不间断电源UPS(交流)

Pg1Pg1 第章 UPS 电源 ... . 2 第一节 UPS 的分类 ... ... 2 1. 按电路主结构分类 ... ... 2 2、按后备时间分类 ... .. 3 3、按输入/输出方式分类 ... .. 3 4、按输出波形分类 ... .. 4 5、按输出容量分类 ... .. 4 第二节 UPS 的电路结构和工作原理 ... ... 4 一．主要组成部分 ... . 4 二． 后备式 UPS ... ... 6 1.电路各环节的功能 ... . 6 3.后备式正弦波输出 UPS 的主要特点 ... .. 7 4.后备式方波输出 UPS 的主要特点 ... ... 8 三． 在线式 UPS ... . 9 1．双变换在线式 UPS ... . 9 2.在线式正弦波输出 UPS 的特点 ... .. 12 四． 在线互动式 UPS ... .. 13 五．串并联调整式 UPS ... ... 14 第三节 UPS 冗余供电 ... .. 16 一． UPS 的热备份连接 ... . 16 二．UPS 并联冗余方式 ... ... 18 第四节 UPS 蓄电池监测管理 ... . 27 一、蓄电池容量配置 ... . 28 二、蓄电池的智能化管理 ... .. 29 第五节 油机组与 UPS 的兼容... . 31 一、同步发电机的电枢反应 ... . 33 二、油机组与 UPS 的功率匹配 ... .. 36 第六节 电信机房 UPS 配置 ... .. 37 一、UPS 与逆变器的比较 ... .. 37 二、电信机房供电系统的设计... . 40 第七节 UPS 的安全使用与检修 ... . 43 一、 UPS 的安全使用 ... .. 43 二、UPS 日常维护 ... .. 45 三、UPS 的故障诊断及对策 ... . 46 Pg2Pg2 第 3 章 交流不间断电源 UPS 2 第章 UPS 电源 随着科学的发展社会的进步，一些重要用户的关键设备如互联网数据中心、银行清算中 心、证券交易系统、通信网管中心等，要求提供高质量的无时间中断的交流电源。根据我国 国家GB2387-89 规定，对于需要配置不间断电源的计算机房提供的交流电源至少应满足： 380V/220V、50HZ、三相五线制、电压波动小于+-5%、频率波动小于+-0.5%、波形失真小于 +-5%。此外可能产生的任何瞬态供电中断应控制在 5 ms 以内。一般的微机和服务器所允许 的瞬态供电中断时间在 8 至 10ms 的范围。若超过此范围，就会造成微机进入误动作或自检 程序，从而造成正在运行的数据或程序被破坏和丢失的不利局面。另外过频的瞬态中断引起 的峰值高达 400V 左右的瞬态干扰是造成服务器产生偶发性自动关机的重要原因之一。因此 寻找一种“干净”的不中断的电源系统将非常必要。 第一节 UPS 的分类 目前，市场上 UPS 品牌和种类繁多，但可从电路主结构、后备时间、输入/输出方式、输 出波形和输出容量等五个方面对其进行分类，其中按电路主结构进行分类是目前᳔常用的分 类。 1. 按电路主结构分类 （1）后备式 UPS 早期的后备式 UPS 在市电供电正常时，市电直接通过交流旁路和转换开关向负载供电， 交流旁路相当于一条供电回路，逆变器不工作，此时供电效率高但质量差。近年出台的后备 式 UPS 往往在交流旁路上配置了交流稳压电路和滤波电路加以改善。当市电异常（市电电压、 频率超出后备式 UPS 允许的输入范围或市电中断）时，后备式 UPS 通过转换开关切换到由 蓄电池提供电能的状态，逆变器进入工作状态，此时输出波形为交流正弦波或方波。后备式 UPS 存在切换时间，一般为 4～10ms，但对一般的计算机设备的工作不会造成影响。 (2)在线式 UPS 在线式 UPS 一般采用双变换模式。当市电正常时，在线式 UPS 输入交流电，通过充电 电路对蓄电池进行充电，同时 AC/DC 电路将交流电转换为直流电，然后通过脉冲宽度调制 技术，由逆变器再将直流电逆变成正弦波交流电供给负载，起到无级稳压的作用。而当市电 中断时，后备蓄电池开始工作，此时蓄电池储存的电能通过逆变器变换成交流正弦波或方波 并供给负载，因此无论是在市电供电正常时还是在市电中断由蓄电池逆变供电期间，逆变器 始终处于工作状态，这就从根本上消除了来自电网的电压波动和干扰对负载的影响，真正实 现了对负载的无干扰、稳压、稳频以及零转换时间。 （3）串并联调整式 UPS 中国自动化招聘网 http://www.autozhaopin.com/ Pg3Pg3 第 3 章 交流不间断电源 UPS 3 串并联调整式 UPS 多采用双逆变电压补偿技术也称为 Delta 技术，它成功地将交流稳压 技术中的电压补偿原理运用到 UPS 的主电路中。当市电正常时，两组逆变器只对输入电压与 输出电压的差值进行调整和补偿，逆变器承担的᳔大功率仅为输出功率的 20%，所以功率强 度很小，功率余量大，这就增强了 UPS 的输出能力和过载能力，不再对负载电流波峰系数予 以限制，可从容地对付冲击性负载，也不再对负载功能因数进行限制，输出有功功率可以等 于标定的 KVA 值。 （4）在线互动式 UPS 在线互动式 UPS 是介于后备式 UPS 和在线式 UPS 工作方式之间的 UPS 设备，它集中了 后备式 UPS 效率高和在线式 UPS 供电质量高的优点。在线互动式 UPS 的逆变器一直处于工 作状态，具有双向功能：在市电正常时，UPS 的逆变器处于反向工作状态，给蓄电池组充电， 起充电器的作用；在市电异常时，逆变器立刻转入逆变工作状态，将蓄电池组的直流电转换 为交流正弦波输出。