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UPS 本章內容 UPS發(fā)展概述UPS分類 各種UPS方框圖以及主要性能和技術指標UPS逆變工作原理及主要電路技術UPS操作UPS電源供電系統的配置形式UPS日常維護 本章重點 難點 本章重點UPS分類 各種UPS方框圖以及主要性能和技術指標UPS電源供電系統的配置形式本章難點UPS逆變工作原理及主要電路技術 本章的目的和要求 掌握UPS分類 各種UPS方框圖 理解UPS主要性能和技術指標 掌握UPS電源供電系統的配置形式 理解UPS操作和UPS日常維護 了解UPS的發(fā)展歷史及趨勢 UPS組成 UPS的內容提要 1 UPS逆變工作原理及主要技術 2 UPS操作 3 UPS日常維護 5 UPS電源供電系統的配置形式 4 討論題 6 目前市電存在的一些問題 市電中斷 市電中斷通常是指市電輸出零電壓 并持續(xù)兩個周期以上 市電中斷的原因主要有配電空氣開關跳閘 供電回路短路 電源設備故障等等 電壓浪涌 電壓高于110 額定值且持續(xù)一個或多個周波稱為電壓浪涌 大功率用電設備的退出或者電網受雷擊干擾均可能造成電壓浪涌 電壓波形下陷 但電源電壓低于80 85 額定值且持續(xù)一個或多個周波稱為電壓波形下陷 通常是由大功率用電設備的啟很沖擊造成 高壓尖脈沖 由閃電 電子開關 電焊設備 靜電放電等原因造成 高壓脈沖峰值電壓可高達6000V 持續(xù)時間一般為0 5 5個周波 瞬態(tài)高壓 通常由雷電 電子開關 電焊設備 靜電放電等原因引起 電壓峰值高達20000V 持續(xù)時間為0 5 5個周波諧波干擾 由整流設備 電動機 繼電器 通信設備 電焊機等產生的RFIEMI 頻率漂移 頻率漂移是指電源的頻率不能穩(wěn)定在額定值 而是在額定值附近波動 企業(yè)備用發(fā)電機組和小型水電站輸出的交流電源經常會出現頻率漂移的現象 持續(xù)高低壓 電網持續(xù)高壓或者是持續(xù)低壓主要是由于電網變壓器或者是電力線路容量有限 且電網變壓器性能不佳 電網負荷過大或者是電網負荷過小的原因造成 7 1UPS發(fā)展概述 UPS的發(fā)展經歷了初期的旋轉型 60年代可控硅靜止型 80年代巨型功率晶體管 UR 靜止型 到了90年代絕緣柵雙極晶體管 IGBT 制成的UPS 其技術性能在不斷提高 在通信電源系統中的地位和重要性也在逐步提高 現在已經成為通信電源日常維護的一個重點 7 1UPS組成 UPS在市電供電時 系統輸出無干擾工頻交流電 當市電掉電時 UPS系統由蓄電池通過逆變供電 輸出工頻交流電 UPS由整流模塊 逆變器 蓄電池 靜態(tài)開關等部件組成 除此還有間接向負載提供市電 備用電源 的旁路裝置 7 1 7 2 1UPS分類 按輸入輸出相數分 單進單出 三進單出和三進三出UPS 按功率等級分 微型 3KVA 小型 3KVA 10KVA 中型 10KVA 100KVA 和大型 100KVA 按電路結構形式分 有后備式 在線互動式 三端口式 單變換式 在線式等 按輸出波形的不同分 可分為方波和正弦波二種 7 2 2UPS方框圖 現在的UPS電源工業(yè) 可向用戶提供如下幾種類型的UPS電源品種 1 后備式UPS2 在線互動式UPS3 三端式UPS4 雙變換在線式UPS5 Delta變換型UPS 1 后備式UPS 特點 結構簡單 價格便宜 噪聲低 但絕大部分時間 負載得到的是稍加穩(wěn)壓處理過的 低質量 正弦波電源 2 在線互動式UPS 特點 市電供電正常時 負載得到的是一路穩(wěn)壓精度很差的市電電源 市電不正常時 逆變器 