+400V
415V240V
·4、頻率變換功能
.通過UPS,可以將輸入電壓的頻率變換成需要的頻率。
輸入→頻率變換→輸出輸入—→頻率變換→輸出
+50Hz(穩頻作用),50Hz
50Hz zz0。(穩頻作用)
*400Hz
400Hz
·5、后備功能
.UPS中的蓄電池,貯存一定的能量,在市電中斷時可通過逆變器向負載供電。就位入,整流器|,|地變器]之熱標出,


2、靜止式UPS靜止式(靜態)UPS與動態(旋轉式)UPS相比較而言,沒有電動機、發電機和飛輪之類旋轉體,
它通過由功率半導體器件組成的電能變換主電路對電能實現變換。現在人們概念中的UPS均是靜止式UPS。對靜止型的UPS而言,
人們習慣上按其工作方式進行分類,一類為在線式,一類為后備式。但無論是后備式還是在線式UPS,其基本結構大體相同,
只是在工作方式上和為負載供電的質量上有一定的差異。

(1)在線式UPS在線式UPS由整流濾波電路、逆變器、輸出變壓器及波器、靜態開關、充電電路、蓄電池組和控制監測、
告警及保護電路組成,原理框圖如圖所示。在線式UPS輸出電壓波形通常為標準正弦波。央、嬰|e始|,噴氨·|、囊出市電整流|
|及濾波器|開關
不t充電||蓄電||控、監測、顯示、電路||油組告警及保護電路


(2)從結構上看,后備式UPS與在線式UPS的差別是:沒有輸入整流濾波器,逆變器只由蓄電池供電,市電正常時,逆變器不工作。輸出沒有濾波器,輸出電壓波形一般為方波。市電正常時輸出變壓器起交流穩壓的作用。
UPS輸出
逆變器|轉換輸出變壓器
|開關

|充電||蓄電||控制、監測、顯示、電路||池組|告警及保護電路

(3)在線式UPS和后備式UPS的比較后備式UPS和在線式UPS雖然其基本結構大致一樣,但在市電正常供電時,
在線式UPS的輸出較后備式UPS的輸出交流電質量好,這主要是說在線式UPS的輸出是穩壓、穩頻的,而后備式UPS最多對輸出采取粗穩壓而沒有穩頻等其他處理功能。
不但如此,在市電供電異常、蓄電池組開始向逆變器提供能量時,在線式UPS沒有轉換時間,后備式UPS是有一定的轉換時間的。因此從工作方式和供電質量上看,
市電供電時和市電供電轉為蓄電池組提供電能的轉換過程,在線式UPS的性能優于后備式。有的后備式UPS的生產廠家加了電網濾波裝置,有的在輸出變壓器上增加了一些抽頭,
以實現對輸出的簡單穩壓,使其產品的性能有所改善,但終究和在線式還有一定差距。但后備式UPS的造價低于在線式UPS,因此小容量的后備式UPS也得到了廣泛的應用。


(4)三端口式UPS在線式UPS要經過直流變交流和交流變直流的兩次電能變換,因而整機效率變低了,可靠性也因變換環節多而下降,
三端式結構UPS則力求通過改變經典式UPS的結構來改善上述不足。
三端口式UPS與在線式UPS相比較,具有整機效率高、可靠性高、抗電磁干擾能力強等一系列優點,但也存在體積大、重宣重、有可聞噪蘆、
小容量產品價格偏高等一些缺點。

1、輸入電壓允許范圍:UPS電源生產商根據市電電網的一般變化范圍和內部整流電路型式而確定的。若供電電壓較穩定且又接近額定值的使用場合可選用輸入電壓允許范圍較窄的UPS,這樣有利于提高運行的可靠性;若市電電壓不穩定,可將輸入電壓范圍適當放寬,可避免在運行中出現市電供電與逆變器供電的頻繁切換。
2、輸入功率因數:定義為輸入有功功率與視在功率之比。UPS的功率因數低,則與UPS相連接的導線、熔斷器、備用發電機組等電力設施的容量都要加大。目前,采用有源功率因數校正的UPS功率因數可達到
0.99以上。
3、輸入電流諧波成分:定義為3~39次奇次電流諧波的有效值之和與基波電流有效值之比。在選用三相大功率UPS時要注意此項指標的優劣。輸入電流諧波較大,
會對電網造成諧波污染,干擾其它用電設備的正常運行。
4、頻率跟蹤范圍:當交流供電時,UPS的輸出頻率跟隨輸入交流頻率變化的范圍。若UPS只在市電下運行,因市電的頻率比較穩定,所以這項指標要求不必過高。
若市電異常時,由油機為UPS供電,則UPS的頻率跟蹤范圍可適當放寬到14%。