在线互动式 UPS 也有转换时间，但比后备式 UPS 短，保护功能较强。 另外，它还采用了铁磁谐波变压器，抽头调压在市电供电时具有较好的稳压功能。 2、按后备时间分类 （1）标准机 配备有内置蓄电池组的 UPS 称为标准机。一般配置蓄电池容量较小，用于短时间供电 （如 5-15 分钟），使用户及时保存数据和系统正常关机。由于受体积和重量的限制，标准机 仅局限于中、小功率的 UPS。 （2）长效机 需外接蓄电池组的 UPS 称为长效机，长效机的容量从几百伏安到几十千伏安可供选择。 在实际应用中长效机有着很大的机动性，用户可以根据自己所需后备时间的长短来确定采用 何种容量的蓄电池。UPS 的后备时间与蓄电池容量的关系可以根据以下的公式来确定： （1-1） 其中：C——蓄电池容量，单位为安时（Ah）； P——UPS 的额定功率，单位为伏安(VA)； PF——UPS 的功率因数； U——蓄电池组的直流端电压(V)，为单节电池额电压与蓄电池节数的乘积； η——逆变器的效率，为 0.86； C1——蓄电池的放电速率，该值可以根据 UPS 所需后备时间 t 长短在电池的放电 曲线图上查得，例如当 t=1h 时，C1=0.55，t=2h 时，C1=0.35，t=4h 时，C1=0.20，t=8h 时， C1=0.11。 3、按输入/输出方式分类 中国自动化招聘网 http://www.autozhaopin.com/ Pg4Pg4 第 3 章 交流不间断电源 UPS 4 根据输入/输出方式，可分为单相输入/单相输出 UPS、三相输入/单相输出 UPS 和三相 输入/三相输出 UPS。 小功率 UPS 都采用单相输入/单相输出方式，而中、大功率 UPS 多采用三相输入/单相 输出和三相输入/三相输出方式，对于用户来说，采用三相供电时市电配电和负载配电比较容 易，每一相都承载一部分负载电流。 4、按输出波形分类 按输出波形，可分为输出波形为正弦波的 UPS 和输出波形为方波的 UPS。输出波形为 方波的 UPS 不适合带感性负载，因为感性负载会使方波产生瞬态尖波，从而给 UPS 和负载设 备造成破坏。大多数后备式 UPS 的输出波形为方波。 5、按输出容量分类 按输出容量，可分为微型 UPS（输出功率小于或等于 1kVA）、小型 UPS（输出功率大于 1kVA 而小于 5kVA）、中型 UPS（输出功率大于 5kVA 而小于或等于 30kVA）以及大型 UPS（输 出功率大于 30kVA 而小于或等于 100kVA）。 第二节 UPS 的电路结构和工作原理 从主电路结构和不间断供电的运行机制来看，目前技术成熟并已形成产品的各种 UPS 主 要有四大类：后备式 UPS、在线互动式 UPS、双变换在线式 UPS 以及串并联调整式 UPS(Delta 变换器)。如果按技术性能的优劣来排序，则双变换在线式 UPS>串并联调整式 UPS(Delta 变 换器)>在线互动式 UPS>后备式正弦波 UPS>后备式方波 UPS。 一． 主要组成部分 中国自动化招聘网 http://www.autozhaopin.com/ Pg5Pg5 第 3 章 交流不间断电源 UPS 5 图 1.1 小型在线式 UPS 框图 由于 UPS 功能的不同，其主电路结构和工作原理区别很大，但一般都包括以下组成部分。 1.整流充电器 整流充电器可以把市电或油机的交流电能变为直流电能，为逆变器和蓄电池提供能量， 其性能的优劣直接影响 UPS 的输入指标。 (1)可控硅整流器 可控硅整流器输出容量大，可靠性高，工作频率低，滤波器体积大，噪声大，适用于输 入电压低、功率大的 UPS。 (2)二极管与绝缘栅双极晶体管 (IGBT)组合型整流器 二极管与 IGBT 组合型整流器的工作频率高，具有功率因数校正功能，滤波器体积小， 嗓声低，可靠性高，适用于中小功率 UPS。 2. 逆变器 逆变器用以把市电经整流后的直流电能或蓄电池的直流电能转换为电压和频率都比较稳 定的交流电能，其性能的优劣直接影响 UPS 的输出性能指标。IGBT 逆变器工作频率高 (2OkHz)，滤波器体积小，噪声低，可靠性高。 3.旁路开关 旁路开关是为提高 UPS 系统工作的可靠性而设置的，能承受负载的瞬时过载或短路电流。 因 UPS 的逆变器采用电子器件，如 IGBT 管的过载能力仅为 125%，当 UPS 供电系统 出现过载 或短路故障时，UPS 将自动切换到旁路，以保护 UPS 的逆变器不会因过载而损坏。UPS 供电系 统转入旁路供电后，是由市电直接供给负载的，因市电的系统容量大可提供足够的时间使过 载或短路回路的断路器跳闸，待系统切除过载或短路回路后，旁路开关将自动转换回来，由 UPS 继续向其他负载供电。旁路开关可分为以下几种。 (1)静态旁路开关 中国自动化招聘网 http://www.autozhaopin.com/ Pg6Pg6 第 3 章 交流不间断电源 UPS 6 静态旁路开关为无触点开关，由晶闸管开关器件构成。所谓电子式静态转换开关，是将 一对反向并联的快速晶闸管连接起来，作为 UPS 在执行由市电旁路供电至逆变器供电切换操 作时的元件。由于快速晶闸管的接通时间为微秒级，同小型继电器毫秒级的转换时间相比， 它只是小型继电器的千分之一左右。因此，依靠这种先进技术，可以对负载实现转换时间为 零的不间断供电。正常工作时，只有逆变器供电通道或交流旁路电源通道中的一路电源向负 载供电。只有当 UPS 需要执行由交流旁路电源供电至逆变器供电切换操作时，才会出现短暂 的 (约几毫秒至几十毫秒)两路交流电源在时间上重叠向负载供电的情况。静态开关可以将转 换时间缩短到 lms 以下，甚至 1OOus 以内，但损耗较大。 (2)动态旁路开关 动态旁路开关为有触点开关，由接触器和断路器构成，靠机械动作完成转换，动态开关 转换过程会有几十毫秒的供电中断，故不能应用于重要的负载场合，现代的 UPS 己很少采用。 4.蓄电池 蓄电池用以为 UPS 提供一定后备时间的电能输出。在市电正常时，由充电器为其提供电 能并转换为化学能；在市电中断时，其将化学能再转换为电能，为逆变器提供能量。 二． 后备式 UPS 后备式 UPS 是静止式 UPS 的᳔初形式，因为应用得早，用得广泛，因而技术和产品都是 很成熟的。后备式 UPS 的电路结构加图 11 所示。 图 1-1 后备式 UPS 的电路结构 1.电路各环节的功能 （1）充电器 当市电正常时，充电器对蓄电池进行充电和浮充电。 （2）DC/AC 逆变器 当市电存在时，逆变器不工作；市电中断时，由它将直流电压（由蓄电池供给）转变成符 合负载要求的交流电压，电压波形有方波、准方波和正弦波三种形式。 （3）输出转换开关 当市电存在时，输出转换开关接通输入电源，向负载供电；市电中断时，输出转换开关在断 开市电回的同时接通逆变器，继续向负载供电。 （4）智能调压电路 中国自动化招聘网 http://www.autozhaopin.com/ Pg7Pg7 第 3 章 交流不间断电源 UPS 7 市电存在时，智能调压电路可用来调节并稳定输出电压。 2.后备式 UPS 的工作原理 后备式 UPS 的工作原理为：当电网供电正常时，一路市电通过整流器对蓄电池进行充电， 而另一路市电通过自动稳压器初步稳压，吸收部分电网干扰后，再由旁路转换开关直接提供 给用户。此时，蓄电池处在充电状态，直到蓄电池充满而转人浮充状态。后备式正弦波输出 UPS 的电路采用了抗干扰式分级调压稳压技术，当市电电压 180—250V 之间变化时，其电压 稳定度达±5%，UPS 相当于一台稳压性能较差的稳压器，仅对市电电压幅度波动有所改善， 对电网上出现的频率不稳、波形畸变等“电污染”不作任何调整。 当电网电压或电网频率超出 UPS 的输入范围时，即在非正常的情况下，交流电的输入被 切断，充电器停止工作，蓄电池进行放电，在控制电路的控制下逆变器开始工作，使逆变器 产生 220V、50Hz 的交流电，此时 UPS 供电系统转换为由蓄电池一逆变器继续向负载供电。 后备式 UPS 的优点是：产品价格低廉，运行费用低。由于在正常情况下逆变器处于非工 作状态，电网电能直接供给负载，因此后备式 UPS 的电能转换效率很高。蓄电池的使用寿命 一般为 3～5 年。 后备式 UPS 的缺点是：当电网供电出现故障时，由电网供电转换到蓄电池经逆变器供电 瞬间存在一个较长的转换时间。对于那些对电能质量要求较高的设备来说，这一转换时间的 长短是至关重要的。再者，由于后备式 UPS 的逆变器不是经常工作的，因此不易掌握逆变器 的动态状况，容易形成隐性故障。后备式 UPS 一般应用在一些非关键性的小功率设备上。 从上面后备式 UPS 的工作原理可以看出，在大部分供电时间内，负载所使用的电源就是 市电(或经过调压器简单调压的市电)，负载还是会承受从市电网路进来的浪涌、尖脉冲、干 扰、频率漂移等不良影响。显然，这时的 UPS 实质上是一台性能较差的稳压器，只能对市电 的电压高低问有所改善，而不能解决大部分市电供电中的问题，它是一种价格便宜、技术 含量较低的 UPS，适合不太重要的单台 PC 机使用。 3.后备式正弦波输出 UPS 的主要特点 后备式正弦波和方波输出的区别，主要就是逆变器工作时，输出的波形的不同。后备式 正弦波 UPS 把蓄电池储存的直流电转换为正弦交流电，向负载提供的是高质量的无干扰的正 弦波交流电。后备式正弦波输出 UPS 的单机输出功率为 0.25—2kVA，它具有以下特点： ①后备式正弦波输出 UPS 的波形失真系数小于 5%。当后备式 UPS 的负载过轻时，其波形 失真系数将有所增大，因此这种 UPS 的负载需达到其额定值的 30%以上。 ②后备式正弦波输出 UPS 的控制电路采用了 5OHz 市电同步技术，在一定程度上解决了市 电一逆变器之间供电转换时的交流电同步问题。目前，市售产品的转换时间大约为 4ms。也 就是说，这类 UPS 在进行市电——逆变器供电转换时，其转换时间决定了它对负载大约有 4ms 的供电中断，小于微型计算机允许的中断值 lO ms。 ③后备式正弦波输出 UPS 处于市电供电状态时，由于市电是直接通过抗干扰滤波器对负 中国自动化招聘网 http://www.autozhaopin.com/ Pg8Pg8 第 3 章 交流不间断电源 UPS 8 载供电的，因此噪声较小；处于逆变器工作状态时，由于脉宽调制频率为 8kHz，因此噪声偏 大，一般在 55dB 左右。 ④后备式正弦波输出 UPS 在市电或逆变器供电时均采用同一电源变压器，其交流输出端 的相线与零线的位置是固定的。用户在连接这种 UPS 输出端的相线与零线时，必须遵守厂家 的有关规定。另外要说明的是，220V 交流输出的零线也就是 UPS 控制电路的地线。 4.后备式方波输出 UPS 的主要特点 后备式方波输出 UPS 的单机输出功率为 0.25～lkVA。该机型与后备式正弦波输出 UPS 的不同之处在于：当市电电压低于 180V 或高于 250V 时向负载提供的是具有稳压特性的 5OHz 方波电源。后备式方波输出 UPS 适宜接电阻性负载，如果接感性负载的话，会烧毁 UPS 的逆 变器或对负载造成损坏。后备式方波输出 UPS 具有以下特点： ①后备式方波输出 UPS 在电路设计中采用了抗干扰式分级调压稳压技术。