交流不间断电源

交流不间断电源（精选十篇）

交流不间断电源 篇1

UPS是Uninterruptable Power System的简写, 即“不间断电源”, 实际上是指“交流不间断电源”, 主要的功能是对负载不间断地提供交流电。因为UPS电源可提供高精度、高稳定性的电压波形与频率, 具有承受电网波动或扰动 (波涌、跌落、谐波) 、间断甚至短时停电的能力, 无论是线性负载或是非线性负载, UPS都有低阻抗输出的特性, 因此UPS电源系统得到了广泛的应用。

1 UPS的分类

目前UPS主要分为三种类型:后备式、在线互动式、双变换在线式UPS电源。

后备式UPS电路简单, 对电压的频率不稳、波形畸变以及从电网侵入的干扰等不良影响基本没有改善。

在线互动式UPS电源使用的是工频变压器, 当市电流入变压器后, 在稳压电路的控制下选择合适的变压器抽头拉入, 同时在双向变换器的作用下借助蓄电池的能量转换共同调节输出电压, 以此来达到比较好的稳压效果。当市电掉电时, 蓄电池通过双向变换器给变压器供电, 实现输出电压的不间断。

双变换在线式UPS电源的整流器多为可控硅整流器, 但也有IG-BT-PWM-DSP高频变换新一代整流器。当市电存在时, 实现AC->DC转换功能, 一方面向DC->AC逆变器提供能量, 同时向蓄电池充电。当逆变时, 完成DC->AC转换功能, 向输出端提供高质量的电能。无论是市电供电, 还是转向电池供电, 其转换时间均为零。近几年来一种新的技术是将交流稳压技术中的电压补偿原理应用到双变换在线式UPS电源的主电路中, 产生一种新的UPS电路结构型式, 被称为双逆变电压补偿在线式UPS电源。

2 UPS组成及工作原理

UPS电源系统由四个部分组成:整流、储能、变换和开关控制, 具体的工作原理如图1所示。

当市电正常输入时, UPS就将市电稳压后供给负载使用, 同时对机内蓄电池进行充电, 把能量储存在电池中, 当市电中断或输入故障时, UPS将机内电池的能量转换为220V交流电继续供负载使用, 使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。其中AC-DC变换的作用是将从电网中来的交流电经自耦变压器降压、全波整流、滤波变为直流电压, 供给逆变电路。AC-DC输入有软启动电路, 可避免开机时对电网的冲击, 而DC-AC逆变电路则采用大功率IGBT模块全桥逆变电路, 具有很大的功率余量, 在输出动态范围内输出阻抗特别小, 具有快速响应特性。由于采用高频调制限流技术及快速短路保护技术, 使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路, 均可安全可靠的工作。控制驱动是完成整机功能控制的核心, 它除了提供检测、保护、同步以及各种开关和显示驱动信号外, 还完成SPWM正弦脉宽调制的控制, 由于采用静态和动态双重电压反馈, 极大地改善了逆变器的动态特性和稳定性。

3 UPS设计关键技术

UPS按其容量大小不同可以分为30k VA以上的大功率UPS、5~30k VA的中功率UPS和5k VA以下的小功率UPS。

大功率UPS在技术、工艺、制造等多方面的难度也超出了中小功率的UPS, 大功率UPS的关键技术如下。

3.1 逆变技术。

当今逆变器的数字化控制方法成为交流电源领域的研究热点, 出现了多种离散化控制方法, 包括数字PID控制、状态反馈控制、无差拍控制、重复控制、模糊控制、神经网络控制等方法。上述各种控制方案都有其优势, 但是也有其不足。为了使UPS具有较好的鲁棒性、稳态精度、动态响应速度、输出电压波形畸变率等, 一种必然的发展趋势是各种方法相互渗透, 互相结合形成复合控制方案。复合控制是UPS逆变器的一个发展方向。

