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UPS电源底子常识及道理

  UPS电源基础知识及原理_物理_自然科学_专业资料。UPS电源基础知识及原理 上海久贺科技发展有限公司 潘永丰 电话: 基本公式 [欧姆定律] U=I×R 电 压 = 电

  UPS电源基础知识及原理 上海久贺科技发展有限公司 潘永丰 电话: 基本公式 [欧姆定律] U=I×R 电 压 = 电 流 × 电 阻 (伏特)=(安培) × (欧姆) 正弦电流 i=Imax(sin2∏ft+∮) Imax T 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 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 f=1/T 相角∮ 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 三相负载 星形连接的负载 L1 L2 L3 N 380V 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 380V 220V 若总负载15KVA(对称负载) 则:每相负载15/3=5KVA 相电流=5000/220=22.73A 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 —3次谐波 f=2*50HZ 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 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 。。。。。。。 基本概念 整流:交流AC 逆变:交流AC 直流DC 直流DC 串联 并联 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×I S =P + Q 2 2 2 COS∮=P/S 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。 ? ? 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,波形失线%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。 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。 ? ? 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 UPS概念变化 ? UPS (Uninterruptable Power Supply) 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 (Uninterruptable Power System) 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 ? ? ? ? ? ? ? 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) 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。 影响UPS运行的几种市电问题 ? 电涌(power surges):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(high voltage spikes):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(switching transients):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(power sags):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(electrical line noise):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(frequency variation):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。 ? ? ? ? ? ? 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 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 ? 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) 后备式(off—line) 输出转换开关 Vin 智能调压 DC 充电器 AC 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 ? 在线互动式(line—interactive) Vin 输入开关 智能调压 AC DC 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 ? 双变换在线式(on—line) Vin 旁路开关 Vout AC DC (Ⅰ) DC AC (Ⅱ) 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 ? ? ? ? UPS的可靠性与可用性 MTBF T(年) MTTR ? ? ? A=MTBF/MTBF+MTTR ? ? ? A=1/1+MTTR/MTBF MTBF=》∞,A=》100% ? ? 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MTTR ? MTTR=》0,A=》100% 可靠性和可用性提高 提高可靠性 ? 提高可用性 ? 元器件的选用 UPS的拓扑结构 现场维修时间TR UPS管理响应时间TM ? ? ? UPS的制造工艺 并机、冗余技术 ? UPS技术服务系统TS ? 电源系统实现冗余的几种方式 ? 单机 Bypass Panel Input Static Bypass Output 电源系统实现冗余的几种方式 ? 隔离冗余方式 (串联并机) 旁输入 静态旁路 维修旁路 主输入 从机 静态旁路 维修旁路 主输入 主输出 主机 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。 ? 电源系统实现冗余的几种方式 模块式并联 UPS A旁路输入 UPS A 输出 UPS A主输入 UPS A 负载 UPS B 旁路输入 UPS A主输入 UPS B 输出 UPS B 集中式并联 旁路 并机柜 负载 集中式并联 并机柜系统旁路 负载 UPS A主输入 UPS B主输入 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。 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)。 ? 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,NET 90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。 ? ? ? ? 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%。 ? 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。 ? 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。 ? 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mm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。 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) UPS后备时间与蓄电池放电效率的关系 蓄电池放电效率 % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 2 4 6 10 20 30 T(小时) 后备延长放电时间 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)*Y Y=208AH 因此,需要两组100AH的蓄电池,也就是32节12V 100AH蓄电池 注意:此值为理想状况下,不考虑用户的实际负载量和蓄电池组的 放电效率(由于外界环境因数对于蓄电池放电的影响)。 大功率UPS后备时间的计算 ? 因电池放电时间与放电电流、环境温度、负载类型、放电速率、 电池容量等多因素相关,提供通用的UPS后备电池计算公式: 根据电池提供的电池恒功率放电数据表来计算所需的后备电池的 容量值。由于蓄电池厂家提供的电池恒功率放电数据表都是以2 伏的单元电池为计算基准来提供电池所可能提供的功率(瓦)值 的,所以,应以按下式来计算电池所提供的总功率值W电池电池 恒功率放电公式: P —— UPS电源的标称输出功率 C0Sφ —— 负载的功率因素 0.8 Л —— UPS逆变器的效率 0.94 N * 6 —— 在UPS中以2伏单元电池来进行计算时所需的串联电池的个数 ? ? ? ? ? ? W = P * C0Sφ/ Л* N * 6 式中: 大功率UPS后备时间的计算 ? 对500KVA UPS后备5分钟电池计算如下: UPS电源的标称输出功率为500KVA,单机系统; 电池电压为480V, 电池单体节数为240节,每节2V; 要求电池后备时间为5分钟; cosφ取0.8,考虑用户为综合负载,不仅仅是计算机负载; W/PC =500× 1000 × 0.8 / 0.94 ×240 = 1773W 对照电池的“恒功率放电表”,选择电池单元。 UPS实际配置时间为5分钟,满负载情况下,放电为大电流,短时间放电,因此, 选择放电终止电压为每电池单体1.60V,依表查得,5分钟放电,单体终止电压在 1.6V的情况下,单体电池放出的功率为1792W,1792W大于计算所需要的1773W, 因此,2V-400AH蓄电池,完全满足单机在满负载情况下,后备5分钟的放电。 ? ? ? ? ? ? ? ? 大功率UPS后备时间的计算 大功率UPS后备时间的计算 ? 放电电流大小与终止电压的关系 总的来说,大电流放电时,电池终止电压的设定,相对较低, 相反,长时间小电流连续放电将形成较致密的硫酸铅层,容易 使极板增长造成极板上活性物质变型,脱落及极板的变形,所 以小电流放电终止电压需较高点以保护电池。 放电超过终止电压(过放电)的情况在实际中应尽量避免。如 上所述,过放电只能获得很小的附加容量,但可能造成电池的 损坏,因此,请按规定的放电参数表,来选择不同的放电终止 电压。 ? ?

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