度培训讲义-UPS理论

UPS理论培训〔12学时〕目录一、UPS根本原理二、UPS选型与配置三、UPS应用方案四、补充材料一、UPS根本原理UPS概念与国标定义不间断电源〔UPS〕概念UninterruptiblePowerSystem(orSupply)是由电池组、逆变器和其他电路组成，能在电网停电时提供交流电力的电源设备。UPS概念与国标定义UPS具有以下几项根本功能：电网电压正常时，市电电压通过UPS稳压后供给给负载使用，性能好的UPS本身就是良好的交流稳压器；同时它还对机内的电池进行充电，贮存后备能量。电网电压异常时〔欠压、过压、掉电、干扰等〕UPS的逆变器将电池组的直流电能转换成交流电能维持对负载的供电。UPS在电网供电和电池供电之间自动进行转换，确保对负载的不间断供电。一般的电脑设备允许有很小的电力间断〔切换时间10ms以内〕，但精密的电脑设备和通信设备不允许电力有间断〔切换时间0ms〕，所以应确认你需要的UPS切换时间究竟是多少。UPS概念与国标定义电网存在的问题及危害市电停电：线路中断，事故及自然灾害硬件损坏、数据丧失、系统崩溃电压陷落：大型负载启动，电网超载硬件损坏、低压不能工作电源浪涌：大型负载关断，电网卸载过压烧坏设备干扰：射频干扰、电磁干扰等电脑死机、程序出错、通信出错频率波动：发电机转速改变或电力切换数据丧失、设备损坏、系统崩溃

