UPS详解

本章 内 容

v  UPS发展概述

v  UPS分类、各种UPS方框图以及主要性能和技术指标

v  UPS逆变工作原理及主要电路技术

v  UPS操作

v  UPS电源供电系统的配置形式

v  UPS日常维护

本章重点、难点

v  本章重点

    UPS分类、各种UPS方框图以及主要性能和技术指标

 UPS电源供电系统的配置形式

v  本章难点

   UPS逆变工作原理及主要电路技术

本章的目的和要求

v  掌握UPS分类、各种UPS方框图，理解UPS主要性能和技术指标。

v  掌握UPS电源供电系统的配置形式。

v  理解UPS操作和UPS日常维护。

v  了解UPS的发展历史及趋势。

 

目前市电存在的一些问题

市电中断：市电中断通常是指市电输出零电压，并持续两个周期以上。市电中断的原因主要有配电空气开关跳闸、供电回路短路、电源设备故障等等。

电压浪涌：电压高于110%额定值且持续一个或多个周波称为电压浪涌。大功率用电设备的退出或者电网受雷击干扰均可能造成电压浪涌。

电压波形下陷：但电源电压低于80-85%额定值且持续一个或多个周波称为电压波形下陷，通常是由大功率用电设备的启很冲击造成。

高压尖脉冲：由闪电、电子开关、电焊设备、静电放电等原因造成，高压脉冲峰值电压可高达6000V，持续时间一般为0.5～5个周波。

瞬态高压：通常由雷电、电子开关、电焊设备、静电放电等原因引起，电压峰值高达20000V，持续时间为0.5～5个周波

谐波干扰：由整流设备、电动机、继电器、通信设备、电焊机等产生的RFIEMI。

频率漂移：频率漂移是指电源的频率不能稳定在额定值，而是在额定值附近波动。企业备用发电机组和小型水电站输出的交流电源经常会出现频率漂移的现象。

持续高低压：电网持续高压或者是持续低压主要是由于电网变压器或者是电力线路容量有限，且电网变压器性能不佳，电网负荷过大或者是电网负荷过小的原因造成。

1 UPS发展概述

v  UPS的发展经历了初期的旋转型、60年代可控硅静止型、80年代巨型功率晶体管（UR）静止型，到了90年代绝缘栅双极晶体管（IGBT）制成的UPS，其技术性能在不断提高，在通信电源系统中的地位和重要性也在逐步提高，现在已经成为通信电源日常维护的一个重点。

1 UPS组成

v  UPS在市电供电时，系统输出无干扰工频交流电。当市电掉电时，UPS系统由蓄电池通过逆变供电，输出工频交流电。

v  UPS由整流模块、逆变器、蓄电池、静态开关等部件组成，除此还有间接向负载提供市电（备用电源）的旁路装置。

2.1 UPS分类

v  按输入输出相数分：单进单出、三进单出和三进三出UPS。

v  按功率等级分：微型（＜3KVA）、小型（3KVA~10KVA）、中型（10KVA~100KVA）和大型（＞100KVA）。

v  按电路结构形式分：有后备式、在线互动式、三端口式（单变换式）、在线式等。

v  按输出波形的不同分：可分为方波和正弦波二种。

2.2 UPS方框图

v  现在的UPS电源工业，可向用户提供如下几种类型的UPS电源品种：

1、后备式UPS

2、在线互动式UPS

3、三端式UPS

4、双变换在线式UPS

5、Delta变换型UPS

1、后备式UPS

特点：结构简单、价格便宜、噪声低，但绝大部分时间，负载得到的是稍加稳压处理过的“低质量”正弦波电源。

2、在线互动式UPS

特点：市电供电正常时，负载得到的是一路稳压精度很差的市电电源；市电不正常时，逆变器/充电器模块将从原来的充电工作方式转入逆变工作方式。这时由蓄电池提供直流能量，经逆变、正弦波脉宽调制向负载送出稳定的正弦波交变电源。

3、三端式UPS

特点：为双磁分路结构，每个初级绕组和次级绕组都有一个磁分路，并接电容可与每一个磁路组成LC谐振回路，当达到谐振点时，构成饱和电感，使次级工作于饱和区，若初级输入电压变化时，次级输出电压恒定不变，实现了稳压的目的。

4、双变换在线式UPS

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特点：克服了市电质量差对其性能的影响，市电中断时，负载不会发生电源瞬时中断。

5、Delta变换型UPS

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特点：成功地将串联交流稳压控制技术与脉宽调制技术相结合 ，共有四条供电通道向用户的负载供电 。

