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1、通信电源基础知识讲座通信电源基础知识讲座之三：不间断电源之三：不间断电源之三：不间断电源之三：不间断电源UPSUPSUPS概述概述 背景背景随着电气化技术的不断发展，电气设备、电气产品的广泛应随着电气化技术的不断发展，电气设备、电气产品的广泛应用，要求交流市电有更高的供电质量。用，要求交流市电有更高的供电质量。来自市电电网的各种干扰，以及电网电压和频率的不稳定，来自市电电网的各种干扰，以及电网电压和频率的不稳定，输入波形的畸变，都会影响到一些重要设备的正常工作。输入波形的畸变，都会影响到一些重要设备的正常工作。 UPS概述概述 定义定义UPS即不间断电源系统（即不间断电源系统（Uninterr
2、uptible Power System） ，在市电不正常或发生供电中断时，向负载继，在市电不正常或发生供电中断时，向负载继续提供符合要求的交流电，使之能连续不断地正常工作。续提供符合要求的交流电，使之能连续不断地正常工作。 UPS概述概述 分类分类根据贮能装置的不同：旋转式UPS静态UPS 根据工作方式的不同：后备式线路交互式双变换在线式DELTA变换式UPS概述概述 组成组成UPS是由变换器（整流器、逆变器）、开关、储能装置是由变换器（整流器、逆变器）、开关、储能装置（蓄电池）等组成。（蓄电池）等组成。UPS概述概述基本工作原理基本工作原理在正常情况下UPS以市电为输入能源，将市电电源进行
3、适当的变换和调节，输出干净、稳定的交流电源（或处于备用状态，不为负载供电）。市电故障时，UPS利用内部储能为负载供电。市电长时间停电时，UPS以备用发电机为输入能源，继续运行为负载供电。配电屏UPS蓄电池配电屏负载市电输入油机电输入转换开关后备式后备式UPS后备式后备式UPS工作原理工作原理市电正常时，UPS处于后备状态，由市电直接向负载供电；同时，市电经整流后向蓄电池浮充电，逆变器不工作。静态开关负载整流器逆变器蓄电池市电后备式后备式UPS后备式后备式UPS工作原理工作原理市电停电时，蓄电池才对逆变器充电，并由UPS的逆变器向负载提供交流电。静态开关负载整流器逆变器蓄电池市电后备式后备式UP
4、S后备式后备式UPS工作原理工作原理特点分析特点分析由于市电供电和蓄电池供电之间执行切换时需要一定时间，所以后备式UPS并不能做到不间断供电，转换时间一般要求小于数毫秒。双变换在线式双变换在线式UPS双变换在线式双变换在线式UPS工作原理工作原理市电正常时，市电电源经整流变换成直流电，直接驱动逆变器向负载供电，同时也给蓄电池充电。静态开关负载整流器逆变器蓄电池市电双变换在线式双变换在线式UPS双变换在线式双变换在线式UPS工作原理工作原理当市电停电时，由蓄电池放电驱动逆变器工作。对逆变器而言，它的输入端电压一直存在，故负载可不间断供电。静态开关负载整流器逆变器蓄电池市电双变换在线式双变换在线式
5、UPS双变换在线式双变换在线式UPS工作原理工作原理当整流器、逆变器、蓄电池中任何部件故障或者负载故障过载时，由静态开关将负载转换至旁路。静态开关负载整流器逆变器蓄电池市电双变换在线式双变换在线式UPS双变换在线式双变换在线式UPS工作原理工作原理特点分析特点分析市电停电时的切换时间为0。只有当转向静态旁路的时候才有1ms左右的中断。市电经整流（ACDC）、逆变（DCAC）两次变换，输出电源质量较高，且负载与市电完全隔离。双变换在线式双变换在线式UPS双变换在线式双变换在线式UPS工作原理工作原理什么是什么是 静态开关静态开关?静态开关通常由两只反向并联的快速可控硅组成。由于可控硅本身的导通时
6、间和关断时间都只有几微妙的数量级。所以它的引入就可以在技术上实现对市电供电逆变器供电之间的零转换时间的控制。线路交互式线路交互式UPS线路交互式线路交互式UPS组成、区别组成、区别组成：由输入开关、逆变器、电抗器（电感线圈）、蓄电池等组成。与双变换在线式区别：没有整流器，市电不是经整流变换为直流电送到逆变器的输入端，而是通过电抗器直接送到系统输出端。=四象限逆变器蓄电池市电负载L线路交互式线路交互式UPS线路交互式线路交互式UPS工作原理工作原理正常情况下，负载由市电经电抗器供电。通过逆变器与市电电源的交互作用，系统可以为负载提供连续、稳定的交流电源。在市电电压变化或者负载变化时，系统输出电压