当市电电压在 180～250V 之间变化时，它仍能向微型计算机提供抗电网干扰的稳压电源；当市电中断时， 它向负载提供的交流电不是正弦波而是方波，其电压稳定度可达±5%。 ②后备式方波输出 UPS 的逆变器输出的方波脉冲宽度和峰值与负载电流的关系是：负载 越重，方波脉冲的宽度越大，而方波脉冲的峰值越小。当 UPS 空载时，方波脉冲的宽度᳔窄 (约 98°)，方波的峰值᳔大 (约 311V)。因此，这种 UPS 在从市电供电转换到逆变器供电的瞬间， 负载要承受严峻的电压冲击。同时，由于方波输出中包含有大量的高次谐波分量，因此相对 于方波输出 UPS 而言，负载的整流滤波电容要承受较大的容性电流冲击。 ③后备式方波输出 UPS 在线路设计中没有采取 50Hz 市电同步技术，因此在进行市电-一逆 变器供电转换过程中，有可能出现瞬时的交流电短路，有时负载在转换瞬间要承受接近电源 电压两倍的电压的冲击。另外，方波输出时其正、负方波电压脉冲之间有可能出现近 5ms 的 零电压时间，加上在市电供电---逆变器供电转换过程中继电器有约 4ms 的转换时间，就可能 出现 9ms 的供电中断。也就是说/这种类型 UPS 转换时间的长短带有偶然性，其变化范围为 4～ 9ms。 ④后备式方波输出 UPS 不管是处于市电供电状态还是逆变器供电状态，它的工作频率都 是 5OHz，所以这种 UPS 的噪声较小。 ⑤后备式方波输出 UPS 在市电供电和逆变器供电时都采用同一电源变压器，它的交流输 出相线与零线的位置是固定的，用户在连接这种 UPS 输出线的相线和零线时，必须遵守厂家 的有关规定，不能改变其相互关系。 ⑥后备式方波输出 UPS 的产品说明书规定，它只能连接微型计算机及其外围设备，不能 同其他性质的负载相连。否则，产品的技术性能得不到保证，还有损坏 UPS 的危险。 ⑦后备式方波输出 UPS 不能进行频繁的关闭和启动操作。一般要求在关闭 UPS 后至少要等 待 6，左石才能再次开启，否则可能出现既无市电输出又无逆变器电压输出的不正常现象。 中国自动化招聘网 http://www.autozhaopin.com/ Pg9Pg9 第 3 章 交流不间断电源 UPS 9 三． 在线式 UPS 对电源要求越来越高的信息设备，采用后备式和互动式 UPS 时其供电的技术指标都不如在 线式 UPS。所谓在线式，是指不管电网电压是否正常，负载所用的交流电压都要经过逆变电 路，即逆变电路始终处于工作状态。在线式 UPS 一般为双变换结构。所谓双变换是指 UPS 正 常工作时，电能经过了 AC/DC、DC/AC 两次变换后再供给负载。 当然为了提高的可靠性，双变换大线式 UPS 一般增加了自动旁路电路。小功率采用继电 器转换便能满足要求，而大功率一般为采用可控硅（SCR）方式的静态开关。功率较大的 UPS 在此基础上还增加了手动旁路（维修开关），用于维修时保证负载继续运行。 1．双变换在线式 UPS 1）电路各环节功能 当前，绝大多数在线式 UPS 都采用双变换电 路结构，图 1-2 为双变换在线式 UPS 结构图。 ①变换器 1：该变换器为 AC/DC 单向变换。 当市电存在时，它完成对蓄电池的充电，并 通过变换器 2 向负载供电。该变换器多为不 可控整流或可控整流电路。 ②变换器 2：该变换器为 DC/AC 单向逆变。当市电存在时，它由变换器 1 获得直流电能后再 转换为交流电源；当市电中断时，由蓄电池通过变换器 2 向负载供电。 ③旁路开关：平时处在断开状态，当变换电路发生故障，负载有冲击性故障（例如启动负载 时）或发生过载故障时，变换器停止输出，旁路开关接通，由电网直接向负载供电。旁路开 关多为智能型的功率容量很强的无触点开关。 （2）在线式 UPS 的工作原理 在线式 UPS 的工作原理如图 1-3 所示。当电网供电正常时，电网输入的电压一路经过噪 声滤波器去除电网中的高频干扰，以得到纯净的电压，然后进入充电器对蓄电池充电；另一 路进入整流器进行整流和滤波，并将交流电转换为平滑直流电供给逆变器，而逆变器又将直 流电转换成 220V、50Hz 的交流电供电负载使用。 另一部分产品把蓄电池直接挂在直流母排上，如图。通过谐振变换器把市电变成 20kHZ、 410V 的高频高压正弦波，经整流后提供给电池充电及逆变器输入。 当发生断电时，交流电的输入被切断，充电器不再工作，但这时蓄电池放电，把能量输 送到逆变器，再由逆变器把直流电转换为交流电供负载使用。 中国自动化招聘网 http://www.autozhaopin.com/ Pg10Pg10 第 3 章 交流不间断电源 UPS 10 图 1-3 在线式 UPS 工作原理框图 目前，在线式 UPS 使用得较为普遍。无论市电正常与否，在线式 UPS 的逆变器始终处 于工作状态。在线式 UPS 可以从根本上完全消除来自市电的任何电压波动和干扰对负载工作 的影响，对电网供电起到“净化”作用，真正实现了对负载的无干扰、稳压、稳频供电。在 线式 UPS 输出的正弦波的波形失真系数小，目前一般市售产品的波形失真系数均在 3%以内。 当市电供电中断时，UPS 的输出不需要一个开关转换时间，因此其负载电能的供应是平 滑稳定的。在线式 UPS 能实现对负载的真正的不间断供电，因此从市电供电到市电中断的过 程中，UPS 对负载供电的转换时间为零。 由于在线式 UPS 工作过程是平时对蓄电池充电，当市电供电中断或超出 UPS 允许输入范围 时，再由逆变器将蓄电池的电能逆变成交流电能，因此其电能的转化过程中有大约 20%的电 能损失，而且该过程所产生的热能又影响周围蓄电池的寿命和电路的可靠性。 （3）传统双变换在线式 UPS 这是一种目前应用历史᳔长，认为性能᳔好的 UPS。