东方集团UPS电源工程师培训教材

1、UPSUPS基础知识基础知识东方集团技术培训中心东方集团技术培训中心东方集团公司 欧姆定律欧姆定律 U=IU=IR R 电电 压压 = = 电电 流流 电电 阻阻（伏特）（伏特）= =（安培）（安培） （欧姆）（欧姆）东方集团公司 TImax数值大小和方向都按正弦波的规律 周而复始循环变化的电流i=Imax(sin2ft+)正弦电流的三要素：幅值Imax或有效值Irms Irms= Imax/2频率f或周期T f=1/T相角东方集团公司 对称的三相交流电路 有效值相等，频率相等，相位相差120度东方集团公司 星形连接的负载星形连接的负载线电压和相电压间的关系是线电压和相电压间的关系是ULL=3

2、ULN=1.732ULN以市电电压为例，以市电电压为例， 单相电压单相电压220V 相间电压相间电压2201.73=380V若总负载若总负载15KVA（对称负载）（对称负载）则：每相负载则：每相负载15/3=5KVA 相电流相电流=5000/220=22.73AL1L2L3N380V380V220V东方集团公司 l基波：频率基波：频率f为为50HZ的正弦波；的正弦波；l谐波：频率为基波的倍数的正弦波谐波：频率为基波的倍数的正弦波 2次谐波次谐波 f=2*50HZ 3次谐波次谐波 f=3*50HZl谐波分为电压谐波和电流谐波谐波分为电压谐波和电流谐波 电流谐波：主要由非线性负载产生，例如开关电源

3、；晶闸管、整流器等。电流谐波：主要由非线性负载产生，例如开关电源；晶闸管、整流器等。 电流谐波会导致电压谐波电流谐波会导致电压谐波l在基波上叠加谐波在基波上叠加谐波=波形会发生畸变波形会发生畸变 东方集团公司 无功和高次谐波电流对电网造成的危害：无功和高次谐波电流对电网造成的危害：l增加电网容量和配置增加电网容量和配置l导致电网电压畸变，严重干扰其他用电设备导致电网电压畸变，严重干扰其他用电设备l导致变压器等电气设备损耗增大，过热，绝缘老化，降低寿命导致变压器等电气设备损耗增大，过热，绝缘老化，降低寿命l引起计算机等精密电子设备运行不正常引起计算机等精密电子设备运行不正常l引起异步电机振动加剧

4、，噪声增大引起异步电机振动加剧，噪声增大l对通讯线路、测量线路产生辐射干扰对通讯线路、测量线路产生辐射干扰l影响电能计量精度影响电能计量精度l。东方集团公司 整流：交流整流：交流AC 直流直流DC 逆变：交流逆变：交流AC 直流直流DC串联串联并联并联东方集团公司 视在功率视在功率S（单位：（单位：VA）指负载从交流电源吸取电流有效值与电源电压有效值的代数乘积。有功功率有功功率P（单位：（单位：W）指负载从交流电源吸取的全部用以做功消耗的功率。无功功率无功功率Q（单位：（单位：Var）指在交流电源与负载之间来回转换，但不被负载消耗的那部分功率。功率因数功率因数cos指负载从交流电源吸取的有功功

5、率与视在功率的比。S=UICOS=P/S S =P + Q 2 2 2东方集团公司 lUPS的容量的容量 指UPS的额定输出规模，通常用VA表示，用以说明UPS额定工作（满载）时输出的视在功率的值。lUPS的输入功率因数的输入功率因数 指UPS作为电网的负载，表现出的功率因数。即UPS从电网吸取的有功功率与视在功率的比。lUPS的输出功率因数的输出功率因数 一般指UPS的有功功率与视在功率之比，其大小由负载性质决定lUPS的效率的效率 指UPS输出的有功功率在全部输入的有功功率中占的成分，它标志着UPS本身损耗的大小。东方集团公司 l输出电压稳定精度输出电压稳定精度 指在市电指在市电逆变供电时