2.3主要性能和技术指标

v  输入特性

v  输出特性

v  保护性能

输入特性

1、输入电压范围

指保证UPS不转入电池逆变供电的市电电压范围。在此电压范围内，逆变器（负载）电流由市电提供，而不是电池提供。输入电压范围越宽，UPS电池放电的可能性减小，这有益于电池使用寿命的延长。目前UPS输入电压范围一般为（－15％～＋10％）Ue之间。

2、频率输入范围

指UPS能自动跟踪市电、保持输出电压与输入电压同步的频率范围。UPS的输入频率范围一般为50±5%Hz，YD/T1095-2000规定UPS的输入频率范围为50±4%Hz。

3、输入功率因数

输入功率因数高低是衡量是否对电网存在污染的一个重要电性能指标。输入功率因数低时，不仅在吸取有功功率的同时，还要吸收无功功率，其结果增大了系统配电容量，影响系统供电质量。

4、输入电流谐波

因为可控硅的关断和开通，UPS的输入电流中含有丰富的谐波成分，它形成输入的无功功率，是造成UPS输入功率因数低的一个重要因素。因此在电路设计时，有的UPS加入了PFC电路。

5、输入频率范围

指UPS能自动跟踪市电、保持输出电压与输入电压同步的频率范围。UPS输出电压对输入电压的跟踪主要是为了保证UPS在必须时能够顺利地进行旁路切换，避免由于输入输出电压相差过大引起逆变器模块电源和交流旁路电源间出现很大的环流而损害。

6、频率跟踪速率

指UPS在一秒钟内能够完成的输出频率变化范围。频率跟踪速度可以表征UPS对输入频率变化的适应能力，特别是在柴油发电机供电的时候，由于柴油发电机的频率稳定度不是很好，如果UPS的频率跟踪速率过低，UPS就会出现频率不同步告警，控制电路就会禁止UPS进行旁路切换。

输出特性

1．输出电压波形失真度

指UPS输出波形中谐波分量所占的比率。常见的波形失真有：削顶、毛刺、畸变等。失真度越小，对负载可能造成的干扰或破坏就越小。

2．输出电压稳压精度

指市电—逆变供电时，当输入电压在设计范围内，负载在满负荷内100%变化时，输出电压的变化量与额定值的百分比。输出电压稳定程度越高，UPS输出电压的波动范围越小，也就是电压精度越高。

3．输出功率因数

指UPS输出端的功率因数，表示带非线性负载能力的强弱。负载功率因数低时，所吸收的无功功率就大，将增加UPS的损耗，影响可靠性

．输出电流峰值因数

指UPS输出所能达到的峰值电流与平均电流之比。一般峰值因数越高，UPS所能承受的负载冲击电流越大。

5．三相不平衡能力

对于三进三出的UPS来说，若出现三相的每一相电流不一致，就会造成输出电压的不平衡。具有100%负载不平衡能力的UPS，表示该UPS允许一相输出带满载，而其他两相空载。

6、UPS输出效率

指UPS的输出有功功率与输入有功功率之比。UPS的输出效率越高，表示内部损耗越小，反之则表示UPS本身功耗大，增大机房的空调负荷。此外输出效率低有可能使电池供电时间变短。

保护性能

1．输入保护特性

指交流输入过压/欠压保护，输入频率过高／过低保护等。当输入电压失真度过大，UPS会进入输入保护模式。对于三相输入的UPS，还有输入错相保护、缺相保护等。

2．输出过压／欠压保护特性

指当UPS逆变单元出现故障时，UPS的输出电压超出允许的范围而产生的保护动作。

3．输出过载／短路保护

指当UPS输出回路中出现短路故障或长时间出现过载现象，为了保护UPS的自身安全，通过控制电路将UPS切换到旁路工作模式的保护动作。

4．电池低压保护

电池容量的大小直接决定UPS在交流停电时能够保证不间断输出的时间长短，因此电池适时的发出电池低压告警可以使维护人员能够了解当前电池的剩余容量和后备保障时间，采取相应的应急措施。一旦电池电压达到保护值，为保护电池免于过放电造成的永久损伤，UPS就会关闭输出。