5、頻率跟蹤速率:UPS輸出頻率跟隨交流輸入頻率變化的快慢,有Hz/S表示。頻率跟蹤速率快的UPS由逆變切換到旁路時負載斷電的可能性會小得多。
6、輸出電壓穩壓精度:指在UPS輸入電壓下限值測量額定負載時的輸出電壓,在輸入電壓上限時測量其空載電壓。二者與額定輸出電壓的差值再與額定電壓之比。選擇UPS時,此項指標應根據負載的輸入電壓適應范圍而定。
7、輸出電壓波形失真度:輸出電壓諧波總體有效值與輸出電壓有效值之比。一般用失真度儀或電力諧波分析儀直接測得。
8、逆變、旁路切換時間:當逆變器故障或負載出現過載時,UPS將負載切換到旁路由市電供電所用的時間。
9、轉換效率:指在額定輸入電壓、輸出額定負載時,輸出的有功功率與輸入有功功率(不含電池充電功率)之比。
10、輸出功率因數:用來衡量UPS對感性、容性等非線性負載的驅動能力。
11、輸出電流峰值系數:定義為整流非線性電路脈沖電流的峰值與其其波由渣的右效信之比,衡品UpS對整清非線性命考的亞動能力。

12、過載能力:過載能力主要取決于整流器與逆變器的功率設計余量。衡量的標準是在一定的過載容量下連續運行且不轉旁路的最長時間。
13、并機輸出電流不均衡度:
14、輸出電壓不平衡度:考核三相UPS電源在其三相負載不平衡狀態下,三相輸出電壓的不平衡度。此項指標規定在100%不平衡負載下測量。
15、UPS電源的保護功能:包括輸出短路保護、輸出過載保護、過溫保護、電池欠壓保護、輸出過欠壓保護、抗雷擊浪涌能力等。

二、不間斷電源的構造與組成
*(一)正弦脈寬調制電路
*習慣上人們稱對逆變器主電路實施控制的電路為逆變控制電路,而將控制電路對主電路實施的控制方式叫逆變控制方式。逆變控制方式有多種,
但在UPS中所使用的主要有三種。即波形疊加法,脈沖寬度調制(PWM)法、PWM加波形疊加混和法,但用得最廣泛的是PWM法中的正弦脈寬調制(SPWM)法。

1、單脈沖PWM所謂單脈沖PWM法,就是用一個矩形波脈沖去等效交流電的半周,再用同樣的矩形波脈沖等效交流電的另一個半周,
通過調整矩形波的脈寬來穩定輸出電壓,通過調整矩形波的中心距離來調整和穩定輸出頻率。

2、多脈沖PWM多脈沖PWM法就是用多個等寬度矩形脈沖去等效交流的正半周,再用同樣多個等寬矩形波脈沖去等效交流電的負半周,
通過矩形波的調整去調整和穩定輸出電壓,而通過調整矩形脈沖的中心距離來調整和穩定輸出頻率。
用多脈沖PWM法比較單脈沖PWM法輸出所含諧波更容易濾出,但每周期內開關器件通斷次數過多會造成控制復雜和過多的能量損耗。

3、SPWM PWM法是在周期不變的條件下,通過改變脈沖波形的寬度來抑制諧波和調節輸出電壓的大小。而SPWM法就是在PWM法基礎上,
使每一個輸出電壓脈沖在一個特定時間間隔內,能量等效于正弦波在該時間內包含的能量。

用單片計算機產生SPWM波隨著微型計算機和微型處理器的發展和應用,原UPS中許多由硬件實現的部分,現在都可以用單片計算機來實現。
根據正半周SPWM波關于限I/2對稱的特點,可以只列出四分之一周期的脈沖寬度,其他四分之三周期則通過變換查表方法而從列出的表中獲得,這可節省大量的內存空間。

二、單相全橋式逆變器
單相正弦波逆變器電路如圖所示。功率開關管VT1~VT4構成全橋電路的兩個橋臂,輸出電感L與電容C組成高頻濾波器。
全橋逆變器的直流供電來自前級DC/DC高頻變換器。

三、三相逆變器
三相逆變器電路原理如圖(a)所示。從原理圖中可以看出其三相輸出的任意一相與中性線N的工作方式與半橋式變換電路基本相同。
輸出三相電壓之間的相位差是通過三相逆變器每個橋臂上功率開關管導通的時間差來決定的。

