UPS电源基础知识及原理演示文稿

UPS电源基础知识及原理演示文稿现在是1页\一共有47页\编辑于星期一基本公式[欧姆定律]U=I×R电压=电流×电阻（伏特）=（安培）×（欧姆）现在是2页\一共有47页\编辑于星期一正弦电流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(sin2∏ft+∮)正弦电流的三要素：幅值Imax或有效值IrmsIrms=Imax/√2频率f或周期Tf=1/T相角∮现在是3页\一共有47页\编辑于星期一三相交流电路对称的三相交流电路有效值相等，频率相等，相位相差120度现在是4页\一共有47页\编辑于星期一三相负载星形连接的负载线电压和相电压间的关系是ULL=√3ULN=1.732ULN以市电电压为例，单相电压220V相间电压220×1.73=380V若总负载15KVA（对称负载）则：每相负载15/3=5KVA相电流=5000/220=22.73AL1L2L3N380V380V220V现在是5页\一共有47页\编辑于星期一基波与谐波基波：频率f为50HZ的正弦波；谐波：频率为基波的倍数的正弦波—2次谐波f=2*50HZ—3次谐波f=3*50HZ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；晶闸管、整流器等。—电流谐波会导致电压谐波在基波上叠加谐波=》波形会发生畸变

现在是6页\一共有47页\编辑于星期一基波与谐波无功和高次谐波电流对电网造成的危害：增加电网容量和配置导致电网电压畸变，严重干扰其他用电设备导致变压器等电气设备损耗增大，过热，绝缘老化，降低寿命引起计算机等精密电子设备运行不正常引起异步电机振动加剧，噪声增大对通讯线路、测量线路产生辐射干扰影响电能计量精度。。。。。。。现在是7页\一共有47页\编辑于星期一基本概念整流：交流AC直流DC

逆变：交流AC直流DC串联并联现在是8页\一共有47页\编辑于星期一基础知识视在功率S（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P（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Q（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cos∮指负载从交流电源吸取的有功功率与视在功率的比。S=U×ICOS∮=P/SS=P+Q222现在是9页\一共有47页\编辑于星期一专业名词UPS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。UPS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。UPS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UPS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。现在是10页\一共有47页\编辑于星期一专业名词输出电压稳定精度指在市电—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20-30%范围内变化。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。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（50HZ）的百分比。现在是11页\一共有47页\编辑于星期一专业名词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。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3—4，大小由负载决定。该指标主要用来衡量UPS的输出能力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。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。现在是12页\一共有47页\编辑于星期一专业名词电压浪涌指一个或多个周期电压超过额定电压值的110%电压尖峰指在二分之一周至100ms期间内叠加的电压脉冲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过压指超出电网电压正常有效值一定百分比的稳定电压电压跌落指一个或多个周期电压低于80%~85%额定电压有效值欠压指低于正常电压有效值一定百分比的稳定低电压电源中断指超过一个周期的无电压状态现在是13页\一共有47页\编辑于星期一UPS概念变化UPS(UninterruptablePowerSupply)不间断电源——为重要部门电网掉电提供持续供电保障50-70%都为电源故障，停电占百分之几对于供电质量提出了更高的要求UPS(UninterruptablePowerSystem)产品——系统，高可靠、高性能、高度自动化的供电中心主机运行高效、高可靠、适应性强（电网、负载）高可用性和可维护性很强的网络保护功能现在是14页\一共有47页\编辑于星期一UPS分类按电路主结构分类:·后备式

·在线互动式

·双变换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/三相输出从技术结构分:·工频机

·高频机从输出容量分类:·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）

50KVA·大型（大于50KVA）现在是15页\一共有47页\编辑于星期一UPS作用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。

b.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挡在负载之前。

c.电压变换/稳压作用。

d.频率变换/稳频作用。

e.提供一定的后备时间。现在是16页\一共有47页\编辑于星期一影响UPS运行的几种市电问题电涌（powersurges）：指输出电压有效值高于额定值110％，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。高压尖脉冲（highvoltagespikes）：指峰值达6000v，持续时间从万分之一秒至二分之一周期（10ms）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。暂态过电压（switchingtransients）：指峰值电压高达20000V，但持续时间界于百万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。