6、，当输入电压在设计范围内变化，以及负载在满载负荷内逆变供电时，当输入电压在设计范围内变化，以及负载在满载负荷内100%变化时，输出电压的变化量与额定值的百分比。负载对此项指标的要求并变化时，输出电压的变化量与额定值的百分比。负载对此项指标的要求并不高，以计算机类的负载为例，因为机内大多是配置了开关型的直流电源，它容不高，以计算机类的负载为例，因为机内大多是配置了开关型的直流电源，它容许输入电压在许输入电压在20-30%范围内变化。范围内变化。l输出电压波形失真度输出电压波形失真度 所谓波形失真度是指计算机输入交流电压中所有高次谐波有效值之和与基波有效所谓波形失真度是指计算机输入交流电压中所有高

7、次谐波有效值之和与基波有效值的百分比，数据表明，波形失真度小于值的百分比，数据表明，波形失真度小于10%的情况下就可以满足计算机的要求。的情况下就可以满足计算机的要求。l输出电压频率稳定精度（电池供电时）输出电压频率稳定精度（电池供电时） UPS输出电压频率的变化量与额定频率（输出电压频率的变化量与额定频率（50HZ）的百分比。）的百分比。东方集团公司 l输出电压切换时间输出电压切换时间 市电掉电时UPS由市电逆变供电（或市电稳压直接供电）转换为电池逆变供电过程中，UPS的输出可能出现的短时间的断电时间。l输出电流峰值系数输出电流峰值系数 输出电流峰值与电流基波有效值的比值。典型值为34，大小

8、由负载决定。该指标主要用来衡量UPS的输出能力l输入电流的谐波成分输入电流的谐波成分 输入电流的谐波成分形成的输入功率是无功的，它是造成UPS输入功率因数低的一个重要的因数，可对电网电压造成严重污染。l频率跟踪速率频率跟踪速率 当市电频率变化时，逆变器工作频率跟踪市电频率变化响应能力。东方集团公司 l电压浪涌电压浪涌 指一个或多个周期电压超过额定电压值的110%l电压尖峰电压尖峰 指在二分之一周至100ms期间内叠加的电压脉冲l噪声电压噪声电压 是指叠加在工频电压上的低幅度、频率范围很宽的高频分量l过压过压 指超出电网电压正常有效值一定百分比的稳定电压l电压跌落电压跌落 指一个或多个周期电压低

9、于80%85%额定电压有效值l欠压欠压 指低于正常电压有效值一定百分比的稳定低电压l电源中断电源中断 指超过一个周期的无电压状态东方集团公司 工频工频l稳定性好，可靠性高稳定性好，可靠性高l体积大，重量重体积大，重量重l功耗大，效率不高功耗大，效率不高高频高频l可靠性不高，功率器件瞬间可靠性不高，功率器件瞬间承受大负载冲击，功率器件承受大负载冲击，功率器件易损坏。易损坏。l体积小，重量轻体积小，重量轻l效率高效率高工频机结构简单，但是输入输出变压器体积大，同时对于市电和负载变化的动态响应差，为了消除高次谐波，其输出滤波器体积也大。 高频机是目前普遍采用的，自关断器件的应用决定了其主电路简化，同

10、时提高了工作频率，降低了换流损耗，提高了逆变器的工作效率。东方集团公司 lUPS (Uninterruptable Power Supply)l不间断电源不间断电源为重要部门电网为重要部门电网掉电提供持续供电保障掉电提供持续供电保障l50-70%都为电源故障，停电占百都为电源故障，停电占百分之几分之几l对于供电质量提出了更高的要求对于供电质量提出了更高的要求lUPS (Uninterruptable Power System)l产品产品系统，高可靠、高性能、系统，高可靠、高性能、高度自动化的供电中心高度自动化的供电中心l主机运行高效、高可靠、适应性强主机运行高效、高可靠、适应性强（电网、负载）

11、（电网、负载）l高可用性和可维护性高可用性和可维护性l很强的网络保护功能很强的网络保护功能东方集团公司 按电路主结构分类:后备式在线互动式在线式双逆变电压补偿在线式从后备时间分类:标准机长效机按输入输出方式分类:单相输入/单相输出三相输入/单相输出三相输入/三相输出 从输出波形分类:方波正弦波从输出容量分类:微型 （小于或等于1KVA）小型（大于1KVA，小于或等于5KVA）中型（大于5KVA，小于或等于30KVA）大型（大于30KVA）东方集团公司 解决公共电网存在的问题：解决公共电网存在的问题： a. 实现双路电源的不间断相互切换。实现双路电源的不间断相互切换。 b. 隔离作用：将瞬间间断