7、和市电输入电压的差值由电抗器加以补偿；市电停电时，逆变器可以不间断地为负载供电（与双变换在线式UPS相同）。此时市电输入开关断开，以防止逆变器输出反馈到市电。线路交互式线路交互式UPS什么是四象限什么是四象限PWM逆变器？逆变器？线路交互式UPS中采用的逆变器是四象限PWM逆变器。它可以工作在正向逆变（第1、3象限）和反向整流（第2、4象限）两种工作方式。在第1、3象限中，逆变器的电压、电流方向相同，处于逆变工作方式；在2、4象限中电压、电流方向相反，处于整流工作方式。Delta变换式变换式UPS系统组成系统组成=Delta逆变器主逆变器蓄电池市电负载DeltaDelta变换器变换器变换器变换
8、器：其容量约为UPS系统容量的20左右，它通过Delta变压器串联在市电电源与负载之间；主逆变器主逆变器主逆变器主逆变器：其容量等于UPS系统容量，连接在系统输出端，它具有线路交互式UPS中的逆变器的基本功能。这两个逆变器都是四象限PWM逆变器，可工作于逆变或整流方式。变压器Delta变换式变换式UPS工作原理工作原理正常工作时正常工作时正常工作时正常工作时：市电经Delta逆变器为负载供电，主逆变器稳定系统输出电压，市电和系统输出的电压差由Delta逆变器补偿。市电故障或市电电压超出允许的极限时市电故障或市电电压超出允许的极限时市电故障或市电电压超出允许的极限时市电故障或市电电压超出允许的极
9、限时：系统转入蓄电池供电方式，主逆变器为负载供电。因为主逆变器始终连接在系统输出端，在从市电供电向蓄电池供电的转换过程中不会产生供电中断。UPS的配置的配置UPS容量的确定容量的确定电池后备时间电池后备时间工作方式的选择工作方式的选择UPS的配置的配置UPS容量的确定容量的确定统计本期负载的功耗；统计本期负载的功耗；结合发展规划，确定中远期的总功耗；结合发展规划，确定中远期的总功耗；考虑一些安全余量；考虑一些安全余量；确定扩容方案确定扩容方案UPS的配置的配置电池后备时间电池后备时间主要取决于市电供应情况主要取决于市电供应情况油机发电机组的配置油机发电机组的配置维护响应时间维护响应时间UPS的
10、配置的配置UPS工作方式的选择工作方式的选择单机工作方式单机工作方式串联备份工作方式串联备份工作方式并联冗余工作方式并联冗余工作方式UPS的配置的配置UPS工作方式的选择工作方式的选择单机工作方式单机工作方式单机工作方式是UPS最常见的和最基本的工作方式，它一般使用在不能停电的一般负载一般负载一般负载一般负载场合，其可靠性较差。 UPS的配置的配置UPS工作方式的选择工作方式的选择串联备份工作方式串联备份工作方式双机热备份也是为了大大提高供电系统的可靠性，它和双机并联一样，也是使用在特别重要的场合。其工作方式是：UPS2的输出作为UPS1的旁路输入，正常时UPS1处于主用状态，承担100%的负
11、载，UPS2处于热备份状态；UPS1故障，则由UPS2转为主用，承担全部负载；UPS1、UPS2均故障，则由市电经静态旁路开关直接对负载供电。 缺点：主备机老化程度不一，易造成切换失败。或需要定期倒换。UPS2UPS1市电输入负载UPS的配置的配置UPS工作方式的选择工作方式的选择并联冗余工作方式并联冗余工作方式两台UPS并联的必要条件时同频、同相、等幅同频、同相、等幅同频、同相、等幅同频、同相、等幅，因此必须有一个并联控制器，它主要完成同步锁相、均流及并联管理等功能。UPS并联的目的是为了大大提高供电系统的可靠性，它往往使用在特别重要的场合，如通信、卫星发射中心、石油、化工、电力、钢铁、金融
12、和广播电视等系统中，这些系统停电会造成巨大的经济损失，因此要求供电系统的绝对可靠。其运行模式是：两台UPS均正常时，各承担50%的负载；当其中某一台UPS故障，由另外一台承担100%的负载；当两台UPS均故障时，市电经静态旁路开关直接对负载供电。UPS1UPS2输入配电屏输出配电屏市电输入负载交流电源线的计算与选择交流电源线的计算与选择 低压交流导线截面计算方法，一般有：低压交流导线截面计算方法，一般有：安全载流量法安全载流量法电压损失法电压损失法机械强度法机械强度法 交流电源线的计算与选择交流电源线的计算与选择 1、安全载流量法安全载流量法安全载流量法安全载流量法各种绝缘导线，根据其绝缘的种
