3.1 UPS的组成与基本原理

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1、,3.1 UPS电源的组成与基本原理,MGE UPS SYSTEMS 梅兰日兰电子(中国)有限公司,第3章 冗余备份应急电源技术,3.1.1.UPS的基础知识 UPS的定义 UPS的主要作用 UPS的分类和拓扑结构 UPS的基本组成 3.1.2.UPS的基本运行原理 正常运行方式 电池后备运行方式 旁路运行方式 维修运行方式,目录,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的定义 UPS是英文Uninterruptable Power Supply的缩写，中文译为“不间断电源”； 它是能够实现两路电源之间不间断地相互切换的电气装置； 从严格意义上讲，UPS不是一种电源，它不是依靠能量形式的转换来提供

2、电能，它只是提供一种两路电源之间无间断切换的机会，这才是UPS的主要设计思想； UPS的价格之所以昂贵，就是贵在这种不间断切换的特点上,page 3,UPS的定义 UPS是电力电子技术的产品： 以电力为对象，以电子技术为手段实现控制的技术称为电力电子技术。它的主要任务是利用电力和电子器件实现对电能的控制和转换。 从1956年第一只可控硅（SCR）诞生之日起，即进入了电力电子技术的时代。70年代末期由微电子技术与电力晶体管（GTR）技术相结合，进入了现代电力电子技术的时代。 现代电力电子技术应用于所有的电气工程领域，例如：发电厂的储能设备、直流输电设备、动态无功补偿、电力机车牵引、变频调速电机、

3、不间断电源、开关电源、中高频感应电炉、电视、办公自动化、通讯、汽车自动化、家用电器等等 。,page 4,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的主要作用为什么要使用 UPS？ 随着电子技术的飞速发展，各种各样的用电器越来越多，而这其中的绝大部分都是非线性负载(Non-Linear Load)： 从电网提取电流的波形与电压波形不一致的负载； 阻抗随加在其两端的电压而变化的负载； 产生谐波电流的负载又称为畸变负载(Deforming Loads)或污染负载(Polluting Load); 一方面，这些非线性负载给电网带来了大量的谐波以及其它的干扰，使供电的质量越来越坏; 另一方面，一些重要的用电

4、部门，如机场、医院、银行等和一些重要的用电设备：如计算机、通讯设备等，对供电质量的要求越来越高:不仅要求不停电，还要求电压、频率稳定，还要求波形准确完好。简而言之，需要有一个干净或净化的电源； 这就使得负荷(用电器)与电网供电质量之间的矛盾日趋加深，必须解决。 在诸多的解决电源的方案中，UPS是最好的解决方案。,page 5,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的主要作用电网中的骚扰（定义） 骚扰（disturbance）：任何可能引起装置、设备或系统性能降低或对有生命、无生命的物质产生损害作用的现象； 干扰（interference）：由骚扰引起的设备、传输通道或系统性能下降的现象； 从严格

5、意义上讲，“骚扰”和“干扰”是两个不同的概念： “骚扰”是一种客观存在的现象； “干扰”是一种在“骚扰”作用下，使敏感设备受到影响时的现象。 根据GB 4824-1996 的标准词汇，选用“骚扰”一词。,page 6,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的主要作用电网中的骚扰 停电：短时间的、长时间的.,page 7,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的主要作用电网中的骚扰 电压变化：电压跌落、过电压、欠电压、电压尖峰、三相不平衡.,page 8,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的主要作用电网中的骚扰 频率变化：频率波动、过高、过低、闪烁.,page 9,3.1.1 UPS的基础知识,U

6、PS的主要作用电网中的骚扰 其它骚扰：高频瞬态冲击、谐波、电磁兼容性.,page 10,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的主要作用电网中骚扰的解决方案 为了消除这些电网中的干扰，制定有关的供电标准： 供电标准EN 50160 定义了欧洲配电系统中的如下一些正常波动：电压 +10% 到 -15% (每10分钟间隔的平均有效值)，其中每周95%的时间必须在10%的范围内； 频率 +4 到 -6% ，一年中有99.5%的时间在1%的范围内 国家标准电子计算机场地通用规范（GB/T-2887-2000）中关于机房供配电要求如下： 频率：50Hz， 电压：380V220V，相数：三相五线制或三相四线

7、制单相三线制：,page 11,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的主要作用电网中骚扰的解决方案 为了消除这些电网中的干扰，制定有关的法规，限制用电器对电网造成的扰动，规定用电器给公共电网带来的干扰限值： 国际电工委员会制定的标准IEC1000-3-2, 欧洲标准EN60555-2, 瑞士标准ASE3600， 美国标准IEEE519； 以及国家标准GB 12326-90（电能质量电压允许波动和闪变）、GB/T 1454993 （电能质量公用电网谐波）等。 人们用了多年的时间来寻找各种解决办法最后才创造出UPS这样的新型设备, 使电网和用电器进行隔离, 既避免负载对电网产生干扰, 又避免电网中

8、的干扰进入和影响负载。,page 12,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的主要作用电网中的骚扰，各种电气装置解决方案的比较,在众多的解决方案中，只有UPS的抗电网干扰的功能最全面、性能最好，因而得到各个领域的广泛应用。,page 13,3.1.1 UPS的基础知识,2.隔离作用：将瞬间间断、谐波、电压波动、频率波动以及电压噪声等电网干扰阻挡在负载之前，即使负载对电网不产生干扰，又使电网中的干扰不影响负载；,page 14,UPS的主要作用 1.两路电源之间的无间断相互切换；,3.1.1 UPS的基础知识,4.频率变换作用：输入频率等于或不等于输出频率，如50Hz/50Hz，50Hz/60H

