UPS電源設(shè)計(jì)培訓(xùn)

1、UPS培訓(xùn)講義二00六年八月一、引言   隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的逐漸普及，特別是互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的日趨擴(kuò)大，UPS在網(wǎng)絡(luò)與電子商務(wù)飛速發(fā)展的年代里迎來(lái)了它的黃金時(shí)期。網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的UPS產(chǎn)品已經(jīng)由獨(dú)立的外設(shè)產(chǎn)品發(fā)展成為整個(gè)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不可分割的一部分。與此同時(shí)對(duì)UPS自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的要求也越來(lái)越高，這種需求為UPS的蓬勃發(fā)展奠定了基礎(chǔ),并為UPS提供了廣闊的使用空間。二、UPS概述1、UPS基本功能 高可靠不間斷供電、高質(zhì)量供電錯(cuò)誤概念電網(wǎng)問(wèn)題2、分類(lèi)3、幾種結(jié)構(gòu)形式UPS的基本原理及特點(diǎn)（1）后備式后備式UPS如圖所示，是靜止式UPS的最初形式。其應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，電路簡(jiǎn)單，

2、價(jià)格低廉，一般只適用于小功率范圍。后備式UPS（2） 在線(xiàn)互動(dòng)式在線(xiàn)互動(dòng)式UPS如圖所示。“在線(xiàn)”的含義是逆變器工作，但不輸出功率，處于熱備份狀態(tài)，同時(shí)兼顧對(duì)蓄電池充電，增大了UPS在市電正常時(shí)的功率容量，并且減少了在市電中斷時(shí)的轉(zhuǎn)換時(shí)間，提高了輸出電壓的濾波作用，屬于并聯(lián)功率調(diào)整方式，輸出功率多在5kVA以下。 在線(xiàn)互動(dòng)式UPS（3）雙變換在線(xiàn)式雙變換在線(xiàn)式UPS如圖所示。傳統(tǒng)雙變換在線(xiàn)式，特別是大功率UPS，目前仍多采用這種電路結(jié)構(gòu)，屬于串聯(lián)功率傳輸方式。雙變換在線(xiàn)式UPS方框圖三、UPS配置 （一）UPS的選型 1、選擇UPS的若干考慮：根據(jù)自己的要求和可能，一般考慮三個(gè)因素 產(chǎn)品的技術(shù)

3、性能產(chǎn)品可維護(hù)性產(chǎn)品價(jià)格2、負(fù)載容量、功率因數(shù)對(duì)選型的影響3、電池后備時(shí)間對(duì)選型的影響4、集中與分散供電方案對(duì)選型的影響（二）如何考慮UPS的容量與連接方式1、容量：根據(jù)負(fù)荷量確定，為延長(zhǎng)UPS使用壽命，一般推薦負(fù)荷量占UPS輸出功率的6070為宜。且盡可能選用單臺(tái)大容量UPS。2、連接方式：為確保供電可靠，可采用冗余配置主從“熱備份”冗余“11”型直接并機(jī)冗余多機(jī)直接并機(jī)冗余（三）選擇UPS的注意事項(xiàng)1、不要簡(jiǎn)單地以結(jié)構(gòu)形式確定優(yōu)劣2、重視UPS對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)性與電力污染問(wèn)題3、重視對(duì)UPS輸出能力和可靠性的考察（四）容量計(jì)算1、UPS系統(tǒng)容量估算式中n（安全系數(shù)）取1.21.5，m（余量系數(shù)

4、）取1.151.2。2、油機(jī)發(fā)電機(jī)組容量選擇油機(jī)發(fā)電機(jī)組容量一般為UPS系統(tǒng)容量的1.21.5倍。3、蓄電池組容量估算（1）計(jì)算電池放電電流（2）計(jì)算電池組容量K為容量系數(shù)，與用戶(hù)要求的放電時(shí)間T有關(guān)，如表1-2所示。表1-2 容量系數(shù)K與用戶(hù)要求的放電時(shí)間T關(guān)系T（h）0.51234568910K1.4323.2845.066.026.748.519.2810四、UPS發(fā)展1、小型化。由于功率器件的工作頻率的提高，在UPS中采用體積更小、重量較輕的高頻鐵氧體磁芯變壓器來(lái)代替硅鋼片變壓器，特別是在小型UPS電源中普遍采用無(wú)逆變器輸出變壓器設(shè)計(jì)方案后，使得小型UPS得以向體積小、重量輕、噪音小的

