模块化UPS技术简介、特点和应用

1、模块化UPS技术简介、特点和应用模块化UPS技术简介 一、概述二、UPS应用领域三、UPS分类四、UPS发展概况五、UPS工作原理六、M系列模块化UPS技术简介七、关于UPS的标准要求八、与同类产品性能比较九、蓄电池十、结语一、概述 UPS（ Uninterruptible Power System ），即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。最初是为了适应计算机技术的发展而产生，它经历了动态向静态、由晶闸管向IGBT、由模拟控制向数字化控制等很长的一段发展过程。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的供电。当市电输入正常时，U

2、PS 将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向系统的电池充电；当市电中断（ 事故停电 ）时，UPS 立即将电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。 UPS 电源通常对电压过高或电压过低都能提供保护。 目前，UPS经过多年的发展和完善，并随着大功率、高性能元器件的问世，以及针对计算机等信息技术设备对电源质量的要求，各类不间断电源的技术性能指标不断提高，功能越来越齐全。二、UPS应用领域 随着信息经济技术的飞速发展，UPS的应用更加广泛，而科学技术的日新月异，使UPS的性能愈加完善。由以前的只给计算机供电发

3、展到今天，已深入到国民经济的各个领域。在通讯部门、银行金融管理、办公自动化管理、航空航天、计算机网络直到以信息高速公路为代表的信息产业中，为确保数据传输、程序运行和图像处理的安全，必须使用UPS。 UPS不但直接用于计算机上，凡配有计算机的设备，（如医疗行业许多高科技尖端仪器设备）、医院手术室、军事通讯系统、雷达站、程控电话系统、自动控制生产线等均使用UPS代替发电机作后备供电使用。 近几年，模块化UPS由于性能稳定可靠，因此在银行、医疗、工业、交通、广电、科研院所等领域得到广泛应用。 按工作原理分：动态式：带有直-交流发电机的所谓动态发电机组的UPS；静态式：后备式（OFF LINE）、在线

4、式（ON LINE） 在线互动式（ON LINE INTERACTIVE）。 按输入输出方式分：单相输入/单相输出；单相输入/三相输出；三相输入/单相输出；三相输入/三相输出；三、UPS的分类 按容量分：小功率 5KVA以下 ；中功率 5KVA30KVA；大功率 30KVA以上； 根据后备时间：标准机 、长效机四、UPS发展概况 早期的UPS被称为旋转式（动态）UPS，是由整流器、电池、直流电动机、柴（汽）油机、飞轮和发电机组成。系统庞大，操作不便，而且效率低，噪声大，电力品质不高。随着电脑网络、医疗器械和精密仪器的不断涌现及大量应用，旋转式UPS已难以满足要求，所以静态变换（电池式）式UPS

5、便应运而生，这是我们目前最常见到的UPS类型，也是绝大多数人对于UPS的概念。 国外UPS已有多年的发展历史。 随着电力电子和微电子技术的进步，使得UPS产品不断推陈出新，其供电系统越来越完善，体积越来越小，重量越来越轻，且具有完备的自身保护、智能管理和网络通讯等功能。 国外主流品牌如： APC（美国电力转换集团，创于1981年，全球最大的UPS供应商之一 ）1995年底APC进入中国，目前已拥有北京、上海、广州、成都、西安、国外UPS发展简况沈阳办事处。1998年APC苏州工厂创立，多年的发展，使APC成为业界无庸置疑的领导者和高可用电源保护的专家，APC至今连续三年蝉联中国UPS市场第一的

6、桂冠，2007年被施耐德收购。 艾默生Emerson（美国大型跨国集团，于1980年，全球领先的工程技术解决方案提供商，世界500强企业）是一家多元化的全球制造和技术公司，艾默生已超过14万雇员和大约265名世界各地的制造业。 梅兰日兰MGE（世界上领先的配电品牌，隶属于施耐德电气集团）配电领域的国际标准主要开拓者。 施耐德UPS属世界上领先的品牌，全球能效管理专家。施耐德电气（Schneider Electric）为100多个国家的能源及基础设施、工业、数据中心及网络、楼宇和住宅市场提供整体解决方案， 其中在能源与基础设施、工业过程控制、楼宇自动化和数据中心与网络等市场处于世界领先地位，在住

