UPS电源设计培训

UPS iOl讲文Z 00 A年八月、引言Hi着网络应用的逐浙普及，特别是互朕网规模的日趋扩大，ups在网络与电子商务飞速开展的年代里迎来了它的黄金NKIJo网络时代的ups产晶已经由独立的外设产品开展成为整个it算机和网络系筑不可分劉的一同部。与Kt同时对UPS自动化、智能化和网络化的要求也越来逍高，迪种需求为UPS的蓬勃开展 奠定了根底，并为u PS提哄了广阖的使用空间。二、ups wa仁UPS根本功能高可靠不连续哄电、高质量哄电錯淚彊念电MIO2、分类3、几种构坦形式UPS的根本原理及特胃门后备式后备式UPS如下图，是牌止氏UPS的最初形式。其应用广泛，技术成熟, 电路简单，价IS低廉,一般只适用于M率围。后备式UPS2在线互动式在线互动过UPS如下图。“在线的含义是逆变器工作，但不输出助率,处干热备价状态，同时兼顾对蓄电池充电，增大了 UPS在市电正常时的力率容 量，并且减少了在市电中断时的转旗时间，提高了输出电压的滤波作用，属干并 朕功率调整方贰，输出功率名在5kVA以下。输入输入开关菁电池* f忌向逆1变器在线互动式UPS3双变换在线贰双变换在线戏UPS如下图。传统双变换在线式，特别是大助率UPS,目前 仍名呆用这种电路购造，协干串联助率传输方式。il变换在找式ups方IB图三、upsk一ups的选型1、览择uPS的假设干考虑：根据自己的要求和可能,一股考虑三个因素产品的技术性能产品可维护性产品价怡2、负就容量、功率因数对选塑3、电池后备时同对选塑的影响4、集中与分散供电方案对选型的影晴二如何考虑UPS的容量与连接方式1、容量：根据负荷量晞定，为延长UPS使用寿金，一般推荐负荷量占UPS输出功率的60 70%为宜。且尽可能选用单台大容量UPS。2、连接方衣：为确保fft电可靠，可呆用冗余配置主从“热备价冗余“1+T塑直接并机冗余多机直接并机冗余三选择UPS的考前须知1、不要简单it以构is形戏簡定优劣2、重視UPS对电网的适应性与电力污染冋题3、重視对UPS输出能力和可靠H的考察四容量it算1、UPS系竦容量估算kSe nmP = Px j-i式中n平安系数取1.2 1.5, m余量系数取1.15 1.2。2、油机发电机组容量选择油机发电机组容量一般为UPS系鋭容量的1.2 1.5倍。3、曹电也组容量估算 (1)计算电泡放电电流_5fxl000xPF放Uxi2廿算电池组容量C = IqKK为容量系数，与用户要求的放电时间T有关，如表1-2所示。表1-2容量系数K与用户要求的放电时间T关系Th0.51234568910K1.4323.2845.066.026.748.519.2810呱、UPS Jf展仁小型化。由于功率器件的工作頫率的提高,在ups中釆用体枳更小、重量较轻的高 顔跌氧ttttiU变压器来代替畦刑片变圧器，特别是在小里ups电温中普遍采用 无逆变器输出变压器设廿方案后，便得小里ups得以向体枳小、重量轻、噪音 小的方向开展。2、髙效率。节能;寿命。永恒的话題3、引用柔牲切换技术。为了有效的提高效率，减少UPS的尺寸与重量，高频化设廿式必要的。但由 于开关元件的非理想性导致进一步高履化的困难。主要表现在:门在开关器件导通和Kffii程中，电压电流重叠产生开关损耗，即开关损 耗IS开关顒率的提高而增大;电路的寄生电感和寄生电容在高頓时产生严重的电压尖ft (spirevoltage) 和浪涌电流(surgecurrent)o尖峰电压和浪涌电流將导致开关应力增大,有可能损 坏开关器件,是电科声的主要来温。