5、方向發(fā)展。   2、高效率。節(jié)能；壽命。永恒的話(huà)題3、引用柔性切換技術(shù)。為了有效的提高效率，減少UPS的尺寸與重量，高頻化設(shè)計(jì)式必要的。但由于開(kāi)關(guān)元件的非理想性導(dǎo)致進(jìn)一步高頻化的困難。主要表現(xiàn)在：    （1）在開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通和斷開(kāi)過(guò)程中，電壓電流重疊產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，即開(kāi)關(guān)損耗隨開(kāi)關(guān)頻率的提高而增大；（2）電路的寄生電感和寄生電容在高頻時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的電壓尖峰(spirevoltage)和浪涌電流(surgecurrent)。尖峰電壓和浪涌電流將導(dǎo)致開(kāi)關(guān)應(yīng)力增大，有可能損壞開(kāi)關(guān)器件，是電源噪聲的主要來(lái)源。一般需要接入吸收回路加以消除，但吸收回

6、路會(huì)消耗能量，降低電源的效率。實(shí)質(zhì)上，高頻化時(shí)需要著重解決的問(wèn)題是：實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件的零電壓或零電流開(kāi)關(guān)條件，即引用柔性切換技術(shù)（軟開(kāi)關(guān)），以盡可能減小開(kāi)關(guān)損耗，消除開(kāi)關(guān)浪涌。柔性切換技術(shù)按切換時(shí)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)可分為ZCS、ZVS及ZCS_ZVS，以其被肯定的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于高頻開(kāi)關(guān)整流器，相信在不久的將來(lái)會(huì)被廣泛應(yīng)用于UPS。4、UPS的綠色化輸入功率因數(shù)是一個(gè)重要指標(biāo)。提高此項(xiàng)指標(biāo)不僅可以降低線(xiàn)路損耗，節(jié)約電能，消除火災(zāi)隱患，還可以減少對(duì)市電的諧波污染，提高市電的供電質(zhì)量，獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。傳統(tǒng)提高輸入功率因數(shù)的方法為無(wú)源功率因數(shù)校正技術(shù)，而現(xiàn)在發(fā)展為采用配置有輸入功率因數(shù)校正的高頻

7、脈寬調(diào)制技術(shù)，采用這種技術(shù)的UPS輸入功率因數(shù)一般都可被提高到0.99以上，可使UPS電源的輸入電壓和輸入電流在幾乎同相位的條件下，其輸入電流波形也呈現(xiàn)為正弦波。這樣，就可在大大提高對(duì)電能利用率的同時(shí)，消除傳統(tǒng)的UPS電源對(duì)市電電網(wǎng)所產(chǎn)生的諧波干擾和污染，加強(qiáng)抗電磁干擾能力，降低輻射干擾，從而引出綠色無(wú)污染UPS的新概念。此外，高頻脈寬調(diào)制技術(shù)在UPS的整流濾波電路上的利用，大大提高了UPS電源對(duì)市電電網(wǎng)電壓波動(dòng)的適應(yīng)能力。傳統(tǒng)的UPS允許的市電電壓的范圍可以波動(dòng)20%，然而采用高頻脈寬調(diào)制技術(shù)的UPS的市電輸入范圍可達(dá)25%左右。5、冗余技術(shù)在UPS的應(yīng)用中，用戶(hù)為了提高運(yùn)行中的可靠性，往往

8、要求幾臺(tái)UPS冗余連接。UPS的冗余數(shù)目，從理論上講是是否越多越好，但在實(shí)際應(yīng)用中并非如此簡(jiǎn)單，單輸出均流這一項(xiàng)指標(biāo)就帶來(lái)好多問(wèn)題。在三相UPS中，若作到均流，就必須保證并聯(lián)的各UPS的對(duì)應(yīng)相電壓和相位保持在一個(gè)最小的誤差值，并聯(lián)臺(tái)數(shù)越多，越不易達(dá)到一致，即使當(dāng)時(shí)達(dá)到了一致，隨著時(shí)間的推移、溫度的變化，塵埃的侵入，器件的老化，冷卻系統(tǒng)造成的振動(dòng)以及濕度和腐蝕性氣體的破壞等等因素都時(shí)刻在破壞著這種平衡，當(dāng)并聯(lián)臺(tái)數(shù)達(dá)到一定數(shù)量后，可靠性開(kāi)始降低，這就是從量變到質(zhì)變。單從理論推導(dǎo)出來(lái)的結(jié)論是在一定的理想條件下作出的，它和實(shí)際一直在變化著的情況是有距離的。就目前的UPS制造技術(shù)和工藝水平而言，已可使U