充電器模塊將從原來的充電工作方式轉入逆變工作方式 這時由蓄電池提供直流能量 經逆變 正弦波脈寬調制向負載送出穩(wěn)定的正弦波交變電源 3 三端式UPS 特點 為雙磁分路結構 每個初級繞組和次級繞組都有一個磁分路 并接電容可與每一個磁路組成LC諧振回路 當達到諧振點時 構成飽和電感 使次級工作于飽和區(qū) 若初級輸入電壓變化時 次級輸出電壓恒定不變 實現了穩(wěn)壓的目的 4 雙變換在線式UPS 特點 克服了市電質量差對其性能的影響 市電中斷時 負載不會發(fā)生電源瞬時中斷 5 Delta變換型UPS 特點 成功地將串聯交流穩(wěn)壓控制技術與脈寬調制技術相結合 共有四條供電通道向用戶的負載供電 7 2 3主要性能和技術指標 輸入特性輸出特性保護性能 輸入特性 1 輸入電壓范圍指保證UPS不轉入電池逆變供電的市電電壓范圍 在此電壓范圍內 逆變器 負載 電流由市電提供 而不是電池提供 輸入電壓范圍越寬 UPS電池放電的可能性減小 這有益于電池使用壽命的延長 目前UPS輸入電壓范圍一般為 15 10 Ue之間 2 頻率輸入范圍指UPS能自動跟蹤市電 保持輸出電壓與輸入電壓同步的頻率范圍 UPS的輸入頻率范圍一般為50 5 Hz YD T1095 2000規(guī)定UPS的輸入頻率范圍為50 4 Hz 輸入特性 3 輸入功率因數輸入功率因數高低是衡量是否對電網存在污染的一個重要電性能指標 輸入功率因數低時 不僅在吸取有功功率的同時 還要吸收無功功率 其結果增大了系統配電容量 影響系統供電質量 4 輸入電流諧波因為可控硅的關斷和開通 UPS的輸入電流中含有豐富的諧波成分 它形成輸入的無功功率 是造成UPS輸入功率因數低的一個重要因素 因此在電路設計時 有的UPS加入了PFC電路 輸入特性 5 輸入頻率范圍指UPS能自動跟蹤市電 保持輸出電壓與輸入電壓同步的頻率范圍 UPS輸出電壓對輸入電壓的跟蹤主要是為了保證UPS在必須時能夠順利地進行旁路切換 避免由于輸入輸出電壓相差過大引起逆變器模塊電源和交流旁路電源間出現很大的環(huán)流而損害 6 頻率跟蹤速率指UPS在一秒鐘內能夠完成的輸出頻率變化范圍 頻率跟蹤速度可以表征UPS對輸入頻率變化的適應能力 特別是在柴油發(fā)電機供電的時候 由于柴油發(fā)電機的頻率穩(wěn)定度不是很好 如果UPS的頻率跟蹤速率過低 UPS就會出現頻率不同步告警 控制電路就會禁止UPS進行旁路切換 輸出特性 1 輸出電壓波形失真度指UPS輸出波形中諧波分量所占的比率 常見的波形失真有 削頂 毛刺 畸變等 失真度越小 對負載可能造成的干擾或破壞就越小 2 輸出電壓穩(wěn)壓精度指市電 逆變供電時 當輸入電壓在設計范圍內 負載在滿負荷內100 變化時 輸出電壓的變化量與額定值的百分比 輸出電壓穩(wěn)定程度越高 UPS輸出電壓的波動范圍越小 也就是電壓精度越高 3 輸出功率因數指UPS輸出端的功率因數 表示帶非線性負載能力的強弱 負載功率因數低時 所吸收的無功功率就大 將增加UPS的損耗 影響可靠性 輸出特性 4 輸出電流峰值因數指UPS輸出所能達到的峰值電流與平均電流之比 一般峰值因數越高 UPS所能承受的負載沖擊電流越大 5 三相不平衡能力對于三進三出的UPS來說 若出現三相的每一相電流不一致 就會造成輸出電壓的不平衡 具有100 負載不平衡能力的UPS 表示該UPS允許一相輸出帶滿載 而其他兩相空載 6 UPS輸出效率指UPS的輸出有功功率與輸入有功功率之比 UPS的輸出效率越高 表示內部損耗越小 反之則表示UPS本身功耗大 增大機房的空調負荷 此外輸出效率低有可能使電池供電時間變短 保護性能 1 輸入保護特性指交流輸入過壓 欠壓保護 輸入頻率過高 