3.2 整流技术。

传统三相大功率UPS一般采用晶闸管整流技术, 在大功率段一般采用12相甚至24相整流技术。晶闸管整流的优点在于原理简单、控制方法成熟、效率高, 但是谐波电流大。为了防止对电网构成污染, 一般采用滤波器技术, 可将12脉冲整流的输入谐波电流降到6%以下。随着大容量全控器件的发展及控制水平的提高, 近年来出现了采用IGBT的高频整流技术, 由于这些电路结构可以不断运用各种新的数字控制方法, 它的功率因数可以达0.99以上, 谐波电流小于3%, 是一种真正的绿色电源, 近年来开始成为研究的热点。整流技术的热点主要集中在电压型三相整流技术和电流型三相整流技术两种方案。

3.3 并联技术。

在某些特殊场合, 如大规模IDC、机场等, 要求UPS的容量达到数兆伏安。由于功率器件和散热工艺等方面的限制, 必须将UPS并联才能达到所需的容量。并联技术的核心是各并联部分的均流问题。UPS的并联比一般的直流电源并联要复杂的多, 它必须满足以下三个条件:a.每个逆变器的输出电压的幅值必须相等。b.每个逆变器的输出电压的频率必须相等。c.逆变器的输出电压的相位必须一致。

4 UPS电源配置方法

4.1 UPS电源容量数配置方法。

通常情况下, 负载设备提供标称电压和标称电流, 负载容量数如下:负载容量数=电压数×电流数。

特殊情况下, 负载设备只给出了功率W数的信息, 容量数如下:负载容量数=功率×1.4。

应配UPS电源容量数=负载容量数÷0.7。

4.2 后备延时蓄电池配置方法。

a.UPS蓄电池的主要技术指标。UPS蓄电池的额定电压和额定容量是两个最常用的技术指标, 额定电压指UPS蓄电池正负极间的电压, 也称端电压。额定容量是指充足电的蓄电池放电到终止电压时输出的电量。在恒流放电的情况下, 容量Q=It。

式中Q—电池放出的电量, AH;I—放电电流, A;t—放电时间, h。

b.后备延时蓄电池配置方法。UPS蓄电池组额定电压≥UPS电源启动直流电压 (各UPS电源出厂时标明启动直流电压) 。

UPS电源功率×延时时间÷UPS电源启动直流电压=所需蓄电池安时数。

结语

随着不断地被开发出来的新技术在实践中的逐步应用, 可以预见:今后UPS电源将向着数字化、智能化、网络化的方向发展。

摘要：讨论了交流不间断电源UPS的分类、组成及工作原理、目前UPS设计的关键技术、电源配置方法, 并阐述了UPS的发展趋势。

关键词：交流不间断电源,UPS,逆变,整流,并联

参考文献

[1]孙哲.一种实用的在线式UPS设计[D].大连:大连理工大学2, 007, 6.

[2]王庆国.浅谈UPS电源的基本工作原理、分类及配置方法[J].能源技术与管理2, 008 (6) .

[3]李晓光.UPS电源原理及应用[J].电源世界, 2006 (1) .

UPS不间断电源如何测试 篇2

测试UPS的主要目的是鉴定UPS的实际技术指标能否满足使用要求。UPS的测试一般包括动态测试和稳态测试两类。稳态测试是在空载、50％额定负载以及100％额定负载条件下，测试输入、输出端的各相电压、线电压、空载损耗、功率因数、效率、输出电压波形、失真度及输出电压的频率等。动态测试一般是在负载突变(一般选择负载由0％—100％和由100％-0％)时，测试UPS输出电压波形的变化，以检验UPS的动态特性和能量反馈通路。工具/原料

电源扰动分析仪、存储示波器、调压器、失真度测量仪、负载、万用表 步骤/方法

一、动态测试

1.突加或突减负载测试

先用“电源扰动分析仪”测量空载、稳态时的相电压与频率，然后突加负载 由0％至100％或突减负载由100％至0％，若UPS输出瞬变电压在-8％-+10％之间(可依具体机型的该项指标而定)，且在20ms内恢复到稳态，则此UPS该项指标合格；若UPS输出瞬变电压超出此范围时，就会产生较大的浪涌电流，无论对负载还是对UPS本身都是极为不利的，则该种UPS就不宜选用。2.转换特性测试

