电力专用不间断电源(UPS)的原理及应用(讲稿

1、电力专用不间断电源（UPS）的原理及应用UPS是英语Uninterruptiable Power Supply的缩写，译为不间断电源。由20世纪60年代的旋转发电机发展到目前的具有一定智能化程度的静止式全电子电路，它也是随着电子技术特别是功率器件和自动控制技术的飞速发展而日趋成熟的。能经常接触的就是在计算机的应用当用，保护意外断电数据丢失的一种备用电源设备，可以在交流电断开的情况下，提供一定的时间供电以使安全关机 在国内，比较出名的品牌有以下的:山特 powerware 山顿APC 台达科技 四通 ATA等品牌UPS介绍:其基本功能是：市电中断供电时，能不间断供电； 始终向负载提供高质量的交流

2、电源，达到稳压.稳频.抑制浪涌.尖峰.电噪音.补偿电压下陷.长期低压等因素干扰。 动态式UPS由引擎与发电机组构成，它是靠交流市电驱动交流电动机旋转，从而带动同轴的交流发电机和惯性飞轮同速旋转运行，由发电机向负载供电。市电波动时由于惯性飞轮对短时间的电压突变后干扰无反应，保证了输出电压的稳定；市电断电靠飞轮的惯性将额定电压供电再延长5秒钟，由于保存数据信息。后来发展到内燃机式UPS系统，但这类UPS体积大噪音大.效率低，在目前应用不多。就目前用得最多的，最常用的UPS还是静态式UPS，现在一般讲的UPS也是指静态式UPS，但在概念上还是应分清楚。 动态式UPS因应用较少，所以在人们通常所指的U

3、PS大都指静态式UPS。静态式UPS根据供电方式可分为在线式（ON-LINE），后备式（或称离线式，OFF-LINE/BACK-UP）及线上交互式（LINE-INTERACTIVE）三类。 真在线式UPS电源的定义是：当输入，负载和UPS本身都正常工作时，UPS电源将输入的交流市电先通过整流器变成直流电，然后通过逆变器将直流电逆变成交流电，输出标准的稳定的纯净的正弦波电源，也即在一切都正常的情况下，负载得到的是由逆变器输出的高质量的正弦波电源。 后备式UPS电源的定义是：当输入，负载及UPS本身都正常工作时，UPS仅仅是将市电做简单的升压，降压和滤波处理，然后直接输出给负载使用，只有当输入电源

4、不符合要求时，UPS才将电池的直流逆变成交流电，输出给负载使用。也即，在大部分时间，负载使用的是输入电源本身或经过简单处理的输入电源。 互动式UPS电源的定义是：当市电电源在约150264伏的范围内，它向用户提供经铁磁谐振稳压器或经变压器抽头调压处理的一般市电电源（这就意味着：来自一般市电电网的频率波动，由“谐波污染”而形成的高波形畸变度及从电网串入的干扰等所困扰的低质量电源就是用户所实际使用的交流电源）对于这种UPS 来说，仅仅当市电电源电压低于150伏或高于264伏左右时，它才有可能向用户提供真正的“UPS逆变器高质量的正弦波”电源。Ups的输出功率从500VA3000KVA不等。UPS电

5、源按其工作方式可分为后备式UPS和在线式UPS两大类；而按其输出波形又可分为方波输出UPS和正弦波输出UPS两种。 后备式UPS电源的优点是：运行效率高、噪音低、价格相对便宜，主要适用于市电波动不大，对供电质量要求不高的场合。在线式UPS电源与后备式UPS电源相比，在线式UPS电源的供电质量明显优于后备式UPS电源，因为它可以实现对负载的稳频、稳压供电，且在由市电供电转换到蓄电池供电时，其转换时间为零。方波输出的UPS电源带负载能力差(负载量仅为额定负载的4060)，不能带电感性负载。如所带的负载过大，方波输出电压中包含的三次谐波成份将使流入负载中的容性电流增大，严重时会损坏负载的电源滤波电容