电压下陷(powersags）：指市电电压有效值介于额定值的80％至85％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。电线噪声（electricallinenoise）：系指射频干扰(RFI)和电磁干扰（EFI）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。

频率偏移（frequencyvariation）：系指市电频率的变化超过3Hz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。持续低电压（brownout）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。现在是17页\一共有47页\编辑于星期一影响UPS运行的几种市电现象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现在是18页\一共有47页\编辑于星期一衡量UPS的优劣UPS主机要对电网环境有较强的适应能力要注意UPS对各种负载的适应能力提高电池性能，加强对电池的管理系统配置的灵活性和冗余功能智能化和网络保护能力对UPS硬件系统的考察现在是19页\一共有47页\编辑于星期一UPS原理基本分类后备式（off—line）在线互动式（line—interactive）双变换在线式（on—line）现在是20页\一共有47页\编辑于星期一后备式（off—line）智能调压充电器DCACVin输出转换开关现在是21页\一共有47页\编辑于星期一后备式特点效率高达98%UPS本身不产生附加输入功率因数、谐波电流市电存在，输出能力强存在转换时间（4ms左右），满足一般负载要求电压稳定精度不高输出转换开关，受切换电流能力和动作时间限制，功率做不大现在是22页\一共有47页\编辑于星期一在线互动式（line—interactive）输入开关智能调压ACDCVin现在是23页\一共有47页\编辑于星期一在线互动式特点效率高达98%UPS本身不产生附加输入功率因数、谐波电流市电存在，输出能力强存在很短的转换时间电压稳定精度不高逆变器同时有充电功能，节省UPS（后备）附加充电器现在是24页\一共有47页\编辑于星期一双变换在线式（on—line）VinVout旁路开关（Ⅰ）（Ⅱ）ACACDCDC现在是25页\一共有47页\编辑于星期一双变换在线式特点提供高质量的电源市电掉电，无任何转换时间UPS功率余量有限输入功率因数低（THD高）整机效率不高现在是26页\一共有47页\编辑于星期一UPS的可靠性与可用性MTBF—平均无故障时间MTTR—故障恢复时间MTBF+MTTR—一个服役周期A—可用性MTBF—即为可靠性，提高A，增大MTBF，减小MTTRMTBFMTTRT（年）A=MTBF/MTBF+MTTRA=1/1+MTTR/MTBFMTBF=》∞，A=》100%MTTR=》0，A=》100%现在是27页\一共有47页\编辑于星期一可靠性和可用性提高提高可靠性元器件的选用UPS的拓扑结构UPS的制造工艺并机、冗余技术提高可用性现场维修时间TRUPS管理响应时间TMUPS技术服务系统TS现在是28页\一共有47页\编辑于星期一电源系统实现冗余的几种方式单机InputOutputStaticBypassBypassPanel现在是29页\一共有47页\编辑于星期一电源系统实现冗余的几种方式隔离冗余方式（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现在是30页\一共有47页\编辑于星期一隔离冗余方式（串联并机）隔离冗余热备份（即串联冗余）

UPS热备份即UPS串联冗余，有主机和从机之分。其基本原理是：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。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。

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，出现瓶颈故障。

2．在市电故障，市电超限时，因为UPS封锁旁路，所以主、从机无法切换，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，影响电池寿命。

4．目前尚无一个简单的方式实现"互为热备份"。现在是31页\一共有47页\编辑于星期一UPSBUPSAUPSA主输入UPSA旁路输入UPSA主输入UPSB旁路输入负载UPSA输出UPSB输出模块式并联电源系统实现冗余的几种方式现在是32页\一共有47页\编辑于星期一集中式并联负载并机柜旁路现在是33页\一共有47页\编辑于星期一负载UPSA主输入并机柜系统旁路UPSB主输入集中式并联现在是34页\一共有47页\编辑于星期一并联冗余方式（一）