此项主要测试由逆变器供电转换到市电供电或由市电供电转换到逆变器供 电时的转换特性。测试时需有存储示波器和能模拟市电变化的调压器。

转换试验要在100％负载下进行，特别是由市电转换到UPS上时，相当于UPS的逆变器突然加载，输出波形可能在1～2周期内有±10%的变化。切换时间就是负载的断电时间。此项测试是检测转换时供电有无断点，如有断点，且断点超过20ms就会造成信号丢失。在线式UPS一般不会有断点，但其波形幅值会有瞬时变化，要求在半周期内消失。另外，因为UPS在市电正常时，逆变器工作频率是跟踪市电频率的，一旦市电中断，逆变器频率完全由控制电路的本机振荡器来控制，这一突然变化是随机性的，它与市电中断前的瞬间状态和本机振荡器的状态有关，这种频率控制的瞬态变化，可能造成输出频率变化达30％，很多负载无法适应这一变化。

二、稳态测试

所谓稳态测试是指设备进入“系统正常”状态时的测试，一般可测波形、频率和电压。1.波形：

一般是在空载和满载状态时，观测波形是否正常，用失真度测量仪，测量输出电压波形的失真度。在正常工作条件下，接电阻性负载，用失真度测量仪测量输出电压波形总谐波相对含量，应符合产品规定的要求，一般小于5％。2.频率：

一般可用示波器观测输出电压的频率和用“电源扰动分析仪”进行测量。目前UPS的输出电压频 率一般都能满足要求。但当UPS的频率电路，本机振荡器不够精确时，也有可能在市电频率不稳定时，UPS输出电压的频率也跟着变化。UPS输出频率的精度一般在与市电同步时，能达到±0．2％。3.输出电压

UPS的输出电压可以通过以下方法进行测试判断：

(1)当输入电压为额定电压的90％，而输出负载为100％或输入电压为额定电压的110％，输出负载为0时，其输出电压应保持在额定值±3％的范围内。(2)当输入电压为额定电压的90％或110％时，输出电压一相为空载，另外两相为100％额定负载或者两相为空载，另一相为100％负载时，其输出电压应保持在额定值±3％的范围内，其相位差应保持在4°范围内。

要在不平衡负载情况下，使负载电压的幅值和相位，保持在允许范围内，逆变器的设计就必须做到每相都能单独调整。在对每一相电压的幅值和相位分别控制的情况下，可以做到三相负载电压始终是对称的。有的UPS不是每相都能单独调整，所以，当接单相负载时，输出电压就会出现明显的不平衡。对于这类UPS，就不能进行此种测试，使用时，也必须使三相负载尽量平衡。

另外，上述的不平衡负载一相为空载，另外两相为额定负载或者两相为空载，另一相为额定负载的条件较为严酷，有的机器是在不平衡负载为两相为额定负载，另一相为70%的额定负载或者一相为额定负载，另两相为70％的额定负载条件下来测试输出电压（各相电压，线电压）的稳压精度和三相输出不平衡度。(3)当UPS逆变器的输入直流电压变化土15％，输出负载为0％—100％变化时，其输出电压值应保 持在额定电压值±3％范围内。这一指标表面上与前面所述指标重复，但实际上它比前面的指标要求更高。这是因为控制系统的输人信号在大范围内变化时，表现出明显的非线性特性，要使输出电压不超出允许范围，对电路要求就更高了。3.效率

UPS的效率可以通过测量UPS的输出功率与输入功率求得。UPS的效率主要决定于逆变器的设计。大多数UPS只有在50％—100％负载时才有比较高的效率，当低于50％负载时，其效率就急剧下降。厂家提供的效率指标也多是在额定直流电压，额定负载(cosφ=0.8)条件下的效率。用户选型时最好选取效率与输出功率的关系曲线和直流电压变化±15％时的效率。

效率等于输出有功功率比输入有功功率再乘以100％，输入功率不包含蓄电池的充电功率。测试是在正常条件下，负载为100％或50％的阻性负载情况下测量。从经济角度讲，机器的效率高，可以节省电费，选用容量时，其裕量系数也可以减小些。