6、。正弦波输出的UPS电源的输出电压波形畸变度与负载量之间的关系没有方波输出UPS电源那样明显，带负载能力相对较强，并能带微电感性负载。不管哪种类型的UPS电源，当它们处于逆变器供电状态时，除非迫不得已，一般不要满载或超载运行，否则会使UPS电源的故障率明显增多。一、概述不间断电源（UPS）在电力系统中的应用已越来越广，随着电力通讯、无人值守变电站、微机监控等电力自动化设备的普及和应用，电力系统对不间断电源提出了更高的要求。虽然发电厂均有两路进电，但这并不能保证能够毫无间断地给计算机等重要负载供电，要保证微机等信息设备的电源指标，就必须采用不间断电源(UPS)。常规在线式不间断电源原理如图1 所

7、示： 市电 不间断输出 整流器 逆变器 蓄电池组 图1市电经过整流后一方面给蓄电池充电，同时又给逆变器供电，一旦市电断电，则自动由蓄电池向逆变器供电，从而保证了重要负载的不间断输出。我们称这种UPS 为常规不间断UPS。在电力系统中，无论是发电厂还是变电站，绝大多数厂（站）均已配备有直流屏或蓄电池组。直流屏的直线母线电压为220VDC 和110VDC 两种，主要为合闸装置、继电保护、事故照明等提供备用直流。电力专用不间断电源，就是利用原有直流屏作为逆变器在市电断电后的直流电，再经过逆变后提供不间断电力，其典型原理如图2 所示：交流市电 不间断输出 整流器 逆变器接直流屏 防反二极管 图2交流市

8、电经过整流器整流后给逆变器供电，直流屏的电力经过防反二极管并接在输入端。市电正常时，电流经过整流器、逆变器给负载供电；一旦市电断电，将由直流屏、逆变器给负载供电。二、采用电力专用不间断电源的优势采用电力专用不间断电源，与常规UPS 相比，前者有许多优势，现一一列举。1、采用电力专用UPS，将避免蓄电池组的重复投资。众所周知，UPS 中蓄电池组的投资比较大，特别是在长延时UPS 系统中，蓄电池组的投资甚至远远超过UPS 机组的投资。因此利用原有直流屏或将原有直流屏作适当扩容，将大大降低不间断电源的投资。2、采用电力专用UPS，将使电源系统的可靠性大大提高。常规不间断电源采用单独的蓄电池组，特别是

9、小容量的常规UPS,其蓄电池往往被安排在UPS 机内，有时蓄电池早已老化，却没被发现，一旦市电断电，蓄电池早已无能为力，这种电源故障在中、小型变电站经常发生。即使蓄电池外接，但由于存在维护空缺，以至经常发生蓄电池组早已实效而无人问津的现象。采用电力专用UPS，其直流动力直接取自直流屏，而直流屏本身是电力系统中的重要设备。电力系统运行中对直流屏的维护有明确的规定，其可靠性是有保证的。因此采用可靠的直流动力，另加逆变器，自然就可得到可靠的交流不间断电力。另外，由于电力系统的直流屏往往容量大，采用电力专用UPS 后即在市电断电后，可提供较长的不间断供电时间。3、采用电力专用UPS，便于日常维护。由于

10、电力专用UPS 实际上已分成直流屏和逆变器两大部分，因此，日常的维护工作就变得非常简单。当蓄电池组需要活化、放电或个别电池需更换时，可直接断开直流。因为电力专用UPS 往往有交流、直流同时进电，断开直流后，UPS 电源将自动有交流旁路供电。同样，当需要对专用UPS 进行检修时，也不会影响直流屏的任何功能，这就保证了交直流负载的正常供电。4、采用电力专用UPS，可优化系统配置，降低系统成本，并体现全方位的服务。电力专用UPS 生产商应根据电力的特点，采用专业设计和制造标准，抛弃了常规UPS 实际可带负载功率偏低、抗冲击能力差、无法带感性负载等弱点，做到精心定制。并留有充分功率余量。如合肥阳光电源