12、、谐波、电压波隔离作用：将瞬间间断、谐波、电压波 动、频率波动及电压噪声等电网干扰阻动、频率波动及电压噪声等电网干扰阻 挡在负载之前。挡在负载之前。 c. 电压变换电压变换/稳压作用。稳压作用。 d. 频率变换频率变换/稳频作用。稳频作用。 e. 提供一定的后备时间。提供一定的后备时间。东方集团公司 l电涌（电涌（power surges）：指输出电压有效值高于额定值指输出电压有效值高于额定值110110，而且持续时间达一个或数个周期。电涌主要是，而且持续时间达一个或数个周期。电涌主要是由于在电网上连接的大型电气设备关机时，电网因突然卸载而产生的高压。由于在电网上连接的大型电气设备关机时，电网

13、因突然卸载而产生的高压。 l高压尖脉冲（高压尖脉冲（high voltage spikes）：指峰值达指峰值达6000v6000v，持续时间从万分之一秒至二分之一周期（，持续时间从万分之一秒至二分之一周期（10ms10ms）的电压。）的电压。这主要由于雷击、电弧放电、静态放电或大型电气设备的开关操作而产生。这主要由于雷击、电弧放电、静态放电或大型电气设备的开关操作而产生。 l暂态过电压（暂态过电压（switching transientsswitching transients）：指峰值电压高达：指峰值电压高达 20000V20000V，但持续时间界于百万分之一秒至万分之一秒，但持续时间界于百

14、万分之一秒至万分之一秒的脉冲电压。其主要原因及可能造成的破坏类似于高压尖脉冲，只是在解决方法上会有区别。的脉冲电压。其主要原因及可能造成的破坏类似于高压尖脉冲，只是在解决方法上会有区别。 l电压下陷电压下陷(power sags(power sags）：）：指市电电压有效值介于额定值的指市电电压有效值介于额定值的8080至至8585之间的低压状态，并且持续时间达一个到之间的低压状态，并且持续时间达一个到数个周期。大型设备开机，大型电动机启动，或大型电力变压器接入都可能造成这种问题。数个周期。大型设备开机，大型电动机启动，或大型电力变压器接入都可能造成这种问题。 l电线噪声（电线噪声（elect

15、rical line noiseelectrical line noise）：系指射频干扰：系指射频干扰(RFI)(RFI)和电磁干扰（和电磁干扰（EFIEFI）以及其它各种高频干扰。马达的）以及其它各种高频干扰。马达的运行、继电器的动作、马达控制器的工作、广播发射、微波辐射、以及电气风暴等，都会引起线噪声干扰。运行、继电器的动作、马达控制器的工作、广播发射、微波辐射、以及电气风暴等，都会引起线噪声干扰。 l频率偏移（频率偏移（frequency variationfrequency variation）：系指市电频率的变化超过：系指市电频率的变化超过3Hz3Hz以上。这主要由应急发电机的不稳

16、定运行，以上。这主要由应急发电机的不稳定运行，或由频率不稳定的电源供电所致。或由频率不稳定的电源供电所致。 l持续低电压（持续低电压（brownoutbrownout）指市电电压有效值低于额定值，并且持续较长时间。其产生原因包括：大型设备启动指市电电压有效值低于额定值，并且持续较长时间。其产生原因包括：大型设备启动和应用、主电力线切换、启动大型电动机、线路过载。和应用、主电力线切换、启动大型电动机、线路过载。东方集团公司 电压低 市电停电 谐波干扰 频率波动高电压尖峰 线路噪声 电压波动 瞬态尖峰 电压浪涌东方集团公司 lUPS主机要对电网环境有较强的适应能力主机要对电网环境有较强的适应能力l