7、宅应用领域也拥有强大的市场能力。 美国APC进入中国后引领中国的UPS市场，经历了从配件产品、到主流渠道，继而成为一个庞大电源保护产业的发展阶段。目前国内的UPS生产厂家比较多，主要有厦门科华、深圳科士达、北京动力源、广东易事特、广州柏克等。模块化UPS的主流厂商，先控捷联、英飞腾、志成冠军等。 厦门科华恒盛股份有限公司（简称科华）中国本土最大的高端UPS电源制造商之一，成立于1999年，是以研国内UPS发展简况究电力电子技术为核心的高科技企业，是“重点国家级火炬计划项目（UPS）” 的承担者。 深圳科士达科技股份有限公司，成立于1993年专注于电力电子及新能源领域，产品涵盖UPS不间断电源、

8、逆变电源、机房一体化设备、太阳能光伏逆变器的国家级高新技术企业，中国领先的机房一体化集成制造商。 先控捷联电源（SCUPower）设备有限公司，是拥有数十年研发、制造、销售电源保护装置的专业经验的国家级高新技术企业。 近几年，先控专注于模块化UPS电源产品的制造，单台模块容量有3KVA、5KVA、6KVA、10KVA、15KVA、20KVA、25KV、40KVA多种，单套系统容量从3KVA到640KVA多种产品一应俱全。先控从模块化UPS到电池、配电柜等配套产品种类齐全。CMS-640是先控研制的第五代模块化不间断电源产品，是模块化UPS 领域功率密度最大、容量最大的产品，该系统可实现4台并联

9、，使系统的最大容量可扩展至2560KVA。 广东志成冠军集团有限公司始创于1992年8月是一家集科、工、贸、投资于一体的国家火炬计划重点高新技术企业，也是国内模块化UPS的主流生产厂商之一。UPS技术现状 随着高速功率开关器件、高频磁性元件的出现，高频变换技术广泛应用于中、小功率UPS中，其拓扑结构和控制方法获得了空前的发展。 采用高频铁氧体磁芯变压器代替硅钢片铁心的工频变压器，使不间断电源的体积和重量大大地减小。采用软件谐波调节器或新型高频开关控制的整流器等技术，对不间断电源的输入电流进行功率因数调整，使不间断电源的输入功率因数可高达，大大提高电能的利用率，同时还可以在技术上消除了传统的不间

10、断电源对市电电网可能产生的谐波干扰。高频变换电路拓扑采取与传统UPS完全不同的形式，它集高频功率变换技术、功率因数校正技术（PFC）、微处理器控制于一体的UPS。实现了更高的能量转换效率和功率密度。 近几年，UPS正向高频化、小型化、智能化、模块化、低成本、高可靠性方向发展。 笨重损耗大输入功率因数低电流谐波输入电压失真体积大、重量重、价格高输入电流谐波大，造成电网电压畸变效率低传统UPS技术线路6/12脉冲整流器电流谐波电压失真 传统的UPS和开关电源设备都会产生电流谐波反馈，大量电流谐波注入电网，造成电网电压畸变 占用电网容量增加线路损耗电网谐振增大零线电流开关器件误动作损坏其他用户设备对

11、电网的污染及危害21治理电流谐波方案12 脉冲整流(8% THDi)6 脉冲滤波器(10% THDi)有源滤波器 (THM)(3-10% THDi)APFC整流技术一步到位(4% THDi)升压整流技术(8-10% THDi)6 脉冲(30% THDi)12 脉冲整流滤波器(5-7% THDi)有源或者无源滤波器来降谐波输入功率因数高输入电流谐波小效率较高体积较小容量小，国产品牌一般小于20kVA,少数仅达80kVA高频UPS的技术线路谐波没了，没污染PFC升压，省了隔离变压器后备式和在线式UPS的原理框图分别见图1、2所示。五、UPS的工作原理图1 后备式图2 在线式 从原理上看，在线式UP

