第三章 不停电电源(0711)

1、电力电子在电力系统中的应用电力电子在电力系统中的应用 第三章第三章 不停电电源（UPS） 不停电电源（UPS） 起因：一方面电子技术发展，非线性性质负载增加，电网内 外部各种噪声、干扰造成电压浪涌、电压尘峰、电压瞬变、电源 中断；另一方面，重要用电部门、重要用电设备对供电质量要求 越来越高，不仅不停电，还要电压、波形、频率好的一个干净的 电源。 经过多年来的寻找，创造出UPS这种新型设备，满足需要， 使电网和用电器隔离，避免负载对电网产生干扰，又避免电网中 干扰影响负载。 不停电电源 配置UPS 的主要目的是用来为局域网中各类用电设备提 供稳定可靠和高品质的电力供应。它主要体现在以下三个 方面

2、： （1）为各类用电设备提供后备电源，以防止突然断 电给局域网造成损害，影响正常运行； （2）可以消除供电系统中产生的诸如浪涌、谐波干 扰、频率漂移、波形断续、电压过高或过低等现象，改善 电源质量，使局域网中各类设备的电子元部件免受破坏性 损害； （3）UPS还可以抑制电网中其他用电设备产生的诸 如高频信号等杂波，以免除因杂波造成数据传输失效等故 障，提高网络的可靠性。 一、UPS主要功能 1、双路电源之间无间断相互切换 2、隔离功能 3、电压变换功能 4、频率变换功能 5、后备功能 按需要提供后备供电时间，保护负载。 UPS分类 按工作原理 后备式 在线式 按输入输出 单相输入单相输出 三相

3、输入单相输出 三相输入三相输出 按输出波形 方波 正弦波 静态式 动态式 按工作频率 工频 高频 UPS工作原理和组成 UPSUPS的特点的特点 (l)高可靠性高可靠性 系统应具有能提供36524连续提供高质量的UPS逆变 电源的供电能力。这就意味着，在UPS供电系统的运行中， 既不允许出现任何瞬间供电中断停电事故，也不允许出 现由普通的市电经交流旁路直接向用户负载供电的情况。 为此，要求UPS供电系统应满足如下要求： 由于UPS单机本身的故障率低，因此目前大型UPS产 品的平均无故障工作时间（MTBF）为20万40万小时。 采用具有高度容错功能的“N1”型UPS冗余并机系 统来进一步提高UP

4、S供电系统的可靠性（“1l”型冗余并 机系统的典型MTBF值可达140万200万小时 UPSUPS的特点的特点 (2)高抗干扰性高抗干扰性 UPS供电系统能使互联网设备获得高“可利用率”，并 可为其创造优良的运行环境。 大量的运行实践表明：电源干扰问题是造成互联网设 备的“可利用率”下降的重要原因之一。 UPSUPS的分类的分类 （1）后备式）后备式UPS 当市电正常时由市电给负载设备供电，并给蓄电池浮动充电。当市电电 压波动超过规定值时时启动逆变电路将电池的直流电转换为稳定的交流电输 出，给负载供电。后备式UPS平时由于是由市电直接给负载供电，所以无法 消除市电电网上存在的浪涌、尖峰、频率漂

5、移等电气污染，而且容量比较小。 但是它的技术简单，成本较低，价格相对低廉，用于许多对电压稳定性要求 不高的场合。 UPSUPS的分类的分类 (2)在线式在线式UPS 在线式UPS一直使其逆变器处于工作状态，市电正常时它是首先通过电路 将市电交流电转换为直流电，再通过逆变器将直流电转换为正弦波交流电给 负载供电，在供电情况下还能对输出进行稳压及防止电磁干扰，而且还通过 充电电路给蓄电池浮动充电。当停电时，则使用电池的直流电，所以逆变器 不存在切换时间，所以适用于对电源有较高要求的场合。 UPSUPS的分类的分类 (3)在线互动式在线互动式UPS 这是一种智能化的UPS，除具有在线式UPS的功能外