13、类和敷设方法，允许长期通各种绝缘导线，根据其绝缘的种类和敷设方法，允许长期通过的最大电流，称为安全载流量。过的最大电流，称为安全载流量。如果导线中长期通过的电流超过安全载流量时，导线就会过如果导线中长期通过的电流超过安全载流量时，导线就会过热而使绝缘损坏。热而使绝缘损坏。交流电源线的计算与选择交流电源线的计算与选择从交流屏到各种用电负荷的电流可按以下公式计算：从交流屏到各种用电负荷的电流可按以下公式计算：单相负荷：单相负荷：单相负荷：单相负荷： I=P*1000/(U*cos） 式中：式中：I单相用电负荷电流（单相用电负荷电流（A） P用电设备额定用电设备额定功率功率（KW） U交流单相电压（
14、交流单相电压（220v） cos用电设备用电设备功率因数功率因数三相负荷：三相负荷：三相负荷：三相负荷： I=P*1000/(sqrt(3)*U*cos） 式中：式中：I用电负荷用电负荷相电流相电流（A） U交流三相电压（交流三相电压（380v）交流电源线的计算与选择交流电源线的计算与选择与功率有关的几个概念：与功率有关的几个概念：视在功率：视在功率：视在功率：视在功率：S SU*IU*I有功功率：有功功率：有功功率：有功功率：P=U*I* P=U*I* coscos无功功率：无功功率：无功功率：无功功率：Q=U*I*sin Q=U*I*sin 三者之间的关系：三者之间的关系：三者之间的关系：
15、三者之间的关系：S S2 2P P2 2+Q+Q2 2 P PS S* * coscos Q=S*sin Q=S*sin 交流电源线的计算与选择交流电源线的计算与选择Whats 功率因数（功率因数（Power Factor）？）？表示设备的用电效率，即有功功率在总的视在功率中所占表示设备的用电效率，即有功功率在总的视在功率中所占的比例。的比例。 cos=P/S或从另一个方面理解就是：电压与电流之间的相位夹角。或从另一个方面理解就是：电压与电流之间的相位夹角。交流电源线的计算与选择交流电源线的计算与选择提高功率因数的意义：提高功率因数的意义： 使供电系统内的电源设备容量得到充分利用；使供电系统内
16、的电源设备容量得到充分利用；减小了电力网中传输线路上的有功功率的损耗；减小了电力网中传输线路上的有功功率的损耗；减小了供电线路上的电压损失。减小了供电线路上的电压损失。交流电源线的计算与选择交流电源线的计算与选择提高功率因数的方法：提高功率因数的方法： 其途径主要在于如何减少交流供电系统中的无功功率，特其途径主要在于如何减少交流供电系统中的无功功率，特别是负载的无功功率。别是负载的无功功率。具体方法很多，主要分为：具体方法很多，主要分为：提高自然功率因数的方法提高自然功率因数的方法提高功率因数的补偿法提高功率因数的补偿法无源补偿（静态补偿）：移相电容器有源补偿：功率因数校正电路PDC交流电源线
17、的计算与选择交流电源线的计算与选择计算举例：计算举例：一台一台一台一台2KW2KW的服务器的交流引入线该选择多大的线径？的服务器的交流引入线该选择多大的线径？的服务器的交流引入线该选择多大的线径？的服务器的交流引入线该选择多大的线径？ 解：根据解：根据 I=P*1000/(U*cos） 代入代入P2，U220， cos=0.7（计算机类的非（计算机类的非线性负载一般取线性负载一般取0.7） 得：得：I13A 查导线载流量表可知：需选择查导线载流量表可知：需选择3*2.5mm2电源线。电源线。交流电源线的计算与选择交流电源线的计算与选择主线芯截面（mm2)RVVZ（单芯，350C）载流量1161
18、.5202.527436647106416902511935147501857022995281120324150371185423主线芯截面（mm2)1KV（四芯，350C）载流量42563310441660258135102501287015995195120224150260185298240339直流电源线直流电源线直流电源线直流电源线交流电源线交流电源线交流电源线交流电源线交流电源线的计算与选择交流电源线的计算与选择 2、电压降损失法、电压降损失法当供电线路较长、负荷较大时，一般要用电压损失法对所选当供电线路较长、负荷较大时，一般要用电压损失法对所选择的电力导线截面进行验算，以便得知