三、常规测试

1.过载测试

过载特性是用户极为关心，也是衡量UPS电源的一项重要指标。过载测试主要是检验UPS整机的过载能力，保证即使运行中出现过负荷现象时，UPS也能维持一定时间而不损坏设备。过载试验必须按设备指标测试，并且要在25℃以内的室温下进行。

2.输入电压过压、欠压保护测试

按设备指标输入电压允许变化范围进行测试，一般UPS允许输入电压变化± 10％，当输入电压超过此范围时应报警，并转换到蓄电池供电，整流器自动关闭，当输入电压恢复到额定允许范围内时，设备应自动恢复运行，即蓄电池自动解除，转为由市电运行。在蓄电池自动投入和解除的过程中，UPS输出电源波形应无变 化。

注意，此项测试一定要保证接线正确，特别是相序必须接对。另外，有的UPS在市电超出+10％范围时，只有报警，而无蓄电池自动投入的性能，只有当市电低于—10％范围时，才有蓄电池自动投入的功能。而有的UPS则是在市电超出±10％范围时，都有蓄电池自动投入的功能，测试时请注意这一点。3.放电测试

放电测试主要是检验蓄电池的性能。放电试验时，一是要记录放电时间；二是要观测放电时的输出电压波形及放电保护值；三是要检查是否有“落后”电池。放电试验前必须对蓄电池作连续24h的不间断充电。

四、特殊测试

对于一台UPS来说，进行上述三项内容的测试就可以了，但真正的验机及大批生产或订货是远远不够的，还必须进行专项测试。专项测试可用抽样的方式进行，其内容有：

1.在额定负载为超前及滞后两种情况下，观测UPS输出的稳压效果； 2.小负载条件下的效率测试。

在25％-35％的额定负载(滞后)条件下，质量好的UPS，效率可超过80％； 3.频繁操作试验。此项试验包括频繁起动与频繁转换。

(1)频繁起动的目的在于检验逆变器、锁相环、静态开关和滤波电容的动态稳定和热稳定。其方法是起动UPS，当逆变器起动成功，有输出电压和电流，达到技术要求后，带负载运行。然后减去负载，停机，再起动UPS，这样连续多次。(2)频繁切换试验，主要是检测转换时供电有无断点，在线式UPS是不应该出现断点的。

4.充电器的起动试验。

为了保护电池，避免充电器启动时对电网的冲击，一般UPS的充电器启动，均有限流启动功能，充电器由启动到正常运行的过渡过程，时间一般在10s以上，电流一般限定在电池容量的1/10。5.不带电池加载试验。

UPS不带电池时，UPS只具有稳压功能。不带蓄电池情况下加负载，可以检验整流器的动态性能。一般要求在20ms内保证输出电压恢复到(100土1)％以内。对于这一功能，不同UPS有不同的设计。6.高次谐波测试。

一般UPS的高次谐波分量总和小于5％，可用谐波分析仪来测试。良好的UPS能全部滤掉11次谐波以下的全部谐波，而且波形很稳。选用UPS也应尽量选用不含11次谐波以下谐波的UPS。7.输出短路试验。

此种试验一般不予进行，以防损坏UPS设备。这是因为有的UPS的输出短路保护功能不够完善。对于具有旁路电源的UPS，进行输出短路测试时，必须在断开旁路电源的情况下进行。否则当输出短路时，UPS会在限流的同时，将负载切人旁路电源，会烧断旁路电源保险丝来进行保护。这样，既看不出输出短路保护的限流情况，还将烧毁旁路电源的保险丝，是应该避免的。注意事项

交流单相在线式不间断电源的设计 篇3

关键词：不间断电源（UPS）；正弦脉宽调制；电压电流双闭环控制

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 12-0000-01

一、设计方案论证

方案一：采用DSP作为核心控制器，主电路采用半桥逆变。这种方案控制部分功能强大，可同时控制逆变主电路和各个分支电路。但半桥逆变电压利用率低，要求输入电压很高。而且DSP控制的成本较高，程序复杂，给设计增加了难度.