9、PS的故障率大大降低。例如：中、小型UPS平均無(wú)故障工作時(shí)間（MTBF）已做到514萬(wàn)小時(shí)，對(duì)大型UPS而言，它的MTBF可達(dá)24萬(wàn)小時(shí)以上。然而，即使對(duì)于這樣高質(zhì)量的系統(tǒng)，也不能確保它的故障率為零。在UPS中可采用具有容錯(cuò)功能的冗余配置方案來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。所謂“容錯(cuò)”特性，是指在整個(gè)UPS供電系統(tǒng)中，如果因故造成個(gè)別機(jī)器出故障時(shí)，該UPS供電系統(tǒng)自動(dòng)將有故障的機(jī)器“脫機(jī)”進(jìn)行檢修的同時(shí)，整個(gè)UPS供電系統(tǒng)必須繼續(xù)向用戶(hù)提供高質(zhì)量電源。由于在冗余式UPS供電系統(tǒng)中，采用了多臺(tái)UPS組合起來(lái)共同承擔(dān)向負(fù)載供電的任務(wù)，因此如何正確地解決好多臺(tái)UPS輸出的交流電源以同頻率、同相位和同幅度的方式運(yùn)行是

10、能否成功地實(shí)現(xiàn)多臺(tái)UPS冗余供電的關(guān)鍵。就目前所掌握的資料來(lái)看，有如下幾種冗余配置方案可供選擇：主機(jī)從機(jī)型的“熱備份”UPS供電方式；直接并聯(lián)供電方式；雙總線(xiàn)冗余供電方式。 6、全數(shù)字化模擬系統(tǒng)存在元器件數(shù)量大、分散性強(qiáng)、不利于生產(chǎn)與調(diào)試的缺點(diǎn)，且具有漂移、老化等不良特性，系統(tǒng)可靠性難以提高。而高檔微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的數(shù)字化控制，則具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)、邏輯運(yùn)算能力，可以實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的先進(jìn)算法和智能算法，這些功能在模擬系統(tǒng)中是不敢企及的。功率MOSFET及IGBT的問(wèn)世為UPS開(kāi)拓出一條光輝燦爛之路，使UPS技術(shù)步入嶄新的時(shí)代全數(shù)字化時(shí)代。 首先,UPS的輸入部分取消了用于

11、與市電隔離的工頻變壓器或?yàn)榻祲河玫淖择钭儔浩?而采用SPWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)整流高頻化（AC/DC）。一方面減少直流側(cè)濾波器尺寸，改善直流側(cè)調(diào)節(jié)性能,提高市電電壓允許變化范圍；另一方面在控制技術(shù)中采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP （DIGITAL SIGNAL PROCESSOR）控制，使輸入電流正弦化，并與市電電壓同相，從而實(shí)現(xiàn)UPS高輸入功率因數(shù)（PF1），消除對(duì)市電的諧波“污染”，達(dá)到環(huán)保目的，大幅度減少無(wú)功損耗，明顯降低了運(yùn)行成本。 其次，取消了UPS逆變器中的工頻變壓器，用高頻變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)UPS與市電的隔離，而UPS的輸出級(jí)采用SPWM變換方式(不用變壓器直接逆變)輸出工頻電壓。逆變器中的功率MOS

12、FET或IGBT工作頻率在20KHZ以上，因此輸出濾波器小而簡(jiǎn)單，而且輸出的正弦波非常光滑。 對(duì)于UPS內(nèi)部的蓄電池組采取高頻變換降壓方式（DC/DC）充電，當(dāng)市電停電，UPS轉(zhuǎn)換為由蓄電池給逆變器供電時(shí)亦采取高頻變換降壓方式（DC/DC）實(shí)現(xiàn)。 在逆變器控制電路中采用正弦波直接反饋技術(shù)，使其調(diào)節(jié)高速化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)式模擬反饋技術(shù)，再加上小的輸出濾波器和20KHZ以上的SPWM調(diào)制，使UPS動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性非常好。在逆變器保護(hù)電路中采用性能優(yōu)良的過(guò)流保護(hù)技術(shù)，使逆變器不僅具有較強(qiáng)的過(guò)載能力，允許100負(fù)載不平衡（指三相逆變器），而且具有強(qiáng)有力的自身保護(hù)。也正是在上述條件保證下，拋棄了傳統(tǒng)式逆變器輸