并联冗余是将多于两台同型号、同功率的UPS，通过并机柜、并机模块或并机板，把输出端并接而成。

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

现在是35页\一共有47页\编辑于星期一并联冗余方式（二）要实现并联冗余，必须解决以下技术问题：

1．各UPS逆变器输出波形保持同相位、同频率；

2．各UPS逆变器输出电压一致；

3．各UPS必须均分负载；

4．UPS故障时能快速脱机。

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UPS要在满负载运行时调节功率均分。另外：输入、输出线长、线径都是影响均分的因素。

2．并机柜系统如发生故障，将中断整个系统供电（瓶颈故障）。

现在是36页\一共有47页\编辑于星期一采用DSP控制技术，具有高超的冗余并联运行技术（采用DSP技术并机）1．并机运行的UPS独立控制电压与相位，没有公共控制部分，不存在瓶颈故障。

2．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。3．由于采用DSP控制技术，并机运行的每台UPS输出滤形，电压都非常一致，因此并机环流很小。

4．多机并联运行，NET90系列最多可达8台并联。5．在并联系统中任意一台UPS故障时，DSP控制技术可以在正弦波的任意一点切换，使故障UPS快速脱机，由其它UPS继续不间断地供电。

现在是37页\一共有47页\编辑于星期一并联冗余技术的要点说明

大功率UPS相位跟踪在±3°，两台UPS并联有可能在相位上相差6°，造成电压差，sin6°=30V，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而烧毁。另外，UPS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，世界上并机技术较好的公司可将环流控制在1-2%。现在是38页\一共有47页\编辑于星期一UPS与逆变器的比较（一）（一）UPS形式：

1．UPS可工作在市电状态下由逆变器向负载供电。

2．UPS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。

3．UPS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。

4．UPS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。

（二）逆变器形式:

B交流输出

A静态开关

1．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，静态开关置于B处，由市电或发电机电力供应至负载。

2．此种形式之逆变器，适用于功率大约在5KVA至10KVA之间。

现在是39页\一共有47页\编辑于星期一UPS与逆变器的比较（二）（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。（二）输出功率的比较

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10KVA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，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，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。

现在是40页\一共有47页\编辑于星期一UPS与逆变器的比较（三）（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30%，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。

（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2mm厚的防锈钢板，同时还采用了高射频干扰（RFI）滤波器，在保持了优美外观的同时，更避免了对人体及其它设备的辐射及干扰，而逆变器本身对电池后面的直流设备，如程控交换机等就具有较大的射频干扰。

（五）电气性能比较

UPS做为一个完整独立的电源系统，在世界上已应用几十年，且技术成熟，生产厂家规模庞大，而逆变器生产厂家规模小，电气性能标准较低，在性能上难与UPS相提并论。现在是41页\一共有47页\编辑于星期一铅酸免维护电池的使用寿命与放电深度的关系放电深度—指用户在使用蓄电池的过程中，让电池放出的安

时数与它标称容量安时数的百分比电池的使用寿命和放电深度密切相关3—5年寿命电池放电深度100%—200/250次放电循环放电深度50%—500/600次放电循环放电深度30%—1200次以上UPS满载/半载——放电到自动关机，大约30%放电深度UPS过度轻载——放电到自动关机，放电深度过深而提前损坏禁：UPS小电流、长时间放电（空载）现在是42页\一共有47页\编辑于星期一UPS后备时间与蓄电池放电效率的关系1009080706050403020100%蓄电池放电效率T（小时）后备延长放电时间0246102030现在是43页\一共有47页\编辑于星期一UPS后备时间的计算能量守恒（小功率模拟计算）

停电后，UPS作为供电设备提供负载继续工作的电能是由UPS的后备蓄电池存储的能量释放出来的，因此：以10KVA为例，延长4小时10KVA*4H=192V（直流供电电压）*