方案二：SPWM逆变器

SPWM型变换器是给逆变器固定的直流电压，通过开关元件有规律的导通和关断，得到由宽度不同的脉冲组成的电压波形，削弱和消除某些高次谐波，得到具有较大基波分量的正弦输出电压。

方案三：采用U3988作为控制核心，逆变主电路采用全桥逆变。这样可以做到硬件电路简单，电路可靠性增强，设计周期变短。这样输入电压不用提到很高就可输出要求的电压。

方案四：采用SA866控制芯片，SA866所有的運行参数，包括载波频率、波形、最小脉冲宽度、死区脉宽等都是通过外接的EEPROM编程，由于数字电路在高频电路中会受到严重干扰，因此SA866在应用上有了一定的局限性。

方案五：采用多重移相叠加阶梯波合成逆变器阶梯波合成逆变器的输出波形为阶梯波，其阶高按正弦规律变化。这种阶梯波中的谐波含量比方波显著减少，如阶梯波数为18的阶梯波总谐波含量为基波的9.48%。如果阶梯数越多，则总的谐波含量就越小。但这种电路过于复杂，因此本方案不予采用。

综上所述，在方案二中，由于采用恰当的芯片，使电路简单，无须编程，成本低廉，能够满足系统设计的要求，所以选择方案二。

二、组成单元

主电路单元：采用全桥逆变电路共有四个臂，可以看成是两个半桥逆变的组合而成，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180度，全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的。

主控制单元：采用采用U3990F6-50控制芯片，在逆变状态下，OUTA输出的SPWM脉冲序列经过逆变后对应正弦波的正半周；OUTB输出的SPWM脉冲序列经过逆变后对应正弦波的负半周，并且要注意的是加在反馈引脚上的电压必须是实时的。

反馈单元：利用变压器将生成的交流信号变到9V，再将整流之后的电压反馈给U3990F6-50的2脚，从而实现稳压、调压。

辅助电源单元：采用UC3842控制芯片，此芯片构成的反激电源，外围电路简单而且效率高，可以满足各个用电单元的需求。

充电单元：采用的是恒流充电电路，充电电流可以达到0.4A，而且还具有过充保护功能。设计采用运放LM358，通过调节同相端与反相端的分压电阻可以实现对电池过充的保护。本设计的过充电压设定为38V。当电池电压超过36V时，反相端的电压将超过同相端的设定值，使得放大器输出发生翻转，输出低电平，三极管截至，使得TIP42截至，停止充电，实现了过充保护的功能。

功能保护单元：过流保护和短路保护是利用电流互感器来实现的，通过示波器的观察电流互感器能快捷准确的采集输出的交流信号，这样使得保护动作快，整个电路受到的冲击降到了最小。欠压保护和升压变换通过运放构成的比较电路来控制继电器实现的，在实际运行过程中有完美的表现，完全到达了要求。

驱动单元：采用的光耦隔离驱动能很好的将主电路与控制电路分开，达到了利用弱电控制强电的目的。

显示单元：采用的是单片机89S52和TLC2543组成的信号采集处理方案，可以准确的显示输出的电压、电流以及输出功率。

Boost升压电路单元：为保证交流输出幅度维持在24V，逆变之前的直流电压至少为24×1.4=33.6V，但蓄电池工作电压范围的下限为29V，如果逆变前的电压不做处理，会使电压调整率降到很低。所以本设计在输入滤波和逆变之间加入一级Boost升压电路，主控芯片采用UC3843

三、部分电路的分析

（一）控制电路的分析

控制电路共分两部分，一部分为逻辑量控制，一部分为模拟量控制，根据主逆变电路为单极性的要求，电路采用正负半周分别驱动的方式，当正半周时，LM339比较器输出为低电平，通过与非门4011B转换成高电平，从而打开与门4081B，使得输出脉冲在整个正半周期间通过与门4081B的4脚，控制输出主电路开关管Q2、Q3导通；同理，当正弦波为负半周时，LM339输出为高电平，从而控制对角桥臂Q1、Q4导通，这样就实现了SG3525双组驱动脉冲在每个半周期内同时输出的要求，保证了整流后的正弦波与三角波比较，完整输出的要求。