电源突波：雷击或开关切换数据丧失、设备损坏内部结构一般组成：主回路包括：整流器、逆变器、充电器和电池组辅助电路有：输入滤波器、输出滤波器、旁路静态开关、旁路继电器、隔离二极管、显示界面、通讯接口等见电路框图和实际机器内部结构内部结构主控板充电板通讯板电源驱动板主变压器内部结构IGBT模块风机直流FUSE交流滤波电容交流FUSE直流母线及滤波电容整流模块主变压器自耦变压器逆变器〔DC/AC〕：是将直流电〔DC〕转换成交流电〔AC〕的变换器，UPS中利用逆变器将电池的能量变换成供交流负载使用的交流电。逆变器的性能各有不同，输出的交流电波形有阶梯波与正弦波〔SINEWAVE〕两种，失真系数〔THD〕也因逆变器其性能各有不同。整流器〔AC/DC〕：用来将交流电〔AC〕变换成直流电〔DC〕的变换器装置。充电器：用来对电池进行充电，使其充满电荷能量的一种装置。转换开关：在非在线式中用来将输出切换到市电供电或电池逆变供电的开关部件，一般由继电器或静态开关构成。UPS分类逆变器工作方式在线式后备式在线互动式逆变输出波形正弦波方波〔阶梯波〕按功率容量小功率中功率大功率电池后备时间长延时标机后缀“L〞供电体制单进单出、三进单出、三进三出并联与单机后备式UPS原理框图自动稳压DCAC充电器Vin转换开关Load后备式UPS市电正常后备式UPS市电停电自动稳压DCAC充电器Vin转换开关Load后备式UPSBack-upOff-line逆变波形方波为主切换时间4~10ms输出稳定度一般，±10%电池供电时，稳定度有限功率容量300~1000VA在线互动式UPS原理框图自动稳压DCACVinLoad输入开关输出转换开关在线互动式UPS二级稳压市电/逆变切换KI系列在线互动式UPS不升不降在线互动式UPS降压在线互动式UPS电池供电在线互动式UPSLineinteractive逆变波形正弦波逆变器充电器合一，充电能力强市电供电输出精度±10%电池供电时，精度±2%切换时间约4msCPU控制，智能化管理功率容量500~5000VA在线式UPS原理框图在线式UPSFR-UK系列在线式UPS市电正常在线式UPS市电停电在线式UPS市电恢复在线式UPS逆变器过温过载故障旁路FR-UK、KR具备故障旁路功能FR10、10M不具备在线式UPSOn-line切换时间0输出精度高±2~1%有工频化和高频化之分〔输出级变压器〕FR及FR-UK系列工频化KR高频化单机功率容量1KVA~625KVA三种类型UPS的比较不同市电电压，UPS的输出电池放电不带AVR的后备式工频机与高频机的差异工频机与高频机的比〔一〕序号比较的指标、性能高频UPS工频UPS1过载能力一般较强2抗输入浪涌能力一般较强3输出抗冲击/短路能力一般较强4输入PF值0.990.75整机效率85～90%75～85%6功率密度高小7零地电压相对较差，有高频分量相对较好工频机与高频机的比〔二〕序号比较的指标、性能高频UPS工频UPS8输出级元器件数量多少9功率器件容量小大10故障时器件损坏程度高低11可靠性一般好12可维护性较复杂简易13重量轻重14体积小大二、UPS选型与配置局部UPS标准局部UPS标准对UPS性能指标的需求局部UPS标准国外标准CISPR22：欧洲共同市场对电子设备所放射出的射频干扰所制定的标准，这个标准制定是要抑制由电源线或产品本身所放射出的辐射、，其标准中包含产品测试方法和射频极限值。EN50091：欧洲UPS平安标准，取代原有的IEC950规章，不过在这个规章中，有时仍延用IEC950的条款；此外，在EN50091中特别针对UPS增加了许多测试与限制，因此得到TUV、VDE等其它世界知名的安规组织的授权。UL1778：此为UL对UPS系统的测试平安规章。对UPS性能指标的需求局部标准部门简介1对UPS性能指标的需求局部标准部门简介2对UPS性能指标的需求局部标准部门简介3对UPS性能指标的需求局部标准部门简介4对UPS性能指标的需求摘自?通信用不间断电源-UPSYD/T1095-2000?线性负载电流与电源电压呈线性关系的负载，用正弦波电压对负载供电时，电流也应是正弦的I=U/ZI负载电流，U电源电压，Z负载阻抗包括电阻性的、电感-电阻性的、电容-电阻性的VA非线性负载参数Z不再为一个常量，而是一个由其他参数决定的变量，如电压或时间等，这样的负载为非线性负载包括整流的容性负载，可控硅或磁放大器控制的负载〔相控〕VA动态电压瞬变范围交流输入电压不变，负载从轻载到满载，从满载到轻载突变和输出为额定负载不变，交流输入中断或恢复供电时的输出电压变化量瞬变响应恢复时间当输入电压为额定值，输出为线性负载，输出电流由零至额定电流或由额定电流至零突变时，输出电压〔发生阶跃变化时起〕恢复到稳定值时止所需要的时间市电电池切换时间由电网供电切换到电池供电或由电池供电切换到电网供电所需要的时间在线式为0，后备式和互动式有切换时间一些负载不能承受切换时间，如路由器、一些效劳器旁路逆变切换时间从逆变器停止工作时起到电网直接供电时止或从电网直接供电起到恢复逆变器工作时止所需要的时间输出功率因数在理想正弦波电压情况下，有功功率与视在功率之比衡量对不同性质负载的带载能力一般0.5~0.8输出电流峰值因数当输出电流中存在着周期性非正弦波电流峰值时，UPS所允许的最大非正弦波电流峰值与输出电流有效值之比常见3:1，少数高达5:1UPS保护功能1输出过欠压保护UPS〔逆变器〕输出电压超过设定过、欠电压值时，发出声光告警并转为旁路供电抗雷击浪涌能力UPS应具有防雷装置，能承受模拟雷击电压波形10/700us，幅值为5kV的冲击5次，模拟雷击电流波形8/20us，幅值为20kA的冲击5次，每闪冲击间隔为1min，设备仍能正常工作电池过充电保护充电器失控导致过高的充电电压可能损坏电池，当充电电压过高时停止充电器对电池充电可保护电池限流保护UPS采用电子电路使UPS〔或充电器〕的输出电流限制在一定的极限值，以免电路或器件损坏。UPS保护功能2人机界面及智能管理LED、LCD界面，显示运行状态、工作参数自动监测、声光报警，人机对话设置参数本地通信接口〔接点式、RS232、RS485、RS422、USB〕，专用电源管理软件支持基于TCP/IP协议的网络信息传送，需网络适配器支持基于SNMP协议的网络管理，需网络适配器基于公用网通讯，支持基于公用网的信息传送，需适配器与MODEM