6、，还可以自动侦测市 电的电压，可以提供高精度的正弦波交流电输出。在线互动式UPS 还具有与 计算机进行通讯的功能，有的还可以连接互联网，可以通过网络对UPS 进行 管理，而且可以根据计算机及网络系统的工作状况自动调整UPS 本身的工作 状况和输出状况，并且在UPS 出现故障时，可以通知计算机系统，启动冗余 的备用电源，所以称之为智能型UPS。一般用于网络系统中的服务器、路由 器和大型骨干网的交换机以及部分工作站等对电源要求较高的场合。它将大 大提高计算机系统的可靠性。 UPSUPS的分类的分类 按技术性能的优劣来排序，其顺序应为：在线 式UPS在线互动式UPS后备式正弦波输出 UPS后备式方波

7、输出UPS 工频工频UPSUPS 工频UPS输出的220V正弦波交流电压的峰峰值电压是 620V，而一般单相UPS的输入侧整流后的直流电压为 310V(这还不包括一般为196V和其它电压电池的情况)， 为了使逆变器不失真地输出220V正弦波交流电压，逆变 器前面的直流电压必须是650870V。由于工频机逆变器 的输入电压远远低于这个值，所以必须加一个输出变压器 将电压提升到额定峰值以上才可使用。 工频工频UPSUPS 下图为一般工频机的结构方框图，几乎所有UPS都在输 入和输出端加有输入/输出滤波器。 高频型UPS 高频型UPS的升降压功能一般通过DC/DC变换器来实 现，可以称为电子变压器，

8、而且其还有输入功率因数校正 (PFC)功能，它可以将输入功率因数校正到接近于1，这是 工频变压器无法实现的。它的抗干扰功能也是工频变压器 无法比拟的，这是因为普通电磁式变压器必须将输入的电 压波形没有失真地传递到输出端，所以也将干扰一并送出。 高频型UPS 下图是高频机的电子变压器的原理图，电压波形进行 切割后储能送出：当整流正弦半波的一个脉冲电压波形到 来时，开关S闭合，电流经电感L和开关S和输入侧形成回 路，如图中实线箭头所示，此时能量储存在电感L中，开 关s按照一定的频率断开与闭合，当开关断开时，储存在L 中的能量与输入电压叠加沿虚线箭头方向经二极管D给电 容和负载供电，而后再重复下一个

9、同样的周期。 高频型UPS 高频机主电路结构原理图 UPS发展趋势 1、智能化 微机系统对运行中UPS实时监测、故障分析、保护、实时 自动记录、自动控制开停、交换信息功能。 2、高频化 使用软开关提高效率、降低噪音、提高精度和动态响应。 3、绿色化 输入端功率因数校正 功率因数校正电路（PFC） 这是UPS中一个发展趋势。一方面消除由于整流滤波电路而产生 的谐波电流，另一方面补偿提高功率因数。 1、功率因数的定义： 功率因数PF（Power Factor）基本定义： 在线性电路中，反映负载的阻抗特性 为正弦电流波形相对于电压波形的相位差。当负载呈电阻性时， 电压与电流波形同相， PF 1 PF

10、 有功功率 视在功率 P S PFcos 功率因数校正电路（PFC） 这是UPS中一个发展趋势。一方面消除由于整流滤波电路而产生 的谐波电流，另一方面补偿提高功率因数。 1、功率因数的定义： 在非线性电路中，输入电压为正弦波时，输入电流发生正弦畸变 为正弦电流波形相对于电压波形的相位差 为基波因数（畸变因数），即基波电流I1与电网电流IL之比。 PF P S ULI1cos ULIL I1cos IL cos 功率因数校正电路（PFC） 2、没有功率因数校正时存在的问题： 使电网波形畸变，线路损耗加大。 除基波电流外增加高次谐波电流；频率高，集肤效应增加，损耗增加， 波形畸变，三相不对称，设备