12、S同后备式UPS的主要区别在于，后备式UPS在有市电时，仅对市电进行稳压，逆变器不工作，处于等待状态，当市电异常时，后备式UPS会迅速切换到逆变状态，将电池电能逆变成为交流电对负载继续供电，因此后备式UPS在由市电转逆工作时会有一段转换时间，一般小于10ms。 而在线式UPS开机后逆变器始终处于工作状态，因此在市电异常转电池放电时没有中断时间，即0中断。 在线式UPS采用双变换技术，输出电能质量高。不论市电正常与否，负载的全部功率都有逆变器给出，由于使用IGBT，逆变器一定会采用SPWM技术，且尽量提高调制频率来减小输出谐波分量，并通过输出反馈控制，可向负载提供电压稳定度高，波形畸变率小，频率

13、稳定以及动态响应速度快的高质量的供电电压。目前大容量UPS都采用在线双变换电路拓扑。UPS除了以上两种类型外，还有一种称为在线互动式。图3 在线互动式UPS原理框图 在线互动式，即逆变器双向工作。当交流输入电源正常时，逆变器反相工作给电池充电，停电时转换开关断开，电池提供输出。同后备式UPS相比，由于该UPS的逆变器和输出总是处于连通状态，因而它能对电源起到滤波及削波作用。逆变器还有稳压、调压作用，否则电压过低会强迫UPS切换到电池供电方式，因而这种UPS在电源质量很差的地方照样能正常运行。逆变器的设计使得即使它发生故障，仍然能由交流输入电源直接提供输出，消除“一处失灵，全局崩溃”的隐患，有效

14、地提供了两个独立的电源通道。在线互动式UPS效率很高，即逆变器处于热备用状态，正弦波输出。同时兼有对电池充电的功能。提高了后备式UPS的功率容量，缩短了市电掉电时的转换时间，加强了对输出电压的滤波作用。具有输入电压范围宽及自动调压功能，包括在线升压与降压。它集在线式优点，去掉后备式的缺点。六、模块化UPS技术简介 “航天青半” UPS电源类 产品规格齐全，目前已形成系列化、标准化。产品功率范围在10KVA-300KVA。通过模块化 UPS 标准 YDT2165-2010 认证，且技术指标均达 I类。产品具有多制式，完全刷新了传统UPS系统输入、输出相位固定的单一性，满足所有场合下的供电需求。最

15、具优势的产品为M1、M25、M3系列模块化UPS。30M系列模块化UPS荣誉资质 首家通过YDT 2165-2010模块化UPS标准： 各项指标为类标准 通过中国节能产品认证 1项发明专利 2项新型实用专利 3项软件著作权产品主要特性宽输入电压范围，对电网有很好的适用性标准正弦波输出，锁相 期间为市电频率全面负载适用性，可带马达等感性、容性、阻性及混合负载智能化电池 管理，有效延长电池使用寿命模块标准化设计智能监控系统ABM电池管理智能风扇冷却设计APFC整流技术虚拟阻抗并联技术智能化数字控制热拔插并机技术优化三电平逆变技术航天青半创新科技 1、高可靠设计 模块化设计：系统由监控模块、功率模块

16、、配电单元 等组成，结构简单，稳定可靠； N+X冗余设计：功率模块采用并联冗余，消除了系统 中的单点故障瓶颈；X为多配置的热备份功率模块。 分散逻辑控制：各功率模块均独立控制，冗余性好 ； 虚拟阻抗并联设计：通过为逆变器提供电压指令值，产生 一个等效电阻，限制模块之间的环流； 两种逆变模式运行：低电压输入时，整流逆变和电池逆 变可同时工作，使输出不降额，并延长电池放电时间。2、绿色节能 APFC整流技术：采用IGBT整流设计，输入功率因数高， 低谐波电流，减小无功损耗； 高效拓扑结构：采用三电平逆变技术，减小电流的开 关损耗、电感损耗和谐波电流； 智能风扇冷却：根据负载功率大小自动调节风扇转速