模拟量控制采用电压、电流双闭环控制调节，其基准为标准正弦波，电压反馈通过电压互感器再经放大器放大后进入PI调节器与标准正弦波进行比较，从而达到消除误差正弦跟随的目的，PI调节器的输出作为电流比例调节器的基准输入，同时电流反馈信号经电流互感器输入比例调节器，经比例调节器对电压信号和电流信号的综合调节，输入至精密整流电路，达到SG3525仅能输入单极性的要求，其中重要的一点电流反馈信号的引入对增加系统的阻尼、改善波形的失真度都起到了良好的作用。

考虑输出空载情况，电压上升过高，故此该电路设计了空载电压限制电路。

（二）充电单元的分析

充电电流较小，主控制管损耗不大，所以蓄电池充电电路采用线形电源结构，线形电路的主调节管为2SC3281，控制调节管为C2383，调节器采用OP37放大器，充电电路的最大充电电流为0.5A，最高充电电压为40V，采用倒接二极管的形式，当电池电压升至40V时，二极管自然截止，防止电池过充。

四、结论

由于在电源逆变之前加入了Boost升压电路，使逆变电源的电压调整率很小；所有经过大电流的线路均尽量采用粗导线，开关器件均选用优良器件，器件的各项指标参数均远大于额定值，所以电压调整率和负载调整率均得到提高；充电电源采用恒压恒流的形式，输出电流达到250mA，浮充电压41.4V，既能快速充电又能产生过充；逆变器的控制芯片采用正弦波逆变器专用芯片U3990F6-50Hz，大大降低了输出正弦波的失真度。所以本设计具有效率高、正弦失真度小、电压和负载调整率低、其他保护功能齐全等特点。

五、创新点

（1）逆变之前加入了Boost升压电路，提高了电压和负载调整率；

（2）采用了专用U3990F6-50控制芯片，使电路结构简单，可靠性提高；

交流不间断电源 篇4

1工作原理

船用高性能单相交流不间断电源装置原理框图,如图1所示,主要由十二脉波不控整流电路、逆变电路、充电电路、放电电路、电源切换控制电路、辅助电源电路和监控系统等组成。主电路中,三相电网电压经EMI滤波,通过Δ-Y/Δ型变压器隔离降压,经由两组不控整流桥十二脉波整流获得逆变电路所需的250 V直流母线电压,再通过基于电压电流双环控制SPWM倍频调制的单相全桥逆变电路,由输出升压变压器和LC低通滤波输出负载所需的220 V/50 Hz单相正弦电压。充电电路,输入由母线电压直接提供,采用一个具有恒压恒流充电功能的Buck型充电电路,对蓄电池进行充电;放电电路,采用Boost型升压电路,输出直接连接直流母线, 提供逆变电路所需的直流母线电压。电源切换控制电路,采用动态跟踪锁相技术,实时采集跟踪备电网电源相位,执行机构由双向可控硅与功率继电器组成,根据逆变控制单元DSP的控制信号动作,保证负载突变致使冲击电流过大等情况时,由逆变电路供电自动切换到备电供电,切换过程中无相位差引起的电流过冲。

辅助电源电路,输入由三相Δ/Y降压变压器及三相不控整流电路得到的80 V直流电压,或者72 V蓄电池电压不间断提供,经高频化DC-DC变换后,输出整个交流不间断电源装置控制所需的±15 V,+24 V,+15 V, -9 V与+5 V电源。

监控系统,采用基于DSP TMS320LF2407A的数字式监控模式,对整个交流不间断电源装置进行监视与控制,人机界面则采用基于MCU ATmega128的集成化液晶显示方式,方便用户操作。