环境条件温度高温降低UPS的通风散热高温减短蓄电池寿命，低温降低放电容量过热使元器件参数漂移，老化、变形湿度枯燥易产生静电潮湿加速金属腐蚀分解霉变海拔影响通风对电解电容和蓄电池的影响振动、冲击、碰撞焊点脱焊，连接线断裂，接插件、紧固件松动，蜂鸣器和继电器日照加速元器件老化尘埃降低绝缘性能腐蚀性气体昆虫、霉菌极易损坏线路板、接插件、线缆用户关心的性能指标输入电压范围输入功率因数输出电压精度输出功率因数过载能力市电电池切换时间电源效率电池后备时间UPS的选用1〕确定所需UPS的容量：计算所有的负载总和S=S1+S2++Sn单位：VAUPS容量≥S÷0.8〔考虑UPS的抗冲击能力及扩容需要〕2〕确定所需UPS的类型：根据负载对输出稳定度、切换时间、输出波形的要求确定是选择在线式、在线互动式或后备式以及正弦波、阶梯波等类型。如果要使用发电机配短延时UPS，推荐使用在线式UPS，因为普通发电机的电压及频率的稳定性较差，用互动式或后备式可能导致工作不正常。某些品牌的UPS〔在线式〕带发电机时，当发电机输出频率变动大时，为保护自身而转旁路供电，所以此UPS不适合带发电机，购置时要了解清楚。UPS的选用UPS配置主机类型：工频在线式、高频在线式、在线互动式、后备式，通信用不间断电源功率容量：根据负载容量确定冗余供电系统：串联、并联、冗余开关结构：机架式、标准式电池产地：A合资、B进口、C国产三类品牌：YUASA、PANASONIC、LIBERTY、TOYO寿命：三~五年、十年、二十年容量：7、24、38、65、100后备时间：与电池容量对应电池箱柜柜式：G8、G16、G20、G40新型柜式：B8、B16、B20积木式：24B选项监控软件：RS232、干接点式SNMP网络适配器防雷器远程监控器三、UPS应用方案集中式供电与分布式供电UPS监控方案应用方案集中式供电与分布式供电集中式供电，便于电源管理和维护，放电时电池利用率高。但存在单机故障风险。 分布式供电，本钱较低，降低单机故障风险，不方便管理。集中式供电应用分布式供电应用综合式供电大功率UPS小功率UPS小功率UPS负载负载负载负载UPS监控方案本地RS232或USB通信接口+电源管理软件基于RS485的远程监控支持基于TCP/IP之上的网络信息传送，需网络适配器支持基于SNMP协议的网络管理，需网络适配器基于公用网通讯，支持基于公用网的信息传送，需适配器及MODEM

常用监控模式单台计算机监控一台UPS多台计算机监控一台UPS常用监控模式远程监控器常用监控模式SNMP网络适配器SNMP网络适配器应用某自助银行监控方案电源管理软件UPSilon2000通过RS232通信口与UPS连接，实时获取UPS信息并显示在屏幕上。用户可以从电脑画面上看到UPS运行状况、输入电压、输出电压、频率、温度等。与Powersoft相比增加拨打传呼功能，而且可以通过网络监控UPS。以下是UPSilon2000的各项功能特点：实时将UPS资料显示在屏幕上。侦测市电中断和电池低电压。设定每周和特别日自动开关机。自动弹出告警界面，拨打传呼和发送E-mail。可设定关机倒计时和告警间隔时间。系统关闭前自动储存文件，关闭系统。在关闭系统前储存和关闭开启的应用程序。可查看上次关闭系统所储存的应用程序档案。可查看电源异常状况的历史资料。UPSilon2000使用专用通信线。RS232串行通讯线Computer9-pinfemaleUPS9-pinmale235967应用方案UPS的可靠性问题提高供电可靠性的三种方案UPS的可靠性问题提高供电可靠性三种方案提高供电可靠性的方案主要有以下三种：输出主从备份方式〔冗余开关〕旁路主从备份方式〔串联热备份〕冗余并联备份方式〔并联热备份〕输出主从备份〔冗余开关〕输出主从备份方式：UPS1市电冗余转换器负载

UPS2

旁路主从备份旁路主从备份方式〔串联方式〕：市电备机主机旁路输入主输入负载UPS的串联热备份负载UPS的串联热备份负载冗余并联备份冗余并联备份方式：UPS1并联柜市电〔配电柜〕负载