17、， 节能降噪。 蓄电池冷启动：最低1:1匹配发电机供电。 （通常发电机配比，高频机2：1，工频机3：1）34APFC整流设计（主动式）35低能耗设计（电路拓扑）逆变器三电平拓扑旁路切换拓扑36采用32位全数字化DSP控制 集成度高，简化电路结构，降低故障率。 处理速度快，事件处理及时、准确。 避免了模拟控制固有的硬件差异及参数漂移等缺陷。 DSP三相独立数字控制，带不平衡负载能力强，输出 电压失真度极低。 整机内部无任何电位器！37功率模块显示模块配电单元旁路模块功率模块容量：10kVA/8kW效率：94%支持双电源供电多制式工作： 支持3/1、3/3、1/1、1/3支持远程监控最大容量：12

18、0kVA支持热拔插运行38M1系列模块化UPS系统构造PFC整流及充电逆变旁路模块旁路逆变切换功率模块支持双电源供电39 单电源输入易于设计和安装，但其容错性不如分别提供整流器 单独输入和旁路输入的双入UPS。 单电源输入系统的输入断路器或开关可能出现单点故障。40M1A-G30kVA （3模块）M1A-G60kVA （6模块） M1A-G120kVA（1012模块）41M25M3系列模块化UPS功率模块旁路模块触摸屏显示配电单元功率模块容量：25kVA25kW 30kVA27kW效率：95%电池灵活配置（3050节）支持无旁路模块运行支持远程监控最大容量： 250kVA 300kVA 支持4

19、机架并联 正负电池供电，并机共用42M25M3系列UPS系统构造电池接入输入侧逆变直接输出整机无任何单点故障43M25系列模块化UPS主机规格M25-T125kVA （5模块）M25-T200kVA（810模块）M25-T75kVA （3模块）44M3系列模块化UPS主机规格M3-T150kVA （5模块） M3-T240kVA（810模块）M3-T90kVA （3模块）45 触摸式大屏显示LED+LCD 人机交互式界面 显控软件管理功能 通讯口设计（M1）M系列主要结构M1系列显示模块M25/M3系列显示模块46在线式双变换技术，标准正弦波交流电压输出，确保输出质量采用多级分散式控制技术，在

20、线更换而不影响系统运行，可完全抑制电网中各种浪涌干扰对设备和负载的冲击模块内部具备完整的 UPS 功能，集整流、逆变、充电和控制于一体，具备完善的保护功能及智能通信接口 具有热插拔功能，允许在不关闭系统、不切断电源的情况下取出和更换模块便于现场维护，易于扩容M系列主要结构M1系列功率模块10KVAM25M3系列功率模块25KVA 30KVA47 可靠性高，过载能力强：1000%，1 分钟 切换时间：1ms 具备很强自检、互锁、保护功能M系列主要结构M1系列旁路模块M25/M3系列旁路模块 可靠性高，过载能力强：1000% ，10ms 切换时间：0ms 具备很强自检、互锁、保护功能 通讯口设计（

21、M25M3）48M系列主要结构 双 DSP+双 CPLD 全数字 化控制 强大的运算能力可以将传 统 UPS 中大部分由硬件 完成的控制功能全部由软 件实现，真正实现全数字 化控制。49类型接线方式输入市电电池节数电压旁路切换时间输出功率因数安装维护并机情况最大单机容量M1多制式1/11/33/13/3标配双路市电输入64节/组(不可调)384V1ms0.8显示模块功率模块可热插拔不能并机120KVAM253/3标配单路市电输入选配双路市电输入40节/组3050节(可选)01功率模块旁路模块可热插拔可4机并联250KVAM30.9300KVAM1、M25、M3系列模块化UPS不同点50电流谐波