5．UPS的其他保护性能

UPS为了保证自身系统的安全工作，另有许多的故障监测点和相应的告警信息，如器件高温告警、风扇故障告警、熔丝熔断告警、整流模块故障告警、逆变模块故障告警等

3 UPS逆变工作原理及主要技术

3.1逆变电路

v  逆变器（逆变电路）是开关电源和UPS的核心装置。

v  逆变电路普通的原理结构

1．单相逆变电路

2．正弦波逆变电路

1、单相逆变电路

v  有推挽式、半桥式、全桥式等，均用于中小型UPS系统。

下面介绍脉宽调制型全桥逆变器。

全桥式逆变电路

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全桥式逆变电路工作原

v  功率晶体管由基极驱动电路提供激励信号，VT1、VT4和VT2、VT3在分别获得激励信号后，进入轮流导通或截止状态。从而在变压器初级和次级分别产生交流电压u1和u2。经过L、C滤波电路的作用使负载取得正弦电压。

v   逆变电路输出电压中除了基波外还含有一定的谐波成分，若要得到正弦输出电压，在次级输出电路中，必须设置滤波器。

UPS交流滤波器的性能

1、使输出电压中单次谐波含量和总谐波含量降到指标允许的范围内；

2、在三相条件下使输出电压不平衡度符合规定范围；

3、使负载变化引起的输出电压波动小，且满足动态指标，同时要重量轻，体积小。

2、正弦波逆变电路

v  大多数情况，我们希望UPS输出50HZ正弦交流电，所以要求其逆变电路为正弦波逆变电路。逆变电路实现输出为正弦的方法很多，主要有以下三种：

（1）阶梯波逆变器

（2）多脉冲调制逆变器

（3）正弦脉宽调制（SPWM）逆变器

（1）阶梯波逆变器

v  由于逆变电路得到矩形波相对容易，利用不同相位的矩形波叠加的方式得到一个近似正弦波的阶梯波，阶梯越多，其所含正弦分量就越多。

矩形波叠加组成阶梯波示意图

（2）多脉冲调制逆变器

v  基本原理是用一组等高不等宽的矩形脉冲等效正弦波。具体方法是将正弦波沿横轴分割为若干等分，每一个等分包含的正弦面积用一个相同面积的矩形波来代替，这些矩形波组成的半个周期波形便与半个周期正弦波等效。

（3）正弦脉宽调制（SPWM）逆变器

v  这种方法是通过频率较 高的等幅三角波（载波）与可调幅度的50Hz的正弦波组合，产生与正弦波等效的而脉冲宽度不等的矩形波，称为正弦调制。

正弦调制法与三角波的合成波

3.2 静态开关和锁相电路

1．静态开关

  2．锁相电路

1．静态开关

v  为防止切换时间造成瞬间供电中断并产生继电器触点拉弧打火等现象，在大功率UPS供电系统及切换过程中，采用静态开关作为切换元件。

v  UPS供电系统中常用的两种连接方式，即转换型和并机型。目前单机型的UPS静态开关一般采用转换型，而可并机UPS的静态开关有的采用并机型。

转换型连接方式

基本工作原理

v  在图(a)中，继电器作为逆变的切换开关，交流旁路用静态开关作为切换器件。在由交流旁路供电切换为逆变器供电时，先吸合继电器然后封锁晶闸管的触发信号，此时由交流旁路和逆变器并联向负载供电，当晶闸管支路电流为0时，晶闸管关断而断开市电供电电路；当由逆变器供电切换为交流旁路供电时，在发出继电器关断信号的同时，触发晶闸管导通，由于晶闸管导通时间为μs级，而继电器释放时间较长，因此也存在同时供电的情况。

并机型连接方式

基本工作原理

v  在图(b)中，交流旁路与逆变器都采用静态开关作为切换开关。当执行切换时，封锁脉冲并检测流过静态开关的电流，当电流为零时触发另一静态开关的晶闸管，实行二者的转换。在采用并联供电的系统中，当电压处于正半周或负半周时，同时触发处于正向阳极电压的两个晶闸管使之导通，由于晶闸管电流为零时关断使反向并联的两只晶闸管切换导通，使之并联负载供电。

保证同步切换的方法

（1）直接检测两电源电压的相位，以此作为切换时的一个控制信号。

（2）检测两电源的电压差，以此间接反映出相位差，产生切换控制信号。

（3）为防止切换时感性负载中出现浪涌而损坏元件，可通过检测主用电源在稳态电流过零时接通旁路电源，以实现安全切换。

2、锁相电路

v  锁相电路由三个基本部件：鉴相器、低通滤波器和压控振荡器组成。用于检测两个交流电源的相位差并将它变成一个电压信号去控制逆变的输出电压相位与频率，从而保持逆变器与交流电源的同步运行。