它的结构特点是除了具有整流器和逆 变器外，还有输出隔离变压器。增加隔离变压器主要原因是：由于过去电力电子器件的限制， 缺少高耐压、大电流的功率器件作逆变器，整流器变换出的直流电压不能很高，所以逆变器 输出的交流电电压较低，需要输出隔离变压器再进行一次升压。因其配有输出隔离变压 器，可以将负载与市电中线进行有效的隔离和缓冲。 它的工作特点是交流市电经整流器变为稳压直流，经过电容滤波后由逆变器变换为纯净 的交流电，再经输出隔离变压器输出稳定适用的交流电压供给负载。由于负载功率完全通过 两个变换器，因此属于串联调整范畴。属于这种结构的 UPS 有 IMEL、ImvSsiteproFenton、 M.G、ElFide(大容量挡)、Sicon 及 SoComec 等，这类 UPS 具有以下特点： ①除作单机运行外，还可并联增容和冗余，UPS 在多机并联时可共用一套蓄电池组或具 有各自的蓄电池组； ②输出电压无三次谐波，对两个方向上的电压变化都有缓冲作用； ③负载电压上无直流电流分量，容量可达 5OOkVA 以上； 传统双变换在线式 UPS 的拓扑结构如图 1-4 所示。在图 1-4 中，AC/DC 采用全波整流滤 波电路，整流器可为 SCR 全控整流、半控整流及不控整流。可控硅 (SCR)整流一般用在中、 大功率 UPS 中，技术相当成熟。SCR 工作在低频。控制简单，运行稳定可靠，效率高，整流 器造价低。而对于小功率 UPS 来说，则将 220V 交流电直接整流滤波更简单、更可靠，成本更 低。UPS 的稳压功能是由逆变器 DC/AC 来完成。 这种拓扑结构的 UPS 输入功率因数低 (一般为 0.7 左右)，输入电流谐波大 (᳔大达 30%)，改用 12 相整流 (三相输入)或加输入滤波电感，输入功率因数可提高到 0.9 左右，谐 波电流降到 10%以下。 中国自动化招聘网 http://www.autozhaopin.com/ Pg11Pg11 第 3 章 交流不间断电源 UPS 11 UPS 的输入功率因数低，意味着输入无功功率大，输入谐波电流污染市电电网，以脉动 断续方式向电网索取电流。这种脉动电流在市电电网沿线路阻抗上形成脉动电压并叠加在电 网电压的正弦波上，造成电压失真，这就是所谓电力公害，使得同一电网供电的变压器、电 动机等产生附加谐波损耗、过热、加速绝缘老化，高次谐波对通信线路、测量仪器产生辐射 干扰并影响电表计量精度。 图 1-4 传统双变换在线式 UPS 的拓扑结构 图 1-4 中蓄电池组通过二极管或可控管与市电整流滤波输出端并联，称为直流母线 (BuS)。当整流后的电压低于蓄电池电压时，则由蓄电池向逆变器提供电能。逆变器的逆变桥 一般由 600V 的 IGBT 构成，IGBT 一般工作在 20kHz 左右的 SPWM 状态。变压器 T2 具有电气隔 离、升压以及采用其漏感达到滤波的作用。也有在 T2 的初级侧串接隔直电容的，以防变压器 饱和电流大而损害功率器件。 对于图 1—4 所示电路，如想拓宽输入电压范围，可在输入整流前加一个自动稳压装置 (AVR)。当三相输入时，则在输入端接一个 Y/△型工频变压器，同样适用于上述电路。 (4)带有源功率因数校正电路的双变换式 UPS 采用电感等无源功率因数校正 (Power Factor Correction，)电路的 UPS 体积大，抑制 高次谐波效果差。在 UPS 输入端增加有源功率因数校正（Active Pwer Factor Correc-tin， APFC）电路，能有效地抑制高次谐波。比较典型的电路拓扑是采用 UC3854 控制升压式变换器 （Boost）的拓扑，它采用平均电流控制模式，具有较好的校正效果，功率因数值能达到 0.99， 输入电流谐波 (THD)小于 5%。同时，一般在输入 160～270V 电压均有较好的稳压效果，也很 容易做到输入 120～160V 电压时 UPS 也能工作，但必须降载使用 (33%—50%负载)。 图 1-5 所示电路中蓄电池组一般采用 30 节至 36 节 12V 蓄电池，蓄电池 Boost 升压与交 流 PFC 的输出电压一般为直流 380V，供给逆变桥。 中国自动化招聘网 http://www.autozhaopin.com/ Pg12Pg12 第 3 章 交流不间断电源 UPS 12 图 1-5 带 APFC 的双变换式 UPS 拓朴结构 图 1-5 中开关管 S 和二极管 VD5 处于硬开关状态。当 S 开通时，电流上升和电压下降同 时进行；S 关断时，电流下降和电压上升同时进行，于是存在开关损耗。当开关管硬关断时， 感性元件感应出较高的尖峰电压，易造成开关管高压击穿；二极管由导通变为截止时，存在 反向恢复时间，易造成直流电源瞬间短路。为了解决上述问题，特别在大功率应用中，采用 UC3855 控制的 ZVT(零电压)-PFC 拓扑结构。 (5)双隔离的双变换式 UPS 在图 1-4 和图 1-5 所示电路拓扑中，当系统处于旁路状态时，输入电压的干扰直接传输 给了输出。图 1-6 所示的电路拓扑采用双隔离变压器，可以彻底隔离逆变和旁路输入干扰对 输出的影响，同时可以使输出的零地 (N、G)电压低于 lV，在计算机网络中可以减小传输误 码率和提高传输速度。但双隔离变压器的增加会导致 UPS 重量的增加和成本的提高。因此许 多厂家把隔离变压器作为可选件供用户选用。 图 1-6 双隔离的双变换式 UPS 拓朴结构 2.在线式正弦波输出 UPS 的特点 在线式正弦波输出 UPS 主要具有以下特点： ①由于在线式 UPS 无论是在市电正常时还是在市电中断，由机内蓄电池向逆变器供电期 间，它对负载的供电均是由 UPS 的逆变器的逆变器提供的。