過低保護等 當輸入電壓失真度過大 UPS會進入輸入保護模式 對于三相輸入的UPS 還有輸入錯相保護 缺相保護等 2 輸出過壓 欠壓保護特性指當UPS逆變單元出現故障時 UPS的輸出電壓超出允許的范圍而產生的保護動作 3 輸出過載 短路保護指當UPS輸出回路中出現短路故障或長時間出現過載現象 為了保護UPS的自身安全 通過控制電路將UPS切換到旁路工作模式的保護動作 保護性能 4 電池低壓保護電池容量的大小直接決定UPS在交流停電時能夠保證不間斷輸出的時間長短 因此電池適時的發(fā)出電池低壓告警可以使維護人員能夠了解當前電池的剩余容量和后備保障時間 采取相應的應急措施 一旦電池電壓達到保護值 為保護電池免于過放電造成的永久損傷 UPS就會關閉輸出 5 UPS的其他保護性能UPS為了保證自身系統的安全工作 另有許多的故障監(jiān)測點和相應的告警信息 如器件高溫告警 風扇故障告警 熔絲熔斷告警 整流模塊故障告警 逆變模塊故障告警等 7 3UPS逆變工作原理及主要技術 7 3 1逆變電路7 3 2靜態(tài)開關和鎖相電路 7 3 1逆變電路 逆變器 逆變電路 是開關電源和UPS的核心裝置 逆變電路普通的原理結構1 單相逆變電路2 正弦波逆變電路 1 單相逆變電路 有推挽式 半橋式 全橋式等 均用于中小型UPS系統 下面介紹脈寬調制型全橋逆變器 全橋式逆變電路 全橋式逆變電路工作原理 功率晶體管由基極驅動電路提供激勵信號 VT1 VT4和VT2 VT3在分別獲得激勵信號后 進入輪流導通或截止狀態(tài) 從而在變壓器初級和次級分別產生交流電壓u1和u2 經過L C濾波電路的作用使負載取得正弦電壓 逆變電路輸出電壓中除了基波外還含有一定的諧波成分 若要得到正弦輸出電壓 在次級輸出電路中 必須設置濾波器 UPS交流濾波器的性能 1 使輸出電壓中單次諧波含量和總諧波含量降到指標允許的范圍內 2 在三相條件下使輸出電壓不平衡度符合規(guī)定范圍 3 使負載變化引起的輸出電壓波動小 且滿足動態(tài)指標 同時要重量輕 體積小 2 正弦波逆變電路 大多數情況 我們希望UPS輸出50HZ正弦交流電 所以要求其逆變電路為正弦波逆變電路 逆變電路實現輸出為正弦的方法很多 主要有以下三種 1 階梯波逆變器 2 多脈沖調制逆變器 3 正弦脈寬調制 SPWM 逆變器 1 階梯波逆變器 由于逆變電路得到矩形波相對容易 利用不同相位的矩形波疊加的方式得到一個近似正弦波的階梯波 階梯越多 其所含正弦分量就越多 矩形波疊加組成階梯波示意圖 2 多脈沖調制逆變器 基本原理是用一組等高不等寬的矩形脈沖等效正弦波 具體方法是將正弦波沿橫軸分割為若干等分 每一個等分包含的正弦面積用一個相同面積的矩形波來代替 這些矩形波組成的半個周期波形便與半個周期正弦波等效 半周期內矩形波所組成的波形與等效的正弦波示意圖 3 正弦脈寬調制 SPWM 逆變器 這種方法是通過頻率較高的等幅三角波 載波 與可調幅度的50Hz的正弦波組合 產生與正弦波等效的而脈沖寬度不等的矩形波 稱為正弦調制 正弦調制法與三角波的合成波 7 3 2靜態(tài)開關和鎖相電路 1 靜態(tài)開關2 鎖相電路 1 靜態(tài)開關 為防止切換時間造成瞬間供電中斷并產生繼電器觸點拉弧打火等現象 在大功率UPS供電系統及切換過程中 采用靜態(tài)開關作為切換元件 UPS供電系統中常用的兩種連接方式 即轉換型和并機型 目前單機型的UPS靜態(tài)開關一般采用轉換型 而可并機UPS的靜態(tài)開關有的采用并機型 轉換型連接方式 基本工作原理 在圖 a 中 繼電器作為逆變的切換開關 交流旁路用靜態(tài)開關作為切換器件 在由交流旁路供電切換為逆變器供電時 