锁相电路基本原理图

4 UPS操作

v  在线式UPS是通信用较多见的，可处于下列三种运行方式之一：

1、正常运行--所有相关电源开关闭合，UPS带载。

2、维护旁路--UPS关断，负载通过维护旁路开关，连接到旁路电源。

3、关断--所有电源开关断开，负载断电。

v  本节介绍在上述三种运行方式之间互相切换，复位及关断逆变器的操作。

由两台UPS电源所构成的“热备份”冗余供电系统

由三台UPS电源所构成的“热备份”冗余供电系统

1、 UPS开机加载步骤

2、     此步骤用于UPS开机加载，假设UPS安装调试完毕，市电已输入UPS。

3、        （1）合静态旁路开关Q2

4、        （2）合整流器输入开关Q1

5、        （3）合UPS输出电源开关Q4

6、        （4）手动合电池开关

2、UPS从正常运行到维护旁路的步骤

v  负载从UPS逆变器切换到维修旁路，这在UPS需要维护时有用。负载由逆变器切换到静态旁路的操作过程如下：

（1）关断UPS逆变器，负载切换到静态旁路。通常在主菜单上可以操作关断UPS逆变器。

（2）取下Q3手柄上的锁，并扳动Q3内的锁定杆，然后闭合维护旁路开关Q3，断开整流器电源输入开头Q1，UPS电源输出开关Q4，静态旁路开关Q2和电池开关，UPS已关闭，但市电通过维护路向负载供电。

3、UPS在维护旁路下的开机步骤

v  包括如何启动UPS，并把负载从维护旁路切换到逆变器。

（1）闭合UPS输出开关Q4和静态旁路开关Q2。

（2）闭合整流器输入电源开关Q1，整流器启动，并稳定在浮充电压，浮充电压是否正常。

（3）闭合电池开关。

（4）断开维护旁路开关Q3，并上锁。

4、UPS关机步骤

（1）断开电池开关和整流器输入电源开关Q1

（2）断开UPS输出开关Q4和旁路电源开关Q2。

（3）若要UPS与市电隔离，则应断开市电向UPS的配电开关，使直流母线电压放电。

5、UPS的复位

v  当因某种故障使用了EPO（紧急关机），待故障清除后，要使UPS恢复正常工作状态，需要复位操作，或在系统调试时，选择手动方式从旁路切换到逆变器，UPS由于逆变器过温、过载、直流母线过压而关闭，当故障清除后，需要采用复位操作，才能把UPS从旁路切换到逆变器带载。

v  操作复位按钮使得整流器、逆变器、静态开关重新正常运行。若是EPO后的复位，则还需用手动合电池开关。

6 UPS电源供电系统的配置形式

v  并机包含两层含义

冗余：增加可靠性。

并联：增容。

v  根据冗余式配置方案，有

主机—从机型“热备份”UPS供电方式；

直接并机冗余UPS供电方式；

双总线冗余供电方式。

1、 主机—从机型“热备份”UPS供电方式

2、       这是缘于UPS电源的锁相同步控制技术还未完善到足以保证多台UPS的逆变器电源总是处于同相、同频的跟踪技术下常采用的方案。图（a）中，UPS-2中的逆变器电源2一直处于空载状态，只有当UPS-1故障时，UPS-2才承担供电业务。

3、        此方式的缺陷在于UPS-2长期处于空载状态，其电池寿命会缩短、容量会下降，且UPS-2得具有阶跃性负载承载能力，无扩容能力。为提高性价比，可采用图（b）形式。UPS-1、UPS-2作主机使用，而UPS-3作为二者的从机。

图（a）

图（b）

2、直接并机冗余供电方式

v  为克服主机—从机型热备份供电系统的弱点，随着UPS控制技术的进步，具有相同额定输出功率的UPS可直接并联而形成冗余供电系统。为保证高质量的并机系统，各电源间必须保持同频、同相、且各机均流。