13、出變壓器，不僅噪音低而且效率高。全數(shù)字化UPS是新一代UPS，它具有高質(zhì)量、高可靠、高指標(biāo)、多功能等特點(diǎn)。DSP技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于具有良好的自我診斷功能，能迅速地排除故障，大幅度地減少零件的數(shù)量，從而大大降低因元器件而造成的系統(tǒng)故障，提高其可靠性，并且運(yùn)算控制更簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、完美，同時(shí)DSP技術(shù)的引入也極大地推動(dòng)了并聯(lián)技術(shù)的發(fā)展。采用數(shù)字控制的系統(tǒng)則很容易實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通訊，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)關(guān)鍵器件進(jìn)行有效的監(jiān)視，對(duì)已發(fā)生的故障有冗余措施處理。隨著高速、廉價(jià)的數(shù)字信號(hào)處理器DSP的出現(xiàn)，在線(xiàn)式UPS全數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)成為可能。全數(shù)字化更易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的處理和控制，避免模擬信號(hào)傳遞的畸變、失真，減少雜

14、散信號(hào)的干擾，便于軟件包的調(diào)試和遙控，也便于自診斷、容錯(cuò)等技術(shù)的植入。由于將網(wǎng)絡(luò)通訊和電源監(jiān)控軟件調(diào)控技術(shù)進(jìn)行了完善的結(jié)合，全數(shù)字化在線(xiàn)式UPS將成為UPS發(fā)展的一種趨勢(shì)。7、智能化UPS UPS的智能化包括系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)識(shí)別和控制、系統(tǒng)故障自診斷、蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)管理、智能化內(nèi)部信息檢測(cè)與顯示等。UPS的異地遠(yuǎn)程監(jiān)控包括系統(tǒng)專(zhuān)用遠(yuǎn)程監(jiān)控控制盤(pán)、RS232/485通信口與監(jiān)控PC機(jī)間的交互控制、將UPS系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)交互控制等。 UPS的智能化主要是通過(guò)系統(tǒng)的控制軟件實(shí)現(xiàn)的。在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別與控制方面，通過(guò)內(nèi)部傳感器和狀態(tài)邏輯及時(shí)識(shí)別系統(tǒng)所處的運(yùn)行狀態(tài)，判定系統(tǒng)運(yùn)行程序和運(yùn)行是

15、否正常，主要包括以下幾個(gè)方面： 根據(jù)負(fù)載被切換到旁路的時(shí)間和次數(shù)以及切換時(shí)的輸入輸出參數(shù)等判定系統(tǒng)的運(yùn)行模式即旁路運(yùn)行還是主機(jī)運(yùn)行、充電運(yùn)行還是放電運(yùn)行等。 根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)參數(shù)識(shí)別外部指令，決定執(zhí)行外部指令的方式，包括系統(tǒng)功能和運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整。 快速準(zhǔn)確的判定系統(tǒng)的故障狀態(tài)并采取相應(yīng)的故障處理措施，如封閉功率變換器、輸出故障參數(shù)報(bào)警等。 歷史事件的記錄并根據(jù)歷史記錄和當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)預(yù)測(cè)蓄電池的后備時(shí)間等。 智能化的人機(jī)對(duì)話(huà)控制操作面板包括圖形顯示等。 并機(jī)系統(tǒng)的熱待機(jī)到帶載運(yùn)行的自動(dòng)判定與轉(zhuǎn)換。所有這些都簡(jiǎn)化了外部操作程序，有效的防止了系統(tǒng)的誤操作對(duì)系統(tǒng)自身和負(fù)載所帶來(lái)的危害，提高了UPS的