22、污染的标准要求标准传统UPSYD/T 1095-2008模块化UPSYD/T 2165-2010指标1类产品（APFC整流器）2类产品（12脉冲+输入滤波）3类产品（6脉冲+输入滤波）APFC整流器输入功率因数0.950.900.850.95（半载）0.99（满载）输入电流谐波总失真度5%15%25%10%（半载）5%（满载）七、关于UPS的标准要求51UPS效率的标准指标要求标准指标传统UPSYD/T 1095-2008模块化UPSYD/T 2165-2010效率(%)(满载)效率(%)(半载)效率(%)(满载)效率(%)(半载)10kVA82878310kVA9088929052UPS输出

23、性能的标准要求标准要求模块化UPSYDT 2165-2010传统UPSYDT 1095-20081类2类3类输出电压精度1%2%（3%）5%输出电压波形失真度线性负载2%3%5%非线性负载4%6%8%电压瞬变恢复时间（mS）20406053与同类模块化UPS谐波性能对比输入功率因数输入电流谐波半载满载半载满载航天青半M1 （10kVA）0.9910.9974.0%4.3%航天青半M25（25kVA）0.9950.9994.6%4.3%航天青半M3 （30 kVA）0.9970.9994.1%4.5%“先控”公司20 kVA模块0.9994.1%“英飞腾”公司10 kVA模块0.9956.67%

24、“志成冠军”公司20 kVA模块0.9968.7%“艾默生”公司 30 kVA模块报告0.9992.37%测试：THDui=4%0.9950.99722.9%12.1%八、同类产品性能比较54与同类模块化UPS带负载能力比较 输出功率因数 过载能力（分钟）输出电压不平衡度（不平衡负载）航天青半M1（10 kVA）0.810（1类）1.0%航天青半M25（25kVA）110（1类）0.8%航天青半M3（30 kVA）0.910（1类）0.3%“先控”公司20 kVA模块0.81.5（2类）2.35%“英飞腾”公司10 kVA模块0.81.0（2类）1.3%“志成冠军”公司20 kVA模块0.75

25、10（1类）0.3%“艾默生”公司30kVA模块报告110（1类）3.14%实测110（1类）2.1%注：不平衡度3%时，有一相会到212V，另外两相会到227V左右55与其他模块化UPS效率比较半载效率 （%）满载效率 （%）平均效率 （%）航天青半M1（10 kVA）93.993.892.7（200kVA）航天青半M25（25kVA）94.994.993.1 （400kVA）航天青半M3（30 kVA）95.094.993.1 （400kVA）“先控”公司20 kVA模块9593.06“英飞腾”公司10 kVA模块90.3692.2“志成冠军”公司20 kVA模块91.9“艾默生”公司 3

26、0kVA模块报告96.0实测95.394.956与其他模块化输出性能比较输出电压 精度（%）输出电压波形失真度（%）电压瞬变恢复时间 （ms）线性负载非线性负载航天青半M1（10 kVA）1类(-0.60.3)1类(1.2)1类(3.3)1类(0)航天青半M25（25kVA）1类(-0.50）1类(1.3)1类(2.5)1类(0)航天青半M3（30 kVA）1类(-0.60）1类(1.3)1类(2.6)1类(10)“先控”20 kVA模块2类(-1.12.4)2类(2.57)2类(6.0)1类(0)“英飞腾”10 kVA模块2类(-0.91.8)2类(2.07)2类(4.67)3类(60)“志

27、成冠军”20 kVA模块1类(-0.20.4)1类(0.8)2类(5.9)2类(40)“艾默生” 30kVA模块报告1类（00.4）1类(0.8)1类(10)测试1类（00.4）1类(0.7)2类(4.5)1类(10)57九、蓄电池1、概述 蓄电池是UPS系统中的一个重要组成部分，备用时间作为UPS系统的关键指标，其可靠程度取决于蓄电池性能，它也是整个UPS系统中平均无故障时间（MTBF）最短的一种器件。如果能够正确使用和维护，就能够延长其使用寿命，反之其使用寿命会大大缩短。582、蓄电池的种类及特点种类概 述优 缺 点铅酸电池一般型电池，也称为汽车用电池 2、需加水维护 3、期望寿命13年充