2关键技术

2.1逆变电路设计

逆变电路设计,是船用高性能单相交流不间断电源装置具有强负载冲击承受能力的技术保证。本文逆变电路主电路拓扑采用IGBT模块组成的单相全桥式结构,控制方式采用先进的单极性倍频SPWM调制的电压、电流双闭环数/模混合控制模式,功率器件工作频率设定在20 k Hz,以提升装置承受负载冲击的能力,降低高频噪声,电路原理示意图如图2所示。

图2中,逆变电路以滤波电感电流iL(s) 作为内环,输出电压uo(s) 作为外环,发挥了电流内环给装置带来的快速动态响应性,电压外环又保证了装置高质量输出波形。单极性倍频SPWM调制的电压、电流双闭环控制方式及功率器件20 k Hz的工作频率,使逆变电路对负载的扰动和突加突卸具有快速的动态响应,当负载突加致使输出端形成强冲击电流时,输出电压跌落,此时电压、电流双闭环控制系统迅速反应,使跌落的输出电压迅速恢复正常。同时,当负载突加过大致使输出电压跌落至零时,电流环控制电路将对流过IGBT模块冲击电流进行限流,以保护功率器件。电压、电流双闭环控制方式与优化PI参数,使得交流不间断电源装置具有强承受负载冲击电流的能力。另外,IGBT模块20 k Hz的固定开关频率也使输出滤波变得简单,1.2 m H输出滤波电感10 μF的输出滤波电容组成的LC滤波电路,不仅使输出电压波形畸变率减小,而且使输出高频噪声降低;全桥式主电路拓扑能够适应先进的逆变控制技术,其固有的中大容量工作特性,也为交流不间断电源装置容量的拓展提供了便利。

2.2电源切换控制电路设计

电源切换控制电路设计,是船用高性能单相交流不间断电源装置在非线性负载突加致使冲击电流过大以及输入电源故障等情况时,逆变电路供电与备电供电之间自动切换的技术保证。本文电源切换控制电路采用双向可控硅与功率继电器并联的控制模式,并且引入动态跟踪锁相技术,使逆变输出波形与备电波形基本保持同相位。其中,双向可控硅用来实现逆变电路供电与备电供电的快速切换,功率继电器则实现负载供电的可靠性,动态跟踪锁相技术,则保证逆变供电与备电供电之间切换时负载电压波形基本连续,避免负载受到冲击。 电源切换控制电路,根据输入、输出端的采样信号由DSP(TMS320LF2407A)的逻辑判断产生的控制信号动作,保证在负载突加逆变电路无法承受冲击、三相输入电源故障且蓄电池欠压等情况时,由逆变电路供电自动切换到备电供电;当负载突加结束、三相输入电源或蓄电池恢复正常等情况时,输出由备电供电自动切换回逆变电路供电,原理电路如图3所示。

当冲击性负载突加后,输出电压跌落,由DSP检测判断输出电压能否立刻恢复,能恢复电源切换控制电路则不切备电,不能恢复则自动切备电,同时采样输出电流,在负载电流有效值恢复正常后自动切回逆变供电; 当三相输入电源正常时,逆变电路直流母线由交流输入供电,同时使能蓄电池充电电路,封锁放电电路;当三相输入电源故障且蓄电池欠压时,封锁充电电路和放电电路,同时自动切换到备电供电,保证负载的可靠运行。

3实验结果与分析

为了验证理论研究的正确性,搭建了一台220 V/4 k A船用高性能单相交流不间断电源装置样机,采用十二脉波不控整流与电压源全桥逆变拓扑结构,单极性倍频SPWM调制电压、电流双闭环数/模混合控制及电源切换动态跟踪锁相技术,IGBT为CM200DY-12NF,隔离变压器变比为1∶2,滤波电感为1.2 m H,滤波电容为10 μF, 开关频率20 k Hz,等效开关频率为40 k Hz,示波器型号为泰克TPS2012。样机突加4.0 k V·A二极管不控整流、 电容滤波整流性负载冲击试验波形,如图4所示。