n+1型并联冗余供电系统应有的控制功能

（1）锁相同步调节功能

使相位差尽可能趋于零，以防止并联系统出现环流。

（2）均流调节

保持多台UPS电流输出的均衡度。

（3）选择性脱机跳闸功能

应正确判断出那台UPS单机出现故障，并进行自动操作。

（4）非冗余工作状况报警

若系统处于非冗余状况，应发出告警，及时排除故障，恢复冗余供电状态。

（5）环流监控

直接并机方案的类型

（1）简单的直接并机方案

各台UPS只实行与市电的跟踪同步，相互间对相位、电压不进行调节，因此易发生故障。

（2）主动式直接并机方案

各台UPS只实行与市电的跟踪同步，相互间对相位、电压不进行调整。有“1+1”型直接并机方案和“导航型”UPS直接并机方案。

（3）“热同步”并机技术

当两台UPS在执行并机操作时，无需捕捉相互的实时参数，而达到互锁及均流的目的。

（4）采用“并机柜”的并机方案

用一个专门的“并机柜”来代替原分散交流旁路供电通道，解决了各个分散的交流旁路上的“静态开关”的不均流带载问题。

（1）“1+1”型直接并机方案

（2）“导航型”UPS直接并机方案

（3）“热同步”并机技术

（4）采用“并机柜”的并机方案

4、 双总线冗余供电方式

5、       由于在UPS供电系统中，输出端与负载间配有配电柜、断路器等，若碰到检修或产生故障等，以上的几种配置形式将引起负载停电，也即系统的故障率虽然降低了，但可维护性问题并没有彻底解决。采用双总线冗余配置方案，可很好解决这个问题。配有两套静态开关STS1、STS2，构成一套能自动执行安全可靠的具有零切换时间的系统。

双总线冗余供电方式

6 UPS日常维护

v  UPS周期维护内容较少，只需要保证环境条件和清洁。

v  检查和预防的目的是使机器保持最佳的性能并预防将小问题转变成大故障。

v  按维护的周期可分为：日检、周检、年检。

日常巡检

（1）告警监视与处理：值机人员在UPS设备安装现场观察UPS的控制面板上是否存在告警信息，防止监控告警没有及时上传到动力监控系统而造成事故隐患。一旦发现告警，立即根据告警的内容做出相应的处理，并在值班日记上详细故障事件和相应的处理措施、处理结果。

（2）交流停电倒换：如果出现交流输入停电，值机人员需及时启动应急电源并严格按照操作规程，将UPS的交流输入切换到应急电源上或第二路市电电源。

（3）运行参数记录与分析：按照省公司下发的机房电源巡检记录表中关于UPS的相关内容要求，按实抄写UPS的输入/输出电压、输出电流、负载比率等内容。并将本次抄写的数据与历史数据进行对比分析，如果出现负载突变现象，需要仔细追查负载突变的原因。

（4）运行状况检查：UPS设备运行状态查询可以在操作显示面板上完成，可以查询的状态参数包括主路输入电压/电流，输出电压/电流，频率，电池状态，电池电压/电流，告警历史记录等。查询方法请参看UPS产品用户手册。

（5）检查UPS的出风口温度、检查UPS室的空调是否正常、室内温度是否满足要求。检查整流模块、逆变模块、风扇、变压器、滤波器有无异常声音。

月度维护

项目

要求

检查系统告警功能

模拟系统简单故障，系统应发出相应告警

检查系统显示功能

将系统主机显示的电压、电流值与仪表的实际测量值进行比对，显示误差应分别小于0.2V和0.5A

检查系统参数设置

系统所有参数设置正常，无漂移现象

检查系统接地保护

工作接地、保护接地的全部连接端连接紧密、无松动。

检查熔丝、开关和结点温升

用红外点温仪测量表面温度，要求温升<50℃

检查散热风扇是否正常

风扇运转正常、无卡滞，滤网无积灰

清洁/更换系统滤网

按需进行

检查电池连接条和交流电缆连接情况

连接紧固，无松动、老化、腐蚀现象，电池充放电时连接条无明显的发热现象。

检测单体电池端电压和极柱温度

单体电池端电压差<100mv×n节

壳体无变形、开裂，无漏液痕迹

检查电池外观

清洁系统内外部卫生

系统内外部清洁，无明显积灰

季度检测

项目

要求

检查设备内部连接和布线

插件和电缆连接、固定良好，无挤压变形、发热和老化

检查系统电容运行状况

有无温升过高、漏液、膨胀变形等现象

检查系统变压器运行状况（温升）

红外测温仪测量变压器铁芯温升

清除设备内部积灰

变压器、开关、接触器内部无积灰

检测设备内部开关、接触器、线缆连接点温升

红外点温仪测量温升，分析判断接触是否良好，要求温升＜40度

年度检测

v  在UPS系统竣工验收时需要对蓄电池进行全容量的放电测试。UPS投运后，在前两年进行30% 的核对性容量试验，从第3年开始每年一次进行全容量的放电试验。

巡检

v  有条件的分公司，建议安排年度或半年度的UPS巡检计划

v  春季巡检：为了保障设备在潮湿的雨季和雷季中的运行安全，对设备接地系统状况、耐压参数与防雷部件等作检查。

v  秋季巡检：为了保证设备在干燥的冬季特别是春节期间保持良好的运行状态，对设备的性能指标、负荷能力、电池容量、供电安全、机房安全等作检查。不论是春季还是秋季巡检都需要检查的项目包括：机房温度、湿度、设备防尘、电线电缆状况、连接点状态等。

v  巡检报告应该包括：数据统计数据分析、问题说明、对策建议等。