四、不間斷電源系統
UPS通常包括幾部分:輸入整流濾波電路、功率因數校正電路、蓄電池組、逆變電路、控制電路、靜態開關電路、充電電路、監測顯示及保護電路等。
1、輸入整流濾波電路
UPS中,常用的整流電路有單相不可控和可控整流電路、三相不可控和可控整流電路。濾波器可分為電容輸入或電感輸入兩種。
電容輸入濾波器輸出電壓較高,但要求變壓器輸出的峰值電流較大,且負載調整率較差。電感輸入濾波器輸出特性較好,
但需要較大的扼流圈且成本較高。目前UPS中通常采用電容和電感組成的LC濾波器。


五,在轉換開關實現v,與v。相互切換時,要求v,與v,最好先實現同步然后再切換。但是,即便是UPS中設置了鎖相同步環節,
也很難實現v,與v,的完全同步,于是仍有可能出現切換瞬間的環流或切換瞬間負載端呈現很高的感應電壓。
無論是出現環流或負載端呈現高壓均可造成轉換開關及逆變器的損壞,因此在轉換瞬間最好是負載電流過零。
以上兩個條件就是實現市電與UPS逆變器輸出相互安全轉換的條件

(2)不同步切換方式
當交流旁路電源電壓與逆變器輸出電壓之間的相位差超差(一般UPS允許的最大相位差在3.6~15°之間)或上述兩種電壓間的瞬態電壓差過大
(如超過25V以上)時,靜態開關邏輯控制電路會發出禁止切換命令。在這種情況下,由市電交流旁路供電至逆變器供電的切換操作只能采取不
同步切換方式,以免在執行切換操作的瞬間因環流過大而引發事故,如燒毀靜態開關中的晶閘管或逆變器中的末級驅動晶體管模塊。
當UPS從逆變器供電向市電交流旁路供電切換時,是采用
“先斷開后接通”的控制方式來執行切換操作的。即先讓位于逆變器供電通道上的接觸器斷開,然后在經過0.2s~0.8s的時間延遲后,
才讓處于市電交流旁路通道上的靜態開關中的晶閘管導通。因此,當UPS在執行不同步切換操作時,對用戶的供電而言,它有可能會叫現0.2s~0.8s的供電中斷。

5、靜態開關的同步切換和非同步切換(1)同步切換方式
對于采用接觸器和電子開關的系統中,從交流旁路供電至逆變器供電切換操作,應先合逆變器的輸出接觸器,再在電流過零點上將處于交流旁路通道上的靜態開關中的晶閘管關斷,采用這種“先合后斷”的切換控制方式,可以確保上述兩種交流電源產生重疊向負載供電的最長時間,被控制在50Hz的半個周波之內(即小于10ms);當由于逆變器故障需關閉逆變器時,由控制電路在向逆變器本身及位于逆變器供電通道上的輸出接觸器發出“關斷”命令信號的同時,也向位于交流旁路通道上的靜態開關發出“閉合”
命令。
對于都采用電子式開關的系統中,在滿足安全切換條件下進行切換,即滿足同步和電流過零兩個條件

三、不間斷電源的使用與維護
(一)使用方法
當采用單臺UPS電源供電時,由于其平均無故障工作時間是個有限值,一般規定在10萬小時左右,但這只是平均值,所以還是會發生由于UPS電源本身的故障而中斷供電的現象。采用雙機熱備份的冗余技術可使供電系統的可靠性得到很大的提高。
UPS電源熱備份方式分為串聯和并聯兩種方式。

1、雙機串聯熱備份
如圖所示為雙機串聯熱備份工作方式。這種串聯方式將處于熱備份的UPs輸出電壓連接到主機UPS電源的旁路輸入端。
UPS主機正常工作時負擔全部負載功率,當UPS主機發生故障時便自動切換到旁路狀態,由UPS備機的輸出電壓通過UPS主機旁路輸出繼續為負載供電。
當市電中斷時,備機與主機都處于電池工作狀態,由于UPS主機承擔全部負載所以其備用電池先放電到終止電壓,而后自動切換到旁路工作狀態,
由備用UPs的電池為負載供電。用于雙機串聯熱備份使用中的兩臺UPS電源的交流輸入必須來自同一相交流市電,這樣才能使UPS主機正常工作,
而且確保UPS主機在同頻率、同相位條件下進行旁路切換。UPS主機逆變器的靜態開關是影響串聯熱備份供電系統可靠性的重要部分,
此靜態開關一旦發生故障則主、備用UPs電源均無法為負載供電。

2、雙機并聯冗余供電
用于這種雙機并聯中的UPS電源必須具有并機功能,兩臺UPS電源中的并機控制電路通過并機信號線來調整輸出電壓的頻率、相位及幅度,
使其滿足并聯輸出的要求。這種并聯方式主要是為了提高供電系統的可靠性,而不是用于供電系統的擴容。所以這種并聯使用方式必須保證供電系統具有50%的冗余度,
也就是負載的總容量不要超過其中一臺UPS電源的額定輸出容量,當其中一臺UPS電源發生故障時,可由另一臺UPS電源來承擔所有負載的供電。這種兩臺冗余并聯供電的UPS電源,
由于其輸出容量只是額定容量的50%,所以兩臺UPS電源始終在低效率下運行,