9、z，包括稳频作用；,page 15,UPS的主要作用 3.电压变换作用：输入电压等于或不等于输出电压，如380V/380V，380V/220V，包括稳压作用；,3.1.1 UPS的基础知识,1)和5)是保证对负载供电的连续性； 2)、3)和4)是保证对负载供电的质量。,page 16,UPS的主要作用 5.提供一定的后备时间：UPS的电池贮存一定的能量，在电网停电或间断时继续供电一段时间来保护负载；后备时间为10分钟、30分钟、60分钟或更长。,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的分类和拓扑结构 （1）被动后备式(Passive Standby，也称为离线式OFF-Line) 组成 充电器

10、逆变器 电池 滤波器/调压器,page 17,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的分类和拓扑结构 （1）被动后备式(Passive Standby，也称为离线式OFF-Line) 工作原理 正常运行方式：负载由市电通过一个可消除某些特定的骚扰并提供一定程度的电压调节的滤波装置为负载供电；逆变器运行在被动后备的模式下；充电器对电池组进行浮充电以保证电池处于充满的状态；,page 18,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的分类和拓扑结构 （1）被动后备式(Passive Standby，也称为离线式OFF-Line) 工作原理 电池放电运行方式：当交流输入电压超出了UPS的允许容限范围，或市电

11、中断时，逆变器和电池在经过一个很短的切换时间(切换时间小于10毫秒)之后投入，以保证对负载的继续供电，直到电池提供的后备时间结束；,page 19,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的分类和拓扑结构 （1）被动后备式(Passive Standby，也称为离线式OFF-Line) 工作原理 市电恢复正常后：在经过很短的切换时间(切换时间小于10毫秒)后,负载切换回市电供电;充电器开始给电池进行恢复充电，直到充满后转入浮充电状态。,page 20,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的分类和拓扑结构 （1）被动后备式(Passive Standby，也称为离线式(OFF-Line) 应用：小于

12、2KVA的UPS； 优点：电路简单，价格便宜； 缺点：频率不能调节，切换有间断。,page 21,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的分类和拓扑结构 （2）线互动式(Line Interactive) 组成： 静态开关 双向逆变器 电池 旁路开关,page 22,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的分类和拓扑结构 （2）线互动式(Line Interactive) 工作原理： 逆变器以后备方式并联在交流输入上，并且对电池充电。因此逆变器与交流输入电源互动（可逆向运行）。 正常模式：负载通过与交流输入并联的逆变器获取经过调节的电力。逆变器的作用是调节输出电压和给电池进行浮充电充电。输出频率取

13、决于交流输入的频率。,page 23,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的分类和拓扑结构 （2）线互动式(Line Interactive) 工作原理： 电池供电模式：当交流输入电压超越UPS允许的容限范围或市电中断时，逆变器和电池通过一个静态开关无间断地切换给负载继续供电，该静态开关同时也断开交流输入以防止逆变器的电流倒送回上线。UPS依靠电池的电力持续运行，直到电池的后备时间结束或市电恢复正常。如果市电恢复正常负载将被切换回正常模式，但这时逆变器开始给电池进行恢复性充电。,page 24,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的分类和拓扑结构 （2）线互动式(Line Interactiv

14、e) 工作原理： 旁路模式：这种类型的UPS有可能配备旁路。如果UPS的某项功能发生故障，或发生过载，负载可以被切换到旁路交流输入（视安装情况由市电或后备电源供电）。,page 25,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的分类和拓扑结构 （2）线互动式(Line Interactive) 应用：此种配置不太适合作为中-大功率为敏感性负载的电源，因为无法进行频率的调节。由于这个原因，在除小功率以外的设备中很少采用这种配置。通常小于10KVA，用于非关键性负载。 优点：电路简单，价格便宜； 缺点：频率不能调节，动态特性差。,page 26,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的分类和拓扑结构 （3

15、）双转换式(Double Conversion，又称为在线式On-Line) 基本组成： 整流器/充电器 逆变器 静态开关(静态旁路) 手动旁路开关(手动维修旁路) 电池 逆变器串联在交流输入和负载之间,page 27,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的分类和拓扑结构 （3）双转换式(Double Conversion，又称为在线式On-Line) 应用： 在这中配置中，由于使用了静态开关，将负载切换到逆变器所需的时间可以忽略不计； 而且，输出的电压和频率完全独立于输入电压和频率。这意味着这种类型的UPS可以被设计作为频率转换器使用。 实际上，这种类型是中大功率的主要配置（10KVA以上）

16、。 注意： 这种类型的UPS常常被称作“在线式”，这表示负载由逆变器连续供电而不管交流输入电源的状态如何。 优点：稳压稳频、切换无间断； 缺点：价格昂贵。,page 28,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的基本组成,page 29,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的基本组成(1)整流器/充电器 将主交流输入电源的交流电压转换成直流电压的变换器。用于： 为逆变器提供电源； 对电池进行充电和浮充电。,page 30,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的基本组成(2)逆变器 将直流电压转换成满足严格要求的交流电压的转换器。直流电压 正常情况下来自整流器； 后备期间来自电池。,page 31,3.1.1 UPS的基础知识,UPS的基本组成(3)电池 在市电电网发生下列情况时使UPS继续运行： 市电电网断电； 电网电力的指标超出了UPS允许的容限范围。 标准的电池后备时间是从10分钟到30分钟，并且根据需要延长。 根据后备时间的不同，电池可装在UPS机