11、公司生产的任何一款专用UPS，采用了日本三菱IPM 机芯，均可带动如交流润滑油泵、风机、水泵等电动机负载，甚至可提供功率只有3kVA 的三相四线制输出品种。因此电力专用UPS 比常规UPS 有更高的性能价格比。三、电力专用UPS 的种类及造型电力专用UPS 可分为专用逆变器型、交直流互备UPS 型及在线UPS 型等三大类。1、电力专用逆变器电力专用逆变器，早在80 年代就有人使用。但早期的逆变器由于受功率器件的制约，可靠性较差。随着功率器件的迅速发展和微电子产业的崛起，逆变器已向智能化、模块化方向发展。新型的电力专用逆变器均采用微处理器控制，主电路采用大功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅功率

12、晶体管（IGBT）、智能功率模块（IPM）等功率器件。其主电路采用单相全桥电路，由微处理器产生脉宽调制（SPWM）信号，经过LC 滤波隔离、升压后输出。由于采用电压、电流反馈，因此输出的正弦波指标可以达到很佳的效果。该逆变器的特点是：工作简单，安装使用方便。缺点是：由于逆变器始终连接负载，这就加重了直流屏中整流器的负担，另外由于无旁路回路，冗余性能差。该逆变器可用于以下场合：1)事故照明用电。由于事故照明用电并不像计算机等重要负荷那样丝毫不能间断，因此可在事故状态时启动逆变器，以保证照明及消防设施用电。2)逆变放电用电。直流屏日常需要活化蓄电池，核对容量是也需对电池放电，采用有源逆变器可直接将

13、电能击溃至电网，以节约能源。3）小容量交流负荷的不间断供电。小容量电力载波机、继电保护、通讯设备（一般容量在2kVA 以下）时可采用逆变器直接供电，这样既可节省投资，又不影响直流屏的正常工作。2、交直流互备型UPS该电力专用UPS 是在专用逆变器的基础上改进的，其电路原理如图3 所示： 交流输入 不间断输出 直流输入 逆变器输出 逆变器 旁路开关 图3在原有的逆变器的基础上增加了旁路转换开关，旁路转换开关一般采用静态开关，小容量时也可采用快速继电器。工作原理是旁路转换电路一直监视交流市电的电压和波形，一旦断电，将迅速切换至逆变器输出，切换时间均在几个毫秒之内。同样，若逆变器、直流屏故障或检修时

14、，也将自动由交流市电供电，也即只要直流屏和交流市电有一路存在，交流输出将得到保证。可见该专用UPS 的结构比逆变器合理，并且可实现两台UPS 的冗余连接。该电源的特点是电源转换效率高，性能价格比较高，并可实现多台备份运行，主要应用于总负荷在3kVA 以下的场合。如电力系统微机监控、电力载波、电力通讯等场合。当然随着电力系统设备的日益精密，人们对电力系统电源也提出了更高的要求。上述不间断电源也存在以下缺点：交流旁路无稳压措施。若平常用交流供电，则随市电电压的变化，不间断输出会“水涨船高”。即使采用静态开关完成的电力中断（一般为4ms）。3、电力专用在线型UPS该UPS 克服了上述两种UPS 的不

15、足。如图2 所示，交流市电经过整流器整流后给逆变器供电。由于整流器输出端电压略高于直流屏的直流电压，在市电正常时，防反二极管DM 处于反向截止状态，因此并不消耗直流屏的电力，也就不增加操作电源中整流器的负担。一旦市电中断，逆变器将直接由直流屏供电；同样万一直流屏断电，则直接由市电经过整流器、逆变器给负载供电，不会影响逆变器的正常供电。电力专用在线UPS 的最大特点是在执行“市电”与 “逆变”之间的切换时无任何间断，不间断输出的各项指标也将有内部高性能逆变器给于保证。使用的电力专用在线UPS 另外加有静态旁路开关，如图4 所示。维修旁路 维修旁路开关 交流旁路 旁路输出开关交流市电 不间断输出 逆变器 静态开关直流 防反二极管 图4在图2 的基础上增设了静态开关，一旦逆变器出现过载或故障，静态开关将迅速切换到交流旁路上。交流旁路可以是交流市电，也可以是另一台U