11、绝缘体老化，易过载，线路损耗增加。 降低供电系统的功率因数、增大系统供电容量 降低用电设备的使用寿命 干扰仪器、仪表 MOS管导通，电感L中电流i L上升，当与市电电压波形相交时，MOS管 关断，电感中感应电势使VD二极管导通，对电容充电，电感中电流i L下降 到零后，控制电路又使MOS管导通，上述过程重复，使电流i i 平均值波形 跟随电压Ui 波形，功率因数近于1。 功率因数校正电路（PFC） 3、基本原理和方法： 有源功率因数校正电路原理框图 1、LT 1249 采用固定高频PWM平均电流技术而不需斜波补偿，只要一个很小电 感元件，就可获得较低的交流电失真。 2、UC 3845 采用平均

12、电流型控制，即使没有斜波补偿也可获得正弦输入电流， 并且噪音低、灵敏度高，可用在单相或三相电源中。 3、MSC 60028 自身保护功能完善，宽范围内使功率因数接近于1，输出直流稳定， 峰值电流低，电路元器件承受应力小。 功率因数校正电路（PFC） 主要功率因数校正控制器： 也可在主开关支路再串联 电感成无源缓冲，再并联二极 管，可大大减小高频辐射，但 电阻耗能，效率低。 再增加一个VMZVT辅助开关， 有源缓冲零电压转换，用辅 助开关VMZVT导出整流二极管 VDOUT的电流（以零电流方式导 通）而VMZVT关断时将缓冲电能 能量传输到负载COUT，而不增加 主开关电压。 功率因数校正电路（

13、PFC） 4、零电压开关功率因数校正电路及专用控制器UC 3855A/B ： 有源缓冲零电压转换升压斩波器 整流二极管VDOUT具有反向 恢复特性，当主开关VM1导通时， 整流二极管反偏电流反向流动， 经主开关至地。 主开关通过较大电流，整 流二极管恢复特性越陡峭，电 流越大，高频辐射越严重。 可在主开关栅极串联电阻 来改善，功耗将增加。 VMZVT、VDOUT零电压下导通， VM1零电压下导通 整个过程由专用控制器 UC 3855来完成。 UPSUPS的控制方式的控制方式 UPS的主电路结构都大同小异，关键是其逆变器控制 技术。UPS逆变器直接与负载相连，为敏感关键负载供电， 是UPS实现功

14、能的核心部分，由于逆变器的输出为正弦波， 包含幅值和相位等受负载特性影响较大的被控量，所以与 直流电源控制相比，逆变器控制的复杂程度显著提高，U PS的性能很大程度上取决于其逆变器的性能。 传统UPS控制的缺点 1、 精度和可靠性低 2 、电磁兼容问题突出 3 、老化温漂现象 4 、控制方法调整困难 5 、自我检测能力差等 数字控制的优点 1、可靠性高。 2、性能稳定。 3、控制灵活，能实现复杂的算法。 4、维护方便。 新型新型UPSUPS控制方式分类控制方式分类 1、数字PID控制 算法简单，易于实现高速控制；稳定性较高，PID控制的逆变电源对系统参 数和负载的变化不敏感。 2、重复控制 是

15、一种基于内模原理的控制技术，早期应用于重复性机械运动机构的控制， 近年来在U PS逆变电源的波形控制中也获得了很好的效果。 3、无差拍控制 基于状态空间方程， 通过采样状态变量的值，计算出当前控制周期内 的开关状态，以使受控量在一个控制周期内达到与参考值相等。 4、滑模变结构控制 5、模糊控制 目前广泛使用的是铅酸蓄电池。 1、经济型（HS型）涂浆式高效铅蓄电池 2、长时间放电（CS型）覆盖式铅蓄电池 3、免维护、密封式（M型）UPS多用此种 它的价格占UPS成本1/4-2/5，故障率占1/3，所以对它的了解对于使 用好蓄电池组及UPS的无故障运行具有重要意义。 蓄电池是平时将电能转换为化学能