试验结果表明样机最大能承受200 A电流峰值而不切备电,输出电压在2~4 ms内恢复正常,基本0 ms断电。样机在输入电源故障且蓄电池欠压时自动切换至备电供电试验波形见图5。输入电源恢复正常后由备电自动切回逆变供电试验波形见图6,不难看到,逆变输出与备电220 V之间实现了零相位差无缝切换,切换过程中无电流冲击,负载0 ms断电。

4结论

不间断电源安装工程施工工艺标准 篇5

本章适用于工业、民用建筑的不间断电源安装，

2 引用标准

建筑电气工程施工质量验收规范(GB50303-);

国家建筑标准设计图集：智能建筑弱电工程设计施工图集97X700-4-09-16。

3 施工准备

3.1 材料要求：设备选型必须符合设计要求，安装用的紧固件必须为热镀锌产品。基础型钢平直、不锈蚀,导线规格型号必须符合设计要求

3.2 主要机具：台钻、电钻、钻头、电炉子、电工工具等。

3.3 作业条件：不间断电源设备安装前,机房内工程必须达到如下要求：

3.3.1 机房不渗、不漏，门窗安装完毕，门能上锁，室内装饰工程施工完毕。

3.3.2 机房内市电电源施工完毕，PE线到位。

3.3.3 机房空调系统施工完毕。

3.3.4 安装不间断电源设备的基础施工完毕。

4 操作工艺

4.1 工艺流程：

设备开箱检查

设备搬运

机柜稳装

设备接线调试

送电运行

4.2 设备开箱检查：

4.2.1 安装单位、供货单位、建设单位共同进行，并做好检查记录。

4.2.2 按照设备清单、设计图纸、核对设备本体及附件、备件的规格、型号应符合设计图纸要求，附件、备件齐全;产品合格证件、技术资料、说明书齐全。

4.2.3 设备本体外观检查应无损伤及变型，面层完整无损。

4.3 设备搬运：

4.3.1 设备运输由起重工作业、电工配合。根据设备重量、距离长短可采用汽车、汽车吊配合运输、人力推车运输或卷扬机滚杠运输。

4.3.2 设备运输、吊装时注意事项：

4.3.2.1 道路要事先清理，保证平整畅通。

4.3.2.2 设备吊点，机柜顶上有吊环者，吊索应穿在吊环内，无吊环者吊索要挂在四个角主要承力结构处，不得将吊索吊在设备部件上，吊索的绳长要一致，以防柜体变型或吊坏部件，

4.3.2.3 汽车运输时，必须用麻绳将设备与车身固定牢，开车要平稳。

4.4 机柜安装:见配电柜安装相应项目。

4.5 设备接线调试:设备接线由总包方配合专业厂家进行,设备调试由专业厂家技术人员进行,设备调试应按设计要求先做摸拟调试,各项功能必须达到设计要求。

4.6 送电试运行 送电试运行时间为24小时全负荷运行,运行期间及时观察电流、电压波型变化,并且每隔8小时记录一次。

5 质量控制

5.1 不间断电源的整流装置，逆变装置和静态开关装置紧固件松动，原因是运输过程中震动及其它原因，应逐个进行紧固。

5.2 安装不间断电源的机架组装水平度、垂直度允许偏差不大于1.5‰。

6 质量标准

6.1 主控项目

6.1.1 不间断电源的整流装置，逆变装置和静态开关装置的规格、型号必须符合设计要求。部结线连接正确，紧固件齐全、可靠不松动，焊接连接无脱落现象。

6.1.2 不间断电源输入、输出各级保护系统和输出的电压稳定性、波形畸变系数、频率、相位、静态开关的动作等各项技术性能指标试验调整必须符合产品技术文件要求，且符合设计文件要求。

6.1.3 不间断电源装置间连线的线间、线对地间绝缘电阻值必须大于10MΩ。

6.1.4 不间断电源输出端的中性线(N极)，必须与接地装置直接引来的接地干线相连接，做重复接地。

6.2 一般项目

6.2.1 安装不间断电源的机架组装应横平竖直，水平度、垂直度允许偏差不应大于1‰

6.2.2 引入或引出不间断电源的主回路电线、电缆和控制电线、电缆应分别穿保护管敷设，在电缆支架上平