一般需要接入吸收回路加以消除，但吸收 回路会消耗能量,降低电澹的效率。实质上,高斛时需要着重解决的问題是:实現开关器件的零电压或零电流 开关条件，即引用柔性切换技术软开关，以尽可能减小开关损耗，消除开关 浪涌。柔性幼换枝术按幼换时开关的状态可分为zcs、ZVS及ZCSZVS,以其被 肯定的优自，已广泛应用于高頫开关整流器，相信在不久的将来会被广泛应用于 UPSo4、UPS的绿色化输人功率因数是一个重要指标。提高此顶荷标不仅可以降低线路损耗，节约 电能，消除火灾隐患,还可以城少对市电的谐波污染，提高市电的Ift电质量,获 得较大的经济效益及社会效益。传貌提高输人助率因数的方法为无源功率因数校 正技术，而现在开展为釆用配置有输入功率因数校正的高頫脉宽调利技术，采用 泄种技术的UPS输入功率因数一般都可被提高到0.99以上,可使UPS电源的输 人电压和输人电流在几平同相位的条件下，其输人电流波形也呈现为正弦波。a 样，就可在大大提高对电能利用率的同时，消除传境的ups电源对市电电网所 产生的谐波干扰和污染，加强抗电磁干折能力，降低福射干扰，从而引岀绿色无 污染UPS的新m念。此外，高频脉宽调抽技术在UPS的整说滤波电路上的利用, 大大提高了 UPS电洞对市电电网电压渡动的适应能力。传境的UPS允许的市电 电压的围可以液动20%,然而采用高频脉宽调樹技术的UPS的市电输人围可这 25%左右。5、冗余技术在UPS的应用中，用户为了提高运行中的可靠性，往往要求几台UPS冗余 连接。UPS的冗余数目，从理论上讲是是否越多越好，但在实际应用中并非如此 简单，单输岀fiiO-BiW标就带来好多问题。在三相UPS中，假设作到均流, 就必须保证并联的各UPS的对应相电压和相位保持在一个最小的娱差值，并朕 台数越名，越不易到这一致，即使当时到达了一致，IB着时间的推務、iSI8的变 化，尘埃的侵入,器件的老化，冷却系统造成的振动以及湿度和腐宦性气体的破 坏等等因素都时刻在破坏着迪种平他，当并朕台数到达一定数量后，可靠性开场 降低，这就是从量变到质变。单从理论推导岀来的结论是在一定的理想条件下作 出的，它和实际一直在变It着的悄况是有距离的。就目前的ups制造枝术和工艺水平而言，已可使ups的故障率大大降低。例如：中、小里UPS平均无故障工作时间MTBF已做到514牙小时，对夫 里UPS而言，它的MTBF可达24JJ小时以上。於而，即使对于这徉高质量的系 魏，也不能駕保它的故障率为零。在UPS中可采用具有容錯功能的冗余配置方 案来解决这个冋題。所谓“客错特性，是指在整个UPS侠电系统中，如果因 故造成个别HI器出故障时，该UPS fft电系貌自动将有故障的机器“肮机进展 检修的同时，整个UPS (ft电系统必须娠续向用户提哄高质量电源。由干在冗余 式UPS篌电系统中，釆用了多台UPS组合起来共同承当向负我供电的任务，H 此如何正晞地解决好名台UPS输岀的交流电源以同频率、同相位和同幅度的方 式运行是能否成功地实现名台UPS冗余侠电的关權。就目前所掌握的资料来看, 有如下几种冗余配置方案可哄选择:iHi-u机里的“热备tr ups供电方式； 直接并联哄电方贰；双总线冗余供电方式。6、全数字化模#1系统存在元器件数量大、分歆性强、不利于生产与圳试的缺点，且具有漂 杨、老化等不良特性，系统可靠性难以提高。而高肖撤处理器和数字信号处理器 DSP的数字化控歆那么具有很強的数据、逆辑运算能力,可以实现一些复 杂的先进算法和智能算法，迪些功能在模Hl系貌中是不敢企及的。功率MOSFET及IGBT的冋世为UPS开拓出一条光芒灿左之路，使UPS技术 步人崭新的时代一全数字化时代。