16、可靠性。UPS的智能化的另一個(gè)方面是通過(guò)運(yùn)行于PC機(jī)內(nèi)的監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)RS232C等接口將UPS與PC機(jī)串口連接，并在PC機(jī)上運(yùn)行相關(guān)平臺(tái)的UPS監(jiān)控軟件，由PC機(jī)定時(shí)發(fā)送查詢(xún)指令，UPS則在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)返回運(yùn)行參數(shù)信息。由PC機(jī)進(jìn)一步對(duì)UPS的運(yùn)行狀態(tài)、故障的具體部位等進(jìn)行判斷，并在必要時(shí)對(duì)UPS發(fā)出指令進(jìn)行運(yùn)行干預(yù)和提醒現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員。8、網(wǎng)絡(luò)化在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通信事業(yè)迅猛發(fā)展的推動(dòng)下，當(dāng)今的UPS已在大量引進(jìn)微處理監(jiān)控技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展成為一種能在UPS和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間建立起雙向通信調(diào)控管理功能。UPS的網(wǎng)絡(luò)化有兩方面的含義。一是UPS及其監(jiān)控系統(tǒng)與其所保護(hù)的負(fù)載計(jì)算機(jī)或局域網(wǎng)絡(luò)間的交互

17、作用。當(dāng)電源出現(xiàn)異常時(shí)，UPS內(nèi)部的微控制器會(huì)及時(shí)把異常信息發(fā)送給它所保護(hù)的計(jì)算機(jī)或局域網(wǎng)，并由監(jiān)控軟件在相應(yīng)計(jì)算機(jī)上發(fā)出告警信息，提醒操作員或網(wǎng)絡(luò)管理員及時(shí)處理，并在UPS供電時(shí)間結(jié)束前自動(dòng)中止計(jì)算機(jī)或局域網(wǎng)的運(yùn)行，并將現(xiàn)場(chǎng)信息自動(dòng)存盤(pán)，通過(guò)MODEM向有關(guān)人員發(fā)出EMAIL、BP-CALL等。在這個(gè)意義上UPS是其保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)接點(diǎn)。另一方面的含義是把UPS當(dāng)作廣域網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)并裝上通訊適配器，給UPS分配獨(dú)立的IP地址。這樣，網(wǎng)管員或被授權(quán)人可在網(wǎng)絡(luò)的任何地方通過(guò)網(wǎng)絡(luò)象管理計(jì)算機(jī)一樣對(duì)UPS的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，利用這種控制功能用戶(hù)可在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端上實(shí)時(shí)監(jiān)控UPS的運(yùn)行參數(shù)（

18、例如：輸入、輸出的電壓、電流和頻率，UPS電池組的充電、放電和電壓值顯示，UPS的輸出功率及有關(guān)的故障、報(bào)警信息）。此外，用戶(hù)還可在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端上對(duì)UPS的輸出執(zhí)行定時(shí)的自動(dòng)開(kāi)機(jī)、自動(dòng)關(guān)機(jī)操作。在自動(dòng)完成將程序和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入磁盤(pán)操作之后，再自動(dòng)“關(guān)閉操作系統(tǒng)”。這樣有序的關(guān)機(jī)操作，將確保用戶(hù)的軟件和數(shù)據(jù)的安全可靠。UPS生產(chǎn)廠(chǎng)家也可以直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)了解分布在世界各地的UPS的運(yùn)行情況，便于向用戶(hù)提供系統(tǒng)診斷和維修等的售后服務(wù)，提高了服務(wù)的快速性和準(zhǔn)確性。為實(shí)現(xiàn)上述控制功能，在目前市售的先進(jìn)的UPS上可向用戶(hù)提供RS232，DB9、RS485通信接口。對(duì)于要求能執(zhí)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)控管理功能的UPS來(lái)說(shuō)，還應(yīng)配置簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議 SNMP （SINGLE NETWORK MANAGEMENT PROTOCOL）卡，才能配套運(yùn)行。9、完善的電池管理。為提高UPS電源中的蓄電池的使用效率和延長(zhǎng)使用壽命，引入以微處理器監(jiān)控技術(shù)為主的電池管理系統(tǒng)，從而使電池監(jiān)控系統(tǒng)變得更加完善。對(duì)電池的充電采用雙重保護(hù)系統(tǒng)，配置有防止電池被過(guò)壓充電和被過(guò)流充電的具有先恒流后恒壓充電特性的充電電路。利用微處理器對(duì)UPS電源的實(shí)際后備供電時(shí)間進(jìn)行可編程的定時(shí)自動(dòng)