先吸合繼電器然后封鎖晶閘管的觸發(fā)信號 此時由交流旁路和逆變器并聯向負載供電 當晶閘管支路電流為0時 晶閘管關斷而斷開市電供電電路 當由逆變器供電切換為交流旁路供電時 在發(fā)出繼電器關斷信號的同時 觸發(fā)晶閘管導通 由于晶閘管導通時間為 s級 而繼電器釋放時間較長 因此也存在同時供電的情況 并機型連接方式 基本工作原理 在圖 b 中 交流旁路與逆變器都采用靜態(tài)開關作為切換開關 當執(zhí)行切換時 封鎖脈沖并檢測流過靜態(tài)開關的電流 當電流為零時觸發(fā)另一靜態(tài)開關的晶閘管 實行二者的轉換 在采用并聯供電的系統中 當電壓處于正半周或負半周時 同時觸發(fā)處于正向陽極電壓的兩個晶閘管使之導通 由于晶閘管電流為零時關斷使反向并聯的兩只晶閘管切換導通 使之并聯負載供電 保證同步切換的方法 1 直接檢測兩電源電壓的相位 以此作為切換時的一個控制信號 2 檢測兩電源的電壓差 以此間接反映出相位差 產生切換控制信號 3 為防止切換時感性負載中出現浪涌而損壞元件 可通過檢測主用電源在穩(wěn)態(tài)電流過零時接通旁路電源 以實現安全切換 2 鎖相電路 鎖相電路由三個基本部件 鑒相器 低通濾波器和壓控振蕩器組成 用于檢測兩個交流電源的相位差并將它變成一個電壓信號去控制逆變的輸出電壓相位與頻率 從而保持逆變器與交流電源的同步運行 鎖相電路基本原理圖 7 4UPS操作 在線式UPS是通信用較多見的 可處于下列三種運行方式之一 1 正常運行 所有相關電源開關閉合 UPS帶載 2 維護旁路 UPS關斷 負載通過維護旁路開關 連接到旁路電源 3 關斷 所有電源開關斷開 負載斷電 本節(jié)介紹在上述三種運行方式之間互相切換 復位及關斷逆變器的操作 由兩臺UPS電源所構成的 熱備份 冗余供電系統 由三臺UPS電源所構成的 熱備份 冗余供電系統 1 UPS開機加載步驟 此步驟用于UPS開機加載 假設UPS安裝調試完畢 市電已輸入UPS 1 合靜態(tài)旁路開關Q2 2 合整流器輸入開關Q1 3 合UPS輸出電源開關Q4 4 手動合電池開關 2 UPS從正常運行到維護旁路的步驟 負載從UPS逆變器切換到維修旁路 這在UPS需要維護時有用 負載由逆變器切換到靜態(tài)旁路的操作過程如下 1 關斷UPS逆變器 負載切換到靜態(tài)旁路 通常在主菜單上可以操作關斷UPS逆變器 2 取下Q3手柄上的鎖 并扳動Q3內的鎖定桿 然后閉合維護旁路開關Q3 斷開整流器電源輸入開頭Q1 UPS電源輸出開關Q4 靜態(tài)旁路開關Q2和電池開關 UPS已關閉 但市電通過維護路向負載供電 3 UPS在維護旁路下的開機步驟 包括如何啟動UPS 并把負載從維護旁路切換到逆變器 1 閉合UPS輸出開關Q4和靜態(tài)旁路開關Q2 2 閉合整流器輸入電源開關Q1 整流器啟動 并穩(wěn)定在浮充電壓 浮充電壓是否正常 3 閉合電池開關 4 斷開維護旁路開關Q3 并上鎖 4 UPS關機步驟 1 斷開電池開關和整流器輸入電源開關Q1 2 斷開UPS輸出開關Q4和旁路電源開關Q2 3 若要UPS與市電隔離 則應斷開市電向UPS的配電開關 使直流母線電壓放電 5 UPS的復位 當因某種故障使用了EPO 緊急關機 待故障清除后 要使UPS恢復正常工作狀態(tài) 需要復位操作 或在系統調試時 選擇手動方式從旁路切換到逆變器 UPS由于逆變器過溫 過載 直流母線過壓而關閉 當故障清除后 需要采用復位操作 才能把UPS從旁路切換到逆變器帶載 操作復位按鈕使得整流器 逆變器 靜態(tài)開關重新正常運行 若是EPO后的復位 則還需用手動合電池開關 7 5UPS電源供電系統的配置形式 