17、要注意要注意UPS对各种负载的适应能力对各种负载的适应能力l提高电池性能，加强对电池的管理提高电池性能，加强对电池的管理l系统配置的灵活性和冗余功能系统配置的灵活性和冗余功能l智能化和网络保护能力智能化和网络保护能力l对对UPS硬件系统的考察硬件系统的考察东方集团公司 l后备式（后备式（offline）l在线互动式（在线互动式（lineinteractive）l双变换在线式（双变换在线式（online）东方集团公司 智能调压充电器DCACVin输出转换开关东方集团公司 l效率高达效率高达98%lUPS本身不产生附加输入功率因数、谐波电流本身不产生附加输入功率因数、谐波电流l市电存在，输出能力强

18、市电存在，输出能力强l存在转换时间（存在转换时间（4ms左右），满足一般负载要求左右），满足一般负载要求l电压稳定精度不高电压稳定精度不高l输出转换开关，受切换电流能力和动作时间限制，功率做不大输出转换开关，受切换电流能力和动作时间限制，功率做不大东方集团公司 输入开关智能调压ACDCVin东方集团公司 l效率高达效率高达98%lUPS本身不产生附加输入功率因数、谐波电流本身不产生附加输入功率因数、谐波电流l市电存在，输出能力强市电存在，输出能力强l存在很短的转换时间存在很短的转换时间l电压稳定精度不高电压稳定精度不高l逆变器同时有充电功能，节省逆变器同时有充电功能，节省UPS（后备）附加充电

19、器（后备）附加充电器东方集团公司 VinVout旁路开关（）（）ACACDCDC东方集团公司 l提供高质量的电源提供高质量的电源l市电掉电，无任何转换时间市电掉电，无任何转换时间lUPS功率余量有限功率余量有限l输入功率因数低（输入功率因数低（THD高）高）l整机效率不高整机效率不高东方集团公司 lMTBF平均无故障时间平均无故障时间lMTTR故障恢复时间故障恢复时间lMTBF+MTTR一个服役周期一个服役周期lA可用性可用性lMTBF即为可靠性，提高即为可靠性，提高A，增大增大MTBF，减小，减小MTTRMTBFMTTRT（年）lA=MTBF/MTBF+MTTRlA=1/1+MTTR/MTB

20、FlMTBF=，A=100%lMTTR=0，A=100%东方集团公司 提高可靠性提高可靠性l元器件的选用元器件的选用lUPS的拓扑结构的拓扑结构lUPS的制造工艺的制造工艺l并机、冗余技术并机、冗余技术 提高可用性提高可用性l现场维修时间现场维修时间TRlUPS管理响应时间管理响应时间TMlUPS技术服务系统技术服务系统TS东方集团公司 l单机单机/并机满载冗于并机满载冗于InputOutputStatic BypassBypass Panel东方集团公司 l隔离冗余方式隔离冗余方式 （串联并机）（串联并机）主输出主机从机维修旁路静态旁路静态旁路维修旁路主输入旁输入主输入东方集团公司 l隔离冗

21、余热备份（即串联冗余）隔离冗余热备份（即串联冗余） UPS热备份即热备份即UPS串联冗余，有主机和从机之分。其基本原理是：串联冗余，有主机和从机之分。其基本原理是：主机正常时主机正常时100%地承担负载电流，故障时由从机提供后备电源。地承担负载电流，故障时由从机提供后备电源。由于备用由于备用UPS是在主机旁路处在等待工作状态，故称为热备份。是在主机旁路处在等待工作状态，故称为热备份。l缺点：缺点： 1主机静态开关发生故障时，将可能中断整个系统供电，出现主机静态开关发生故障时，将可能中断整个系统供电，出现瓶颈故障。瓶颈故障。 2在市电故障，市电超限时，因为在市电故障，市电超限时，因为UPS封锁旁

22、路，所以主、从封锁旁路，所以主、从机无法切换，造成热备份失效。机无法切换，造成热备份失效。 3备机长期处于备用状态，电池也长期处于浮充状态，影响电备机长期处于备用状态，电池也长期处于浮充状态，影响电池寿命。池寿命。 4目前尚无一个简单的方式实现目前尚无一个简单的方式实现互为热备份互为热备份。东方集团公司 l并联冗余方式并联冗余方式 主输入主输出主旁路负载全部转移此机东方集团公司 并联冗余是将多于两台同型号、同功率的并联冗余是将多于两台同型号、同功率的UPS，通过并机柜、并，通过并机柜、并机模块或并机板，把输出端并接而成。机模块或并机板，把输出端并接而成。 目的是为了共同分担负载功率，其基本原理