首先,UPS的输人局部取消了用于与市电隔离的工频变压器或为降压用的自 耦变压器,而果用SPWM技术实现整流高頫化AC/DC。一方面减少直流侧滤波 器尺寸，改善直流侧调节性能，提高市电电压允许变化围；另一方面在腔制技术 中采用数字信号处理器DSP ( DIGITAL SIGNAL PROCESSOR控制，使输人电流 正取化，并与市电电压同相，从而实现UPS高输人功率因数PF1，消除对市电的谐波“污染，到迖坏保目的，大feISM少无功损耗，明显降低了运行本 拔。其次，取消了 UPS逆变器中的工颛变压器，用高频变压器来实现UPS与市电的隔离，而UPS的输岀级果用SPWM变换方式（不用变压器直接逆变） 输岀工颛电压。逆变器中的功率MOSPET或IGBT I作频率在20KHZ以上，因此 输出滤波器小而简单,而且输出的正菽波非常光滑。对TUPS部的蓄电池组呆取高頫变旗降压方式DC/DC充电，当市电停电, UPS转换为由蓄电池给逆变器篌电时亦采取高頫变换降压方式（DC/DC）实现。在逆变器控制电路中采用正取波直接反应技术，使其圳节高速化，瓦远优于 传筑式模81反应枝术,再加上小的输出滤波器和20KHZ以上的SPWM调制,使 UPS动态响应特性非常好。在逆变器尿护电路中采用性能优良的过流保护技术， 便逆变器不仅具有较强的il我能力，允许100%负载不平衡指三相逆变器， 而目貝有強有力的自身保护。也正是在上述条件保证下，拋弃了传统式逆变器输 出变压器，不仅蝶音低而目效率高。全数字化UPS是新一代UPS,它具有高质 量、高可靠、高指标、名功能等特自。DSP技术的优势在于具有良好的自我诊Bi功能，能迅速地排除故障，大幅IS 地减少零件的数量，U而大大降低因元器件而造成的系筑故障，提高其可靠性， 并目运算控制更简单、准确、完美，同时DSP枝术的引人也极夫地推动了并朕 技术的开展。釆用数字控翎的系统那么很容易实观与廿算机网络的通爪，可以通 il网络对关健器件进展有效的监视，对已发生的故障有冗余措随处理。（8着高速、 廉价的数字信号处理器dsp的出现,在线式ups全数字化的实现已经成为可能。 全数字化更易实现it算机的处理和控制，肪止模01信号传递的BS变、失真，减少 杂散信号的干扰，便于软件包的圳试和遥控，也便于自诊Bi、容錯等技术的植人。由于将啊络通爪和电源监控軟件涮腔技术进展了完善的结合，全数字化在线式UPS将成为UPSff展的一神體势。7、智能化UPSUPS的智能化色扌舌系貌运行狀态自动识别和控斟、系筑故障自诊断、蓄电也 自动监测管理、智能化部信息检测与显示等oUPS的异地瓦程监控內括系统专用 远程监控控制盘、RS232/485通信口与监控PC机间的交互控翎、将UPS系统作 为网络的一个节点的网络交互控制等。UPS的智能比主要是通过系筑的控制软件实现的。在系筑运行状态识别与 控制方面，通过部传感器和状态逻辑及时识别系貌所处的运行状态，判定系统运 行程序和运行是否正常，iieisu下几个方面：根据负裁被切换到旁路的时同和次auKffl换时的输入输岀参数等乳定系 境的运行模式即旁路运行还是主机运行、充电运行还是放电运行等。根据系筑运行的状态参数识别外部捋令，决定执行外部荷令的方武，包站系 筑功能和运行参数的调整。快速准晞的列定系貌的故障状态并釆取相应的故障业理措施，如封冈功率变 换器、输出故障参数报警等。历史事件的记录并根稠历史记录和当前运行参数预測蓄电池的后备时间等。智能化的人机对话控制操作面极內括图形显示等。并机系筑的热待机到带教运行的自动圳定与转換。