19、用电设备电源输入择的电力导线截面进行验算，以便得知用电设备电源输入端的电压情况。端的电压情况。计算公式如下：计算公式如下：U UK KG G* *PL/(Cr*S)PL/(Cr*S) 式中：式中： U U允许的电压损失，占额定电压的百分数允许的电压损失，占额定电压的百分数 P P用电设备的功率（用电设备的功率（KWKW） L L用电设备至电源的导线长度（用电设备至电源的导线长度（m m） K KG G 导线电感对电压损失影响的校正系数导线电感对电压损失影响的校正系数 Cr Cr 导线电阻率对电压损失影响的修正系数导线电阻率对电压损失影响的修正系数 S S导线截面积（导线截面积（ mmmm2 2
20、）交流电源线的计算与选择交流电源线的计算与选择 2、电压降损失法、电压降损失法利用计算结果，看回路压降百分数是否符合规定。利用计算结果，看回路压降百分数是否符合规定。通信设备电源线路：设计的允许电压损失通信设备电源线路：设计的允许电压损失U U=3=35 5交流电源线的计算与选择交流电源线的计算与选择 3、按机械强度法选择、按机械强度法选择用安全载流量法和电压损失法选择好导线截面以后，还要根用安全载流量法和电压损失法选择好导线截面以后，还要根据导线使用场合敷设方法，看它是否符合机械强度的要求。据导线使用场合敷设方法，看它是否符合机械强度的要求。根据机械强度的要求，架空裸绞线一般允许最小截面积为
21、根据机械强度的要求，架空裸绞线一般允许最小截面积为1635mm2。直流电源线的计算与选择直流电源线的计算与选择 根据允许电压降计算选择直流供电回路电力线的截面，一根据允许电压降计算选择直流供电回路电力线的截面，一般有三种方法，即：般有三种方法，即：电流矩法电流矩法固定分配压降法固定分配压降法最小金属用量法最小金属用量法直流电源线的计算与选择直流电源线的计算与选择1、电流矩法、电流矩法采用电流矩法计算导体截面，是按容许电压降来选择导线的方法。它以采用电流矩法计算导体截面，是按容许电压降来选择导线的方法。它以欧姆定律为依据。在直流供电回路中，某段导线通过最大电流时，根欧姆定律为依据。在直流供电回路
22、中，某段导线通过最大电流时，根据欧姆定律，该段导线上由于直流电阻造成的压降可按下式计算：据欧姆定律，该段导线上由于直流电阻造成的压降可按下式计算：U UIRIRI IL LS SILILss式中：式中： U导线上的电压降（导线上的电压降（V） I流过导线的电流（流过导线的电流（A） R导体的直流电阻（导体的直流电阻（） 导体的电阻率（导体的电阻率（ .mm2/m） L导线长度（导线长度（m） S导体截面积（导体截面积（mm2） 导体的电导率（导体的电导率（ m/ .mm2 ）直流电源线的计算与选择直流电源线的计算与选择1、电流矩法（续）、电流矩法（续）导体的电导率是其电阻率的倒数导体的电导率是
23、其电阻率的倒数,不同材质的电导率也不相同不同材质的电导率也不相同,例如：例如：r铜铜57，r铝铝34整个供电回路的最大允许压降，是根据通信设备要求得允许电压变动范整个供电回路的最大允许压降，是根据通信设备要求得允许电压变动范围和采用蓄电池浮充供电时的浮充电压、合理的放电终止电压以及加围和采用蓄电池浮充供电时的浮充电压、合理的放电终止电压以及加尾电池调压时的电压变动情况等规定的。尾电池调压时的电压变动情况等规定的。由于上述计算导线截面的方法中常常用到电流与流经导体长度的乘积，由于上述计算导线截面的方法中常常用到电流与流经导体长度的乘积，即所谓的电流矩，故上述计算方法习惯上称为电流矩法。即所谓的电
24、流矩，故上述计算方法习惯上称为电流矩法。直流电源线的计算与选择直流电源线的计算与选择2、固定压降分配法、固定压降分配法所谓固定压降分配法，就是把要计算的直流供电系统全程允所谓固定压降分配法，就是把要计算的直流供电系统全程允许压降的数值，根据经验适当地分配到每个压降段落上，许压降的数值，根据经验适当地分配到每个压降段落上，从而计算各段落导线截面积。从而计算各段落导线截面积。公式为：公式为：SI*L/(* *U)工程中常用此方法。工程中常用此方法。直流电源线的计算与选择直流电源线的计算与选择2、固定压降分配法、固定压降分配法例：某设备最大电流为例：某设备最大电流为100A，电源线长度为，电源线长度为20m（单程），（单程），固定压降为固定压降为0.5V，则所需电源线线径应为：，则所需电源线线径应为：SI*L/(* *U)100*20*2/(57*0.5)=140mm2故应选用故应选用150 mm2电源线。电源线。