16、储存起来，用电时再将化学能转变 为电能的一种独立直流电源。 蓄电池与充电电路 （一）概述： 1、容量充满电时储能多少 C C容量I I放电电流（A）T放电时间（h） 2、放电率放电至终止时电流大小或时间的快慢 6.5AH0.325 A 20 h 3、放电电流电池容量乘以系数 0.1C6.5 0.10.65A 4、终止电压不能再放电时电压 1.75V/格2.275V/格 5、标称容量20小时放电率下所测定的容量 6、自放电率电池不使用时，内部消耗能量 0.08C/天 蓄电池与充电电路 （二）性能指标： 一般蓄电池充放电反应为： 充电过程完成后，继续充电，通常为过充，造成电解质中的水电离， 在阳极

17、产生O2，在阴极产生H2，电解质液面下降，要定期补水。 蓄电池与充电电路 （三）工作原理： PbO2+2H2SO4+PbPbSO4+2H2O+PbSO4 阳极电解质 阴极阳极电解质 阴极 放电 充电 密封蓄电池充放电反应为： 阳极上产生的O2被阴极板吸收而不逸出，阴极板上永远不会有H2产生， 避免了水分损失，使补水间隔可达五年以上，从而实现了免维护操作电池 的目的。 蓄电池与充电电路 （三）工作原理： Pb+1/2O2PbO 阳极板 （已充电） 阴极 产生 +H2SO4H2O + PbSO4 阴极板电解质 阳极板 （已充电） 初充电：蓄电池安装完毕后进行一次较长时间的初充电，以1/10C的 充

18、电电流充至额定容量，这很重要。 正常充电：最好采用分级定流方式充电，即初期电流大，逐渐减小。 这种方式的充电效率高，充电效果好，对延长电池寿命有利。 浮充电：UPS工作时，整流器和蓄电池并联工作，负载电流由整流器 供给，蓄电池起平滑滤波和稳定作用，当负载突然加大时，蓄电池可在短 时间供给很大的放电电流，因而有利于改善UPS的瞬态响应。 均衡充电：为防止单元间不均衡的加剧，一定时候进行过充电，从而 使各单元达到均衡一致的良好状态。 蓄电池与充电电路 （四）充放电过程： 过放电：铅酸电池对过放电非常敏感，轻则降低容量或缩短寿命，重 则不能恢复正常容量，以至损坏。 存贮：充电之后最大影响为贮存时间与

19、贮存温度。 外特性：放电特性与放电速率、使用效率等有关 温度特性 储存特性 寿命特性 蓄电池与充电电路 （四）充放电过程： 电池的极化：电流通过蓄电池，正负极板面电位的移动。 1、欧姆极化（电阻极化）充电停止随之消失 2、电化学极化 3、离子浓差极化 要实现快速充电，一是增大充电电流，二是消除极化 经过长期实践，已找到瞬间全部或大部分消除极化的方法，即停充 期间，让蓄电池流过一个与充电电流方向相反的大脉冲电流。 充电电流曲线，初中期使用比常规充电大得多的充电电流实现电流 递减式快速充电。 蓄电池与充电电路 （五）快速充电： 快速充电的优越性： 1、充电时间大为缩短，充电效率成倍提高 2、可增加

20、蓄电池的容量 3、去硫化效果显著 4、节约电能 快速充电要注意： 1、去极化的量要恰当掌握 2、要精确的充足自停功能 蓄电池与充电电路 （五）快速充电： 将直流电逆变成频率稳定、电压恒定、波形失真度小的交流电。 普通采用脉宽调制技术（PWM）及波形叠加技术 直流脉宽调制 正弦脉宽调制 叠加式阶梯波 离散式阶梯波 静止逆变电路 混合波 静态开关是UPS的保护设备，既保护UPS又保负载。 静态开关 机械式 电子式 混合式 （一）机械式静态转换开关 两个具有互锁特性的接触器实现转换控制。 静态开关 （一）机械式静态转换开关 缺点： 转换是一种机械动作，转换时间不可能降为零 吸合通常比释放时间长，供电