并機包含兩層含義冗余 增加可靠性 并聯 增容 根據冗余式配置方案 有主機 從機型 熱備份 UPS供電方式 直接并機冗余UPS供電方式 雙總線冗余供電方式 1 主機 從機型 熱備份 UPS供電方式 這是緣于UPS電源的鎖相同步控制技術還未完善到足以保證多臺UPS的逆變器電源總是處于同相 同頻的跟蹤技術下常采用的方案 圖 a 中 UPS 2中的逆變器電源2一直處于空載狀態(tài) 只有當UPS 1故障時 UPS 2才承擔供電業(yè)務 此方式的缺陷在于UPS 2長期處于空載狀態(tài) 其電池壽命會縮短 容量會下降 且UPS 2得具有階躍性負載承載能力 無擴容能力 為提高性價比 可采用圖 b 形式 UPS 1 UPS 2作主機使用 而UPS 3作為二者的從機 圖 a 圖 b 2 直接并機冗余供電方式 為克服主機 從機型熱備份供電系統的弱點 隨著UPS控制技術的進步 具有相同額定輸出功率的UPS可直接并聯而形成冗余供電系統 為保證高質量的并機系統 各電源間必須保持同頻 同相 且各機均流 n 1型并聯冗余供電系統應有的控制功能 1 鎖相同步調節(jié)功能使相位差盡可能趨于零 以防止并聯系統出現環(huán)流 2 均流調節(jié)保持多臺UPS電流輸出的均衡度 3 選擇性脫機跳閘功能應正確判斷出那臺UPS單機出現故障 并進行自動操作 4 非冗余工作狀況報警若系統處于非冗余狀況 應發(fā)出告警 及時排除故障 恢復冗余供電狀態(tài) 5 環(huán)流監(jiān)控 直接并機方案的類型 1 簡單的直接并機方案各臺UPS只實行與市電的跟蹤同步 相互間對相位 電壓不進行調節(jié) 因此易發(fā)生故障 2 主動式直接并機方案各臺UPS只實行與市電的跟蹤同步 相互間對相位 電壓不進行調整 有 1 1 型直接并機方案和 導航型 UPS直接并機方案 3 熱同步 并機技術當兩臺UPS在執(zhí)行并機操作時 無需捕捉相互的實時參數 而達到互鎖及均流的目的 4 采用 并機柜 的并機方案用一個專門的 并機柜 來代替原分散交流旁路供電通道 解決了各個分散的交流旁路上的 靜態(tài)開關 的不均流帶載問題 1 1 1 型直接并機方案 2 導航型 UPS直接并機方案 3 熱同步 并機技術 4 采用 并機柜 的并機方案 3 雙總線冗余供電方式 由于在UPS供電系統中 輸出端與負載間配有配電柜 斷路器等 若碰到檢修或產生故障等 以上的幾種配置形式將引起負載停電 也即系統的故障率雖然降低了 但可維護性問題并沒有徹底解決 采用雙總線冗余配置方案 可很好解決這個問題 配有兩套靜態(tài)開關STS1 STS2 構成一套能自動執(zhí)行安全可靠的具有零切換時間的系統 雙總線冗余供電方式 7 6UPS日常維護 UPS周期維護內容較少 只需要保證環(huán)境條件和清潔 檢查和預防的目的是使機器保持最佳的性能并預防將小問題轉變成大故障 按維護的周期可分為 日檢 周檢 年檢 日常巡檢 1 告警監(jiān)視與處理 值機人員在UPS設備安裝現場觀察UPS的控制面板上是否存在告警信息 防止監(jiān)控告警沒有及時上傳到動力監(jiān)控系統而造成事故隱患 一旦發(fā)現告警 立即根據告警的內容做出相應的處理 并在值班日記上詳細故障事件和相應的處理措施 處理結果 2 交流停電倒換 如果出現交流輸入停電 值機人員需及時啟動應急電源并嚴格按照操作規(guī)程 將UPS的交流輸入切換到應急電源上或第二路市電電源 3 運行參數記錄與分析 按照省公司下發(fā)的機房電源巡檢記錄表中關于UPS的相關內容要求 按實抄寫UPS的輸入 輸出電壓 輸出電流 負載比率等內容 并將本次抄寫的數據與歷史數據進行對比分析 如果出現負載突變現象