所有这些都简化了外部操 作程序，有效的肪止了系统的误操作对系统自身和负裁所带来的危害，提高了 UPS的可靠性。UPS的智能化的另一 f方面是通过运行于PC机的监腔狀件实观 的。通过RS232C等接口将UPS与PC机串口连接，并在PC机上运行相关平台 的UPS监控软件，由PC机定时发送查询指令，UPS那么在规定的时同返回运行 参数信息。由PC机进一步对UPS的运行状态、故肾的具体部位等进展圳断，并 在必要时对UPS发岀荷令进展运行干硕和提隍现场维护人员。8、网络化在廿算机网络及通信事业迅隹开展的推动下,当今的ups已在大量引进ta 处理监控技术的根底上开展成为一种能在UPS和廿算机网络之同建立起毁向通 信嗚控管理功能。UPS的网络化有两方面的含义。一是UPS及其监控系统 与其所保护的负我一廿算机或局域网络间的交互作用。当电源出现异常时， UPS部的械腔制器会员时把异常信息发送给它所保护的廿算机或局域网，并由监 控軟件在相应计算HI上发出告警信息，提醉操作员或啊络管理员及时处理，并在 UPS供电时同完毕前自动中止计算机或局域网的运行,并将现场信息自动存盘， 通11 MODEM向有关人员发岀EMAIL. BP-CALL等。在逆个恿义上UPS是其保护 的啊络的一个接自。另一方面的含义是把UPS当作广域网络的一个迪立节点 并装上通爪适配器，给UPS分配独立的IP地址。这样，网管员或被授权人可在 网络的任何地方通ii网络象管理廿算机一样对UPS的悄况进展实时远程监控， 利用这种控制功能用户可在廿算机网络冥竭上实时16控ups的运行参数例如： 输人、输出的电压、电流和頫率，UPS电池组的充电、放电和电压值显示,UPS 的输岀功率员有关的於肾、报警信息。此外，用户还可在廿算机网络终端上对 UPS的输岀执行定时的自动开机、自动关机操作。在自动完成将程序和数UH专人 脱盘操作之后，再自动“关冈操作系貌o这样有序的关机操作,将确保用户的 軟件和数据的平安可靠。UPS生产厂家也可以直接通过啊络了辭分布在世界各地的UPS的运行悄况, 便干向用户提哄系筑诊Bi和维修等的售后效劳，提高了效劳的快速性和准晞性。 为实现上述控制功能，在目前市售的先进的UPS上可向用户提供RS232, DB9、 RS485通信接口。对于要求能执行廿算机网控管理功能的UPS来说，还应配置简 单网络管理协放 SNMP SINGLE NETWORK MANAGEMENT PROTOCOL卡，才能 配套运行。9、完善的电池管理。为提高UPS电源中的蓄电池的使用效率和延长使用寿命，引人以愉处理器 监控枝术为主的电池管理系筑，从而使电池监控系统变得更加完善。对电池的充 电釆用双重保护系统，配置有航止电池被11压充电和被11流充电的具有先恒流后 恒圧充电特性的充电电路。利用am器对ups电源的实际后备供电时间进展 可编程的定时自动检测和硕报。在小里UPS中，一般利用也于前面扳上的由发 光二极菅LED所构成的电池充电容量百分比显示器来观察电池的充电状态。 当电池笊电时，利用该电池剰余容量百分比模显示器来形象化地向用户展示电 池组的实际运行状态。五、完毕培UPS使用M OSFET g IGBT ft率元件，使其走向高頫化、小塑化、高效率，也延 长了蓄电池的寿金；采用冗余枝术，进一步增強了 UPS的容量和可靠性，而网 络智能化UPS技术不（2提哄完全可靠的啊络电源菅理，也为节能提哄了一种最 正确的齡决方案。可以说UPS技术总的开展着势是逐步向小型网络智能化和具 有长延时方向开展，RO着科技进步，UPS开展在不久的将来也将开辞-个更新的 領Mo