正因为如此，这就从根本上消除 了来自市电电网的任何电压波动和干扰对负载工作的影响，真正实现了对负载的无干扰稳压 供电。这显然不是任何一种抗干扰交流稳压电源所能解决的。当市电电压变化范围为 180～ 250V 时，它的输出电压稳定范围可达 220V±3%，正弦波的工作频率稳定范围为 50Hz±1%. 中国自动化招聘网 http://www.autozhaopin.com/ Pg13Pg13 第 3 章 交流不间断电源 UPS 13 ②在线式 UPS 输出正弦波的波形失真系数᳔小，一般小于 3%。 ③市电中断时在线式 UPS 能真正实现对负载的不间断供电。在线式 UPS 都是由逆变器向 负载供电的。其对负载供电的转换时间为零。 ④在线式 UPS 同后备式 UPS 相比，具有优良的输出电压瞬变特性。一般在 100%负载加载 或 100%负载减载时，它的输出电压变化范围为 1%左右，这种变化的持续时间一般为 1～3 周 波。 ⑤在线式 UPS 一般采用 20kHz 以上的 PWM 技术，其噪声较小，约为 5OdB。 ⑥在线式 UPS 的控制电路中，采用了输入变压器、输出变压器及光电藕合器件等，将“强 电”驱动部分与“弱电”控制线路部分从电的角度隔离开来，因而电路的可靠性得到了极大 的提高。这种 UPS 的故障率一般都很低。 四． 在线互动式 UPS 在线互动式 UPS 有时被称为“准在线”输出 UPS。在市电正常时，在线互动式 UPS 供 给负载的是改善了的市电；市电故障时，负载完全由蓄电池提供的能量经逆变器变换后供电。 在线互动式 UPS 中有一个双向变换器 (Bidlrec-tionalConverter)，既可以当逆变器使用，又可 作为充电器。所谓互动式就是指电源根据输入市电情况通过升降压或逆变实时调整电压输出。 图 1-9 给出了一种在线互动式 UPS 的典型拓朴。 图 1-9 在线式互动式 UPS 典型拓朴 （1） 电路各环节功能 ①输入开关：当市电中断（指电网失压）时，断开开关，防止逆变器向电网馈电。 ②智能调压：当市电存在时，可调节 UPS 的输出电压（由智能开关调节变压器抽头完 成输出电压的调整。） ③变换器：此变换器为双向变换方式。当市电存在时，变换方向是 AC/DC，给蓄电池 充电并浮充；市电掉电后，变换方向为 DC/AC，由蓄电池供电，保持 UPS 继续向负载供电。 图 1—9 中交流输入端 Li—N 为第一端口，双向变换器绕组 7—8 为第二端口，输出电 压端 Lo—N 为第三端口。当输入市电在规定范围内变化时，UPS 通过调整变压器的抽头来大 致稳定电压。当需要进行抽头调整时，首先启动双向变换器，使其处于逆变工作状态，再进 行抽头换接，待抽头换接完毕后，停止双向变换器的逆变工作状态，进入充电状态，这时输 中国自动化招聘网 http://www.autozhaopin.com/ Pg14Pg14 第 3 章 交流不间断电源 UPS 14 出由市电供电。如果需要对输入、输出进行电气隔离，则可改变压器自耦式为隔离式。 这种拓朴与双变换式相比，由于没有经过两次变换，其功率损失明显低于双变换机， 因而效率高，可达 95%以上，在市电供电时过载能力可达 200%。不带 PFC 的双变模式 UPS 由 于采用可控硅（或二极管）整流，即使负载为线性负载，也会对市电产生较强的谐波电流， 但互动式 UPS 在带线性负载时不会对市电产生污染。这种拓朴的缺点是： ①在市电供电时，输入电压只是幅度有所改善，而输入的失真、干扰等传递给了输出； ②动态性能不好，在输入电压或负载电流突变时，输出电压突变较大，恢复到新稳态 所需时间长； ③稳压精度较差，对电网适应范围窄，如要提高精度和扩大适应范围。则必须增加变 压器抽头的个数； ④UPS 的输入功率因数由负载决定，如带计算机等整流性负载时，其输入功率因数也 只有 0.7 左右； ⑤当双向变换器作为充电器使用时，其充电电压和电流不可控，大大地降低了蓄电池 的使用寿命。 五．串并联调整式 UPS 调整式 UPS 在在线互动的基础上进行了重大改进，采用双向逆变器代替调压稳压器，产 生既有串联调整又有并联调整的双重调整结构。 Delta 变换型 UPS 的工作原理 图 1-10 是 Delta 变换型 UPS 的结构图。Delta 变换器是一个正弦波电流源，串接在主 电路中，它的功能是提供正弦波电流，监控蓄电池组的充电电平，调整输入功率因数，以及 补偿市电电压与输出电压之间的差值△U。从电路结构上讲，它是一个双向变换器，逆变时输 出功率，在主电路中对输入电压进行补偿；整流时吸收功率，对输入电压进行补偿。 该拓朴一般应用在三相大功率 UPS 中，这种双变换电路拓朴把交流稳压技术中的电压 补偿原理应用到 UPS 的主电路拓朴中。在主调压的基础上，再叠加一个可大可小、可正可负 的电压，来弥补 UPS 输出电压与输入市电的差异，使 UPS 拓宽了市电输入范围。提高了输出 稳压精度。 图 1-10 Delta 变换型 UPS 的结构图 中国自动化招聘网 http://www.autozhaopin.com/ 1min） Pg15Pg15 第 3 章 交流不间断电源 UPS 15 （1）Delta 变换器 它是一组 DC/AC 和 AC/DC 双向变换器，它的输出变压器的副边串联在 UPS 主电路中，其 作用有三个： ①对 UPS 输入端进行输入功率因数补偿，使输入功率因数等于 1，输入谐波电流降到 3% 以下。 ②当市电存在时，与主变换器一起完成对输入电压的补偿：当输入电压高于输出电压额 定值时，Delta 变换器吸收功率，反极性补偿输入、输出电压的差值；当输入电压低于输出 电压额定值时，Delta 变换器输出功率，正极性补偿输入、输出电压的差值，是串联补偿。 