21、会中断 容量增大，转换时间变长 电感负载瞬间中断，负载上激励出振荡电压反灌至UPS输出端， 因相位、频率、电压幅值不同会造成严重干扰 静态开关 （二）电子式静态开关 大型UPS有专门静态开关逻辑控制图 当控制电路执行切换命令时，封锁原来导通状态的静态开关，检测 流过可控硅电流，当电流过零时，对处于关断状态静态开关触发，实现 两开关切换操作。 静态开关 注意：两路电源间相位差允许在3.615之间或两电源瞬态电 压差25V，否则要发生禁止切换命令。 同步切换方式 不同步切换方式 （二）电子式静态开关 同步切换有三种工作模式 1、自动返回式切换模式 UPS总是处于优先供电状态，发生情况才切换 2、“

22、热后备”工作模式 UPS为后备待用状态 3、非自动返回工作模式 UPS发生故障，不能自动返回，需按复位键 静态开关 设备的使用 1、开机之前的准备 在开机之前，首先需要确认输入市电连线的极性是否正确，UPS各个开关 是否闭合正确.以确保人身安全。注意负载总功率不能大于UPS的额定功率。 不应接计算机以外的不良性负载。应避免UPS工作在过载状态下，以保证 UPS能够正常工作。 设备的使用 2、开关机顺序 为了避免负载在启动瞬间产生的冲击电流对UPS造成损坏，正确的使用 方法是首先给UPS供电，使其处于旁路工作状态，然后再逐个打开负载，最 后才开机.这样就避免了负载电流对UPS的冲击，使UPS的使

23、用寿命得以延长。 关机顺序可以看做是开机顺序的逆过程，首先逐个关闭负载，再将UPS关闭。 （如果是晚上关总闸开关时，必须先把UPS关掉后再关总闸，以免造成UPS 空载工作，从而造成电池由于小电流放电而损坏机器 设备的使用 3.关机之后 在市电中断后，UPS由电池组供电并自动关机后，不可再利用UPS电池组 供电开机，以避免电池因过量放电而损坏。当市电发生异常而转为UPS电池 组供电时，应及时断开市电，待市电恢复正常后再打开市电(市电异常,比如说 三相电掉一相电) 设备的使用 4.使用环境 与电脑的工作环境类似，UPS对环境温度的要求同样也不是很高，通常在 040都能正常工作。但防尘问题同样也困扰

24、着UPS，UPS的使用环境要求 清洁、少尘、干燥，灰尘和潮湿的环境会引起UPS工作不正常。而UPS电池组 对温度要求则较高，标准使用温度为25，平时最好不要超出1530这个 范围。温度过低不但会减小电池组的容量，还会进一步影响UPS的使用寿命。 另外，UPS的防磁能力也不是很好。所以不应把强磁性物体放在UPS上，否则 会导致UPS工作不正常或损坏机器。 遇到雷雨天气，在没有良好的接地条件下的UPS必须拨掉输入市电插座，改由 UPS电池放电。（由于大部份乡镇营业厅都是采用民房，没有良好的接地措施） UPS的维护 1、不能让UPS超负荷或满负荷运行。UPS铭牌上的标称功率为视在 功率，一般其有功功率为视在功率的80 。例如视在功率为IK VA 的 UPS，实际负载能力最大800W。如果让UPS超负荷或满负荷运行， 必然会损坏UPS。 2、严禁将感性负载(如日光灯、电动机、电钻等)接入UPS。因为感性 负载启动电流比较大，瞬间过大电流冲击会损坏UPS。 3、要注意UPS蓄电池的合理充放电。市电停电后，UPS供电时间不 能超过UPS标称的时间。如8小时的UPS，市电停电后，UPS给负载 供电时间不得超过8小时。若当地电网质量好，相当长一段时间(比如 一个月)没有停过一次电，则应该每隔一个