28、放电时会产生氢气，安置地点须设置 排风管以免造成危险 电解液呈酸性，腐蚀金属，需加水维护 价格低廉 铅酸免维护电池1、新型电池 2、无需加水 3、期望寿命为57年 密封式充电不会产生任何有害气体 摆设容易，不需考虑地点通风问题 免保养，免维护 放电率高，特性稳定 价格较高镍镉电池高级电池，用于特殊场合及特殊设备上2、需加水3、期望寿命2040年水为介质，充放电不会产生有害气体失水率低，但需要固定时加水及保养放电特性最佳可放置于任何恶劣环境， 价格极高593、蓄电池的外特性 目前在UPS电源中所采用的小型铅酸电池。 电池上标识“12V，100AH20HR”其中，12V 表示电池的电压；100AH

29、是电池的标准容量，是电流与时间的乘积；20HR是电池的放电速率C，可以理解为最大输出功率。 100AH20HR =5A，表示允许最大输出电流为5A，电池的放电电流越小，电池输出电压维持稳定的时间越长；放电电流越大，电池维持其输出电压稳定能力也差。604、蓄电池的充电 新的蓄电池在安装完毕后，一般要进行一次较长时间的充电，这叫初充电（通常蓄电池出厂已完成初充电）。蓄电池在放电终了后可进行再充电，这叫正常充电。 正常充电时，采用三阶段充电方式，即第一阶段为大电流恒流充电，快速回充 90%的电量，第二阶段恒压充电，活化电池特性并将电池完全充满，第三阶段转为浮充阶段，保持电池容量。智能电池管理智能电池

30、充电管理：电池放电后，系统采用61 所谓连续浮充制是指充电用的整流器和蓄电池是以并联供电的方式来运行的。在浮充的过程中，负载电流全部用整流器供给，这时蓄电池接受来自整流器的部分电流作为补充电池组自身的局部放电的消耗。蓄电池对负载不输出任何能量，在电路中只起平滑滤波的作用。 连续浮充除了经常保持一微小充电电流以补偿电池自身的局部放电外，另一方面，当UPS的负载突然增加时，蓄电池还可以在短期内提供很大的放电电流，有利于改善UPS的瞬态响应特性。625、备用时间及电池容量计算 蓄电池的最大放电电流可由下式计算： I = PcosEi 其中P-是UPS电源的标称输出功率。 cos：是负载的功率因数，一

31、般取为。 ：是逆变器的效率，一般也取为，在无输出变压 器高频UPS中，取为。 Ei：是蓄电池的放电终了电压，高频UPS标准配置是 12V，其浮充电压为；放电终了电压。636、蓄电池的检查和维护 蓄电池都会有自放电现象，如果长期放置不用，会使能量损失掉，因此需定期进行充放电。免维护电池由于采用吸收式电解液系统，在正常使用时不需要人工进行专门的维护工作，电池不会产生任何气体，但是如果使用不当，造成电池过充电，就会产生气体，此时电池内压就会增大,会将电池上的压力阀顶开，严重的会使电池鼓涨、变形、漏液甚至破裂，这些现象都可以从外观上判断出来，如发现上述情况应立即更换电池。641）电池安装 电池应安装在清洁、阴凉、通风、干燥的地方，并避免受到阳光、加热器或其他辐射热源的影响。电池正立放置, 不可倾斜角度，每个电池间端子连接要牢固。2）环境温度 环境温度对电池的影响较大，温度过高，会使电池过充电产生气体，温度过低，则会使电池充电不足，影响电池的使用寿命。因此，要求环境温度在25左右，UPS的浮充电压值通常是按此温度来设定的。7、蓄电池的使用653）充放电电流 电池充放电电流一般以C来表示，C