变换器承担的᳔大功率（当输入电压处于上限和下限时）仅为；输出功率的 20%（相当于输 入电压变化范围），所以功率强度很小（᳔大有功功率仅为输出功率的 1/5 左右），功率余量 大，这就大大增强了 UPS 的输出能力。与双变换在线式 UPS 相比，过载能力得到了增强（200%， ，不再对负载电流波峰系数予以限制，可从容地对付冲击性负载，也不再对负载功率因 数进行限制，输出有功功率可以等于标定的 kVA 值。 ③与主变换器一起完成对蓄电池的充电和浮充功能。 （2）主变换器 该变换器同样是 DC/AC 和 AC/DC 双向变换器，它的功能有四个： ①同 Delta 变换器一起完成对输入、输出电压差值的补偿； ②同 Delta 变换器一起完成对蓄电池的充电和电压浮充功能； ③随时输出电压，保证输出电压的稳定（是个电压源），并对负载电流谐波成分进行 补偿，使其不对电网产生影响（属于并联补偿）； ④当市电中断时，全部输出功率由主变换器给出，并且保证输出电压不间断，轮换时间为 零，当负载电流发生畸变时，也由主变换器调整补偿掉。在市电存在时，由于两个逆变器承 担的᳔大有功功率仅为输出功率的 1/5 左右，所以元器乃至整机的寿命可靠性必然大幅度提 高。整机效率在很大的功率范围内都可达到 96%。 （3）串并联调整结构 UPS 的缺陷 ①在市电存在时，Delta 变换器承担的᳔大有功功率为额定功率的 20%左右，但两个变换 器承担的无功功率可能为输出功率的一倍。 ②效率是个可变量，只有市电输入为额定值，负载为线性负载时，效率才达到᳔高值。 ③尽管输入由两只可控硅隔离，当输入停电甚至出现短路时，相当于 Delta 变换器的负 载出现过载或短路，将会断电，Delta 变换器将进入保护状态。若保护失效，则故障将是毁 灭性的。事实上，电网停电或短路时有发生，相比之下双变换式 UPS 却不会出现此现象。 Delta 变换型 UPS 虽然也是一种双变换电路，但不同于传统双变换型 UPS。传统型 UPS 中两个变换器的工作是不可逆的，即第一个变换器只管整流，第二个变换器只管逆变。而图 1-10 中两个变换器都是可逆工作的，两个变换器随时交替工作在整流和逆变状态下，在 PWM 中国自动化招聘网 http://www.autozhaopin.com/ Pg16Pg16 第 3 章 交流不间断电源 UPS 16 控制下经 LC 滤波后取平均值。整流宽度大于逆变宽度时，平均值效果是给出功率，反之是吸 收功率。 第三节 UPS 冗余供电 任何设备总有出故障的的时候，为进一步提高整个电源系统的可靠性，需要采用冗余供 电。目前，应用᳔为广泛的冗余供电方式有主备冗余供电方式和全冗余并联方式。在讨 论冗余供电之前，首先应了解在线式 UPS 的四种工作状态。 （1）市电正常 在正常工作状态下，由市电提供能量，整流器将交流电转化为直流电，逆变器将经整 流后的直流电转化为纯净的交流电并提供给负载，同时充电器对蓄电池组浮充电。 （2） 市电异常 在市电断电或者输入市电的电压或频率超出允许范围时，整流器自动关闭。此时，由 蓄电池组提供的直流电经逆变器转化为纯净的交流电并提供给负载。 (3)市电恢复正常 当市电恢复到正常后，整流器重新提供经整流后的直流电给逆变器，同时由充电器对 蓄电池组充电。 (4)旁路状态 静态旁路是 UPS 系统的重要组成部分，在下列两种情况下 UPS 处于旁路。 ①当负载超载、短路 (实际上可以看成是一种严重的超载)或者逆变器故障时，为了保 证不中断对负载的供电，静态旁路开关动作，由市电直接向负载供电。 ②维修或测试时，为了安全操作，将维修旁路开关闭合，由市电直接向负载供电。把 UPS 系统隔离，这种切换可保证在 UPS 检修或测试时对负载的不间断供电。 一． UPS 的热备份连接 热备份连接是指当单台 UPS 不能满足用户提出的供电可靠性要求时，就需要再接入一台 同规格的单机来提高可靠性。任何具有旁路环节的 UPS 都可以进行热备份连接，这种连接非 常简单，当把 UPS1 作为主输出电源而把 USP2 作为备用机时，只需将备用机 UPS2 的输出与 UPS1 的旁路输入端相连就可以了，不过此时 UPS1 的旁路输入端一定要与其输入端断开。在 正常情况下，由 UPSl 向负载供电，而 UPS2 处于热备份状态空载运行；当 UPSl 故障时，UPS2 投入运行，接替 UPSl 继续向负载供电。只有当 UPS2 过载或逆变器故障时，才闭合 UPS2 的旁 路开关，负载转为由市电供电。为节约投资，还可以采用 N+1 多机主备冗余供电，即二台以 上的主机 UPS 的旁路开关一起连接到备机 UPS 的输出上。 中国自动化招聘网 http://www.autozhaopin.com/ Pg17Pg17 第 3 章 交流不间断电源 UPS 17 两台热备份连接的 UPS 系统可靠性比单台 UPS 的可靠性提高了两个数量级，并且这种 系统的连接方式简单易行，即使是不同品牌的机器，只要规格、容量相同，就可连接，不需 再增加另外的设备。若两台不同容量的 UPS 相连，其容量只能按᳔小的那一台计算。 单台 UPS 处于旁路工作状态时，负载不受 UPS 保护。此时，如果发生交流电中断、过压 等故障，就将造成负载电源供应中断或设备损坏。因此，很自然想到用一台 UPS 的输出作为 另一台 UPS 主机的静态旁路电源，这就是双机主备冗余供电，也叫双机串联冗余供电，如图 2-1 所示。 (1)工作原理简述 ①正常情况下，负载的工作电源由 UPS 主机 的逆变器提供，备机处于空载运行状态。 ②UPS1 主机故障时，主机转为旁路供电，此 时 UPS2 备机的逆变器输出通过主机静态旁路开关 供给负载电源。UPS 主机故障转为旁路在毫微秒的 时间内完成，不会产生负载电源中断。 ③备机故障时，备机转为旁路。此时主机的 静态旁路输入的不再是备机的逆变器输出，而是交 流电经过备机的静态旁路开关供给，此时相当于主 机单机工作。 ④UP 主、备机同时故障时，UPS 主、备机同时转为旁路工作，交流电经过备机的静态旁 路开关，再经主机的静态旁路开关供给负载电源。当然，UPS 主、备机同时故障的可能性极 小。 (2)优点 ①安装方便，易于实现。只要 UPS 主机具有独立的静态旁路输入口，就可以很容易地 实现 UPS 主、备机冗余供电，甚至是不同型号、不同品牌的 UPS，都可以很方便地组成双机 冗余供电。 ②可靠性高。系统调试时，只要将 UPS 主、备机的输出电压调整一致即可。根据实际经 验，UPS 双机主、备冗余供电的可靠性高于双机并联冗余供电。 (3)缺点 双机冗余提高了 UPS 电源供电系统的可靠性，但存在以下一些缺点。 ①主 UPS 本身发生故障时，可能无法切换而造成输出中断。当主 UPS 内部电源板或电源 模块发生故障时，主 UPS 会立即停止工作，输出中断。此时，主 UPS 也不可能再从静态开关 转向旁路，这时即使从 UPS 是好的也无济于事，整个计算机系统的供电将被中断。当主 UPS 控制电路出现问题后，在逆变器烧毁的瞬间 (此时不满足切换条件)及出现一些其他原因时， 也可能会出现静态开关不切换而造成供电中断的现象。 ②切换瞬时输出出现间断。UPS 供电系统为保证输出波形连续，采用先合后断技术，即 旁路通过静态开关与逆变器输出有一叠加过程以保证输出无间断，但这两路电压必须保证频 中国自动化招聘网 http://www.autozhaopin.com/ Pg18Pg18 第 3 章 交流不间断电源 UPS 18 率、相位相幅值完全一致，否则将有可能造成切换过程申输出的不连续。在频率正常的情况 下，主 UPS 为带载工况，从 UPS 为空载。而在电网频率偏离 UPS 跟踪频率范围时， UPS 将启 动自身晶体振荡器，由于两台 UPS 为独立系统，无法进行 “锁相”跟踪，如在此时发生切换 过程，输出波形将会有更大的输出间断时间。特别是在主 UPS 逆变器发生故障，强行切换时， 由于无法进行正常跟踪，将有可能出现较大的间断时间，甚至切换失败。 ③在双机主备冗余方式的供电系统中，增加了两个公共故障点。一旦主 UPS 静态开关出 现故障，此时又要求切换，则会造成负载供电中断。发生过载时，主、从 UPS 将依次转旁路， 这时 UPS 的静态开关如出现问题，也将造成输出中断。 ④设备使用效率低。在整个供电过程中，始终有一台 UPS 长期闲置不用，使用效率低， 并且备份 UPS 的蓄电池长期处于浮充状态下，蓄电池无法放电，使用寿命大大缩短。但可以 增加一个主从转换装置，定期将主机与从机进行转换，对主、从机的蓄电池轮流充放电，以 解决此问题。但是在主、从转换过程中，从机处于空载运行状态，一旦出现切换过程，负载 量将从 0 突变到 100%，整流器和逆变器将受到大电流冲击，易于损坏，影响正常输出，甚至 断电。 ⑤维修困难。当主机发生故障，切换到从机供电时，用户负载不能停机，无法关闭主 UPS 进行维修。一旦从机出现故障，会造成整个供电系统中断。 二．UPS 并联冗余方式 从一般原理上讲，普通在线式 UPS 都可直接并联，但应说明的一点是，这些 UPS 必须由 同一路电网供电。在这种情况下，UPS 的逆变器永远在跟踪旁路市电，由于这些 UPS 都在跟 踪同一路市电，也就相当于互相在相位上跟踪。这些 UPS 在频率和相位上都是一致的，因此 可以并联，但这种并联是不保险的，主要原因如下。 虽然它们都在频率和相位上跟踪旁路，但在相位上有超前和落后之分。一般大容量 UPS 的相位跟踪误差为±3°，如果这两台并联的 UPS 一个是+3°，另一个是-3°，那么它们两 个并联后就有可能在相位上差了 6°，这就有可能使输出电压相差 30V，将会在 UPS 输出端 造成很大的环流，使逆变器因过载而烧毁。如图 1-3（a） 中国自动化招聘网 http://www.autozhaopin.com/ Pg19Pg19 第 3 章 交流不间断电源 UPS 19 图 1.33 在两台 UPS 电源之间所可能形成的环流示意图 虽然它们都在频率和相位上跟踪旁路，但在相位上有超前和落后之分。一般大容量 UPS 的相位跟踪误差为±3°，如果这两台并联的 UPS 一个是+3°，另一个是-3°，那么它们两 个并联后就有可能在相位上差了 6°，这就有可能使输出电压相差 30V，将会在 UPS 输出端 造成很大的环流，使逆变器因过载而烧毁。如图 1-3（a） 另外，虽然是同型号、同规格的 UPS 逆变器，但逆变器参数和和变压器参数的微小差异 会导致输出电压不一样，比如一个为 218V 而另一个为 220V，也将会在 UPS 输出端造成很大 的环流，使逆变器因过载而烧毁。如图 1-3（b） UPS 并联连接的目的是提高 UPS 供电系统的可靠性，增加了 UPS 系统的容量。而并联连 接要解决的关键问题是处于并机状态的各台 UPS 的逆变器，应在同时同步跟踪交流旁路电源 的条件下，满足同幅度、同频率和同相位的要求，以达到均分负载和环流为零的目的。 当并联 UPS 系统中任何一台的逆变器出现故障 (包括过载、短路相蓄电池过放电而停止 工作等)时，均不能将本身的负载单独转到旁路上，而是将负载分配到与其并联的其他 UPS 上去。只有并联系统申所有 UPS 的逆变器都停止工作时，才集体转到旁路上。 因此一套设计完善的 UPS