3、無并機接口直接并聯使用
在單機運行時縣有其他普通UPS一樣的功能。只要將參與并機的UPS單杭蓋好,即可直接并機運行,幾臺并聯的ups可共用一組備用電池。
圖(a)是采用并機柜來實現兩臺UPS的冗余并聯,通過并機柜的控制使負載均分。當其中一臺UPS發生故障時,全部負載將自動轉由另一臺UPS供電,
并機柜上具有自動旁路轉換功能。
圖(b)是主從并聯熱備份的連接方法。UPS主機承擔全部負載供電,備機UPS處于熱備份狀態,當UPS主機發生故障或市電中斷電池放電結束時,
自動切換到備機UPS供電,市電恢復后或主機UPS修復后,自動切換柜將負載自動恢復到由主機UPs供電狀態。為了減少切換炭數,可將自動切換
柜設計為無主備工作方式,即先有輸出電壓的UPS為主機,當主機故障退出系統后,另一臺UPS即成為主機,修復后的UPS重新接入系統時自動切換
柜將不再切換,仍保持原有供電狀態。


(二)日常維護要求
1、中小容量UPS充電電路
中小容量的UPS電源的備用電池組的電壓一般為48V~120V。此種UPS的充電器采用降壓充電方法,
如圖所示。交流輸入電源經過充電器變換后,輸出與蓄電池組浮充電壓相等的穩定直流電壓為蓄電池組充電。
當電池組電壓較低時充電器可采用晶閘管或DC/DC斬波變換方式降低并穩定充電電壓。由于交流輸入電壓經整流
濾波后的直流電壓高于電池組電壓,所以必須在電池組的輸出端與直流主回路之間串連二極管或晶閘管,如圖中晶閘管D。


2、大中型UPS充電電路
電路如圖所示。由于圖中的備用電池組電壓較高,略低于交流輸入經整流濾波后輸出的直流電壓,所以充電器輸入端經二極管整流后,
再通過DC/DC斬波器少最降壓后可供電池組充電。這樣可使充電電路更為簡單,效率也有所提高。如果充電器的輸入整流電路采用晶閘管控制,
則充電電路更為簡單。當轉換為備用電池組供電時,可直接通過二級管或晶閘管D為PWM正弦波逆變器供電。由于電池組電壓較高,可與后級正
弦波逆變器輸入端有較合適的電壓匹配。這種電池組充放電電路簡單,效率高。

3、蓄電池維護要求(1)保持環境溫度
UPS電源及其備用電池組的周圍工作環境溫度不宜超過30℃,當電池工作環境溫廢超過而35C時,由于電池內部損耗增加,電池本身的“存儲壽命“將會縮短。解決電池由于工作環境溫使過高而縮短使用壽命的最根本方法是在機房配備空調設備,使環境工作溫度控制在25C左右。在不具備空調設備的情況下,可采用帶有溫度補償的充電器。當采用帶有溫度補償的充電器充電時,充電器將按照其內部預先設置的充電電壓與環境溫度的關系曲線,再根據安裝在電池柜中溫度傳感器所測得的實際環境溫度來隨時自動地調節充電器的浮充電壓值,使電池組在一定溫度范圍內保持最佳充電狀態。
但帶有溫度補償的充電器相對地提高了蓄電池的使用壽命,還不能由此根本解決環境溫度過高而造成電池實際使用壽命縮短的問題。

(4)定期維護
對于與UPS電源連機開始運行或閑置的電池組一定要定期維護。定期維護主要包括以下兩個方面:
首先是對處于長期備用浮充狀態的電池組定期進行放電、充電維護。充放電時間間隔一般為6~12個月。
備用電池組的另一種維護是對電池組進行短時間的均衡充電。這是因為電池組在長期的浮充備用狀態下或經過多次循環使用后,由于其內部原因會出現端電壓、內阻不一致的現象。為了消除這種不均衡現象的故障隱患,進行均衡充電時每個電池的單體電壓可充到2.3V~2.4V,充電電流要限制在0.2C以內,在這種均衡充電狀態下5個小時左右而后轉人正常浮充狀態。密封鉛酸蓄電池的均衡充電維護應在環境溫度為20℃~25℃時進行,至于何時對電池組進行均衡充電,應根據電池組的實際使用情況而定。一般經過均衡充電后電池組中的電壓、內阻不平衡現象可得到改善,并可證長由為組的使用壽命

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