UPS2UPS的并联热备份负载UPS的并联热备份负载提高供电可靠性三种方案三种方案特点比较比较的项目

串联方式输出主从方式冗余并联技术特点

技术简单技术好技术难度大可靠性

一般最高高主从关系

有，不易调换。有，容易调换可能有，不能调换切换时间

10ms5ms0ms相互通信

不需不需一般需要增容性

没有增容没有增容可依比例增容过载能力

不变不变短时过载能力比例增加。提高供电可靠性三种方案三种方案特点比较比较的项目串联方式输出主从方式冗余并联老化程度老化不一致老化不一致不存在负载均分性100％不均分100％不均分均分，不均衡度小于5％电池寿命需要定期对换需要定期对换不需对换。可维修性差，一般要停机维护好，可以在线热维护好，可以在线热维护备份模式1＋1形式1＋1或1＋2形式。N+m形式，灵活。系统成本低一般高较合适的场合3－10KVA的负载0.5－3KVA的负载10KVA以上的负载提高供电可靠性三种方案应用案例串联主从备份方式我公司已经采用几年，为FR-UK36、60、1110等普遍的用法。输出主从备份方式我公司的KTS－10产品，华为的DXB1.5M系统产品。冗余并联方式FR-UK/B系列产品。四、补充材料电阻的色码电池/电池组接地电磁兼容防护级别电阻的色码电阻的色码用两位和三位有效数字表示电阻值、允许偏差及电阻温度系数〔当需要表示时〕的色码应符合下述规定。第一色带应靠近电阻器的一端，各色带的位置和间隔应使其在读代码时不致混乱。电阻的色码与色码对应的各种数值，见下表电阻的色码电阻值为两位有效数字的色码标志例如电阻值为27000Ω和允许偏差±5%的电阻器电阻的色码电阻值为三位有效数字的色码标志例如电阻值为127000Ω和允许偏差±1%的电阻器电池/电池组

UPS所使用的电池通常是密闭铅酸免维护电池。这种电池的物理化学特性使其在充放电过程中几乎没有水分的损失，不需补充加水，密闭结构能够任意放置，也没有腐蚀气体产生，免去维护的烦恼。标准的电池电压有2V、4V、6V、12V，UPS最常用的是12V。一只电池电压不够，就用多只串联使用，形成电池组。电池/电池组注：密闭铅酸免维护电池的寿命其实与如何使用及使用环境密切相关，应注意以下几点：不能长期存放不使用，这样电池会失去活性，最终导致失效。电池适宜的环境温度是二十度左右，高于四十度寿命会缩短，低于零度那么有效容量下降。深度放电以后要及时回充，经常深度放电不利于电池寿命。过放电〔放电至低于电池额定下限电压〕对电池伤害很大。充电器的可靠性及适宜的充电能力对寿命至关重要。电池/电池组浮充和均充：浮充和均充都是电池的充电模式。浮充工作原理：当电池处于充满状态时，充电器不会停止充电，仍会提供恒定的浮充电压与很小浮充电流供给电池，因为，一旦充电器停止充电，电池会自然地释放电能，所以利用浮充的方式，平衡这种自然放电，小型UPS通常采用浮充模式。均充工作原理：以定电流和定时间的方式对电池充电，充电较快。在专业维护人员对电池保养时经常用的充电模式，这种模式还有利于激活电池的化学特性。注：智能型充电器具有根据电池工作状态自动转换浮充和均充的功能，可充分发挥浮充和均充各自的优势，实现快速充电和延长电池寿命。接地接地和接地电阻：各种电脑和通信设备都有接地线，并连接到机房或配电室的总接地线，称为地线。接地是利用共地线方式将线路各种干扰导入接地，以免杂讯对设备工作的影响，同时还可以防止电脑设备受到隐性伤害。地线对大地的导通性越好，接地效果就越好。接地电阻反映了导通性，接地电阻越小导通性越好。接地接地和接地电阻：各种电脑和通信设备都有接地线，并连接到机房或配电室的总接地线，称为地线。接地是利用共地线方式将线路各种干扰导入接地，以免杂讯对设备工作的影响，同时还可以防止电脑设备受到隐性伤害。地线对大地的导通性越好，接地效果就越好。接地电阻反映了导通性，接地电阻越小导通性越好。直流接地：在机房、通信设备的很多信号传输、通信中，所有的设备往往有一个共同的基准地，作为所有弱信号的参考地电位，该地就是所谓的“直流地〞。由于直流地上为弱信号，比较容易受到干扰，因而，直流接地与交流接地点/线要严格区分，否那么，通信设备可能无法正常工作和数据传输。接地防雷接地：对于交流、直流配电，在雷击频繁的地点往往需要安装有防雷装置，保护设备的平安。防雷装置的原理是通过适当的短接回路将雷击的电压、电流在设备端降低到平安的幅值，由于雷击信号较大，所以，一般需要有独立的地线和接地位置。在大楼的供电配电盘处，防雷接地应与交流的接地分开，保证雷击时的平安。而对于在机房内的UPS，一般防雷的地线可以和交流地线共用，因为此处的雷击信号已经较小。零地电压对负载的影响：一般的电脑、打印机、测试仪器等交流设备对于零地电压并没有很严格的要求，通常是小于5V即可〔当超出此值时也不一定会影响设备工作〕，这是因为这些设备的输入一般是整流性的开关电源，地线一般仅作为交流接地和电磁兼容接地。接地接地电阻是接地体的流