23、是：正常情况下，两目的是为了共同分担负载功率，其基本原理是：正常情况下，两台台UPS均由逆变器输出，平分负载和电流，当一台均由逆变器输出，平分负载和电流，当一台UPS故障时，故障时，由剩下的一台由剩下的一台UPS承担全部负载。承担全部负载。 三机并联也是常用的一种方式。三机并联也是常用的一种方式。 例：例： 60KVA的负载，三台的负载，三台30KVA并联，一台并联，一台UPS出现故障，另出现故障，另两台两台UPS仍然可以承担全部负载，此为仍然可以承担全部负载，此为N+1并联冗余，还有并联冗余，还有N+2、+3等。等。 并联冗余的本质，是并联冗余的本质，是UPS均分负载。均分负载。东方集团公司

24、 l要实现并联冗余，必须解决以下技术问题：要实现并联冗余，必须解决以下技术问题： 1各各UPS逆变器输出波形保持同相位、同频率；逆变器输出波形保持同相位、同频率； 2各各UPS逆变器输出电压一致；逆变器输出电压一致； 3各各UPS必须均分负载；必须均分负载； 4UPS故障时能快速脱机。故障时能快速脱机。l 并联冗余的缺点：并联冗余的缺点： 1由于要求功率均分，因而调试困难。有些品牌由于要求功率均分，因而调试困难。有些品牌UPS要在满要在满负载运行时调节功率均分。另外：输入、输出线长、线径都是影负载运行时调节功率均分。另外：输入、输出线长、线径都是影响均分的因素。响均分的因素。 2并机柜系统如发

25、生故障，将中断整个系统供电（瓶颈故并机柜系统如发生故障，将中断整个系统供电（瓶颈故障）。障）。东方集团公司 （采用（采用DSP技术并机）技术并机）l1并机运行的并机运行的UPS独立控制电压与相位，没有公共控制部分，不存在瓶颈独立控制电压与相位，没有公共控制部分，不存在瓶颈故障。故障。l2并机调试非常简单，只须每台并机调试非常简单，只须每台UPS参数设置完毕，即可投入并联运行。参数设置完毕，即可投入并联运行。l3由于采用由于采用DSP控制技术，并机运行的每台控制技术，并机运行的每台UPS输出滤形，电压都非常一输出滤形，电压都非常一致，因此并机环流很小。致，因此并机环流很小。l 4多机并联运行，多

26、机并联运行，SYNTHESIS系列：三台并联；系列：三台并联；EDP90系列：六台并联。系列：六台并联。l 5在并联系统中任意一台在并联系统中任意一台UPS故障时，故障时，DSP控制技术可以在正弦波的任控制技术可以在正弦波的任意一点切换，使故障意一点切换，使故障UPS快速脱机，由其它快速脱机，由其它UPS继续不间断地供电。继续不间断地供电。东方集团公司 l大功率大功率UPS相位跟踪在相位跟踪在3，两台，两台UPS并联有可能在并联有可能在相位上相差相位上相差6，造成电压差，造成电压差，sin6=30V，因而在，因而在输出端会造成很大的环流，就有可能使逆变器因过载输出端会造成很大的环流，就有可能使

27、逆变器因过载而烧毁。而烧毁。l另外，另外，UPS机内各种元件电参数的微小差异也会导致机内各种元件电参数的微小差异也会导致输出电压的差异，同样可以导致环流。目前，世界上输出电压的差异，同样可以导致环流。目前，世界上并机技术较好的公司可将环流控制在并机技术较好的公司可将环流控制在2- 4%。 东方集团公司 l（一）（一）UPS形式：形式： 1UPS可工作在市电状态下由逆变器向负载供电。可工作在市电状态下由逆变器向负载供电。 2UPS具有旁路切换功能，逆变器故障时可切换到市电状态，继续保持具有旁路切换功能，逆变器故障时可切换到市电状态，继续保持供电。供电。 3UPS可直接对一定容量的电池组进行充电，

28、并对电池的状况进行监测。可直接对一定容量的电池组进行充电，并对电池的状况进行监测。 4UPS作为一个完整独立的电源系统，包括整流器、充电器、逆变器、作为一个完整独立的电源系统，包括整流器、充电器、逆变器、静态旁路开关、手动维修旁路开关及电池组。静态旁路开关、手动维修旁路开关及电池组。 l（二）逆变器形式（二）逆变器形式: B 交流输出交流输出 A 静态开关静态开关 1正常使用时仍为逆变器形式，静态开关置于正常使用时仍为逆变器形式，静态开关置于A处，在逆变器故障时，处，在逆变器故障时，静态开关置于静态开关置于B处，由市电或发电机电力供应至负载。处，由市电或发电机电力供应至负载。 2此种形式之逆变

29、器，适用于功率大约在此种形式之逆变器，适用于功率大约在5KVA至至10KVA之间。之间。东方集团公司 l（一）适用场所的比较（一）适用场所的比较 UPS作为一个完整独立的电源系统，可以适合在任何场所应用，且结作为一个完整独立的电源系统，可以适合在任何场所应用，且结构紧凑，占地面积小。逆变器适用于具有构紧凑，占地面积小。逆变器适用于具有48V电池组的邮电系统，因为电池组的邮电系统，因为逆变器的工作还需要外配充电器、电池组等外部设备，因此结构松散，逆变器的工作还需要外配充电器、电池组等外部设备，因此结构松散，占地较大，不易布置。占地较大，不易布置。l （二）输出功率的比较（二）输出功率的比较 因为

30、逆变器是限定的因为逆变器是限定的48V电池组供电，由于电池组电压较低，当输出电池组供电，由于电池组电压较低，当输出功率要求较大时，对功率模块及生产工艺要求愈高，因此逆变器大功率功率要求较大时，对功率模块及生产工艺要求愈高，因此逆变器大功率输出难以实现，目前生产的逆变器最大输出的功率约为输出难以实现，目前生产的逆变器最大输出的功率约为10KVA左右，而左右，而UPS由于自身带有电池组，电池组的直流电压可根据输出功率的要求自由于自身带有电池组，电池组的直流电压可根据输出功率的要求自行设置，最高可达几百伏，因此可以制成单机五、六百千伏安的行设置，最高可达几百伏，因此可以制成单机五、六百千伏安的UPS

31、，近来由于技术的进一步发展，近来由于技术的进一步发展，UPS还可以采用并联方式供电，一方面实还可以采用并联方式供电，一方面实现更大的功率输出，另一方面可以作到容量备份，当一台现更大的功率输出，另一方面可以作到容量备份，当一台UPS故障时，故障时，不会影响正常的交流输出，使负载在更加安全、可靠的供电情况下进行不会影响正常的交流输出，使负载在更加安全、可靠的供电情况下进行工作。工作。 东方集团公司 l（三）对电池组的寿命比较（三）对电池组的寿命比较 UPS本身带有电池管理功能。具有智能电池管理功能，可将电池寿命延长本身带有电池管理功能。具有智能电池管理功能，可将电池寿命延长30%，对所使用电池的充

32、电过程进行监控，浮充电压作为环境温度的函数自动，对所使用电池的充电过程进行监控，浮充电压作为环境温度的函数自动调节，并周期性对电池进行测试检查，电池如有故障将警告用户。调节，并周期性对电池进行测试检查，电池如有故障将警告用户。 （四）抗干扰方面的比较（四）抗干扰方面的比较 UPS在结构上采用钢架式结构，外壳采用防锈钢板折弯而成，且有极强的屏在结构上采用钢架式结构，外壳采用防锈钢板折弯而成，且有极强的屏蔽性，蔽性， 符合电磁兼容性要求，一般在设计中特意在流线型塑料外壳内衬了符合电磁兼容性要求，一般在设计中特意在流线型塑料外壳内衬了2mm厚的防锈钢板，同时还采用了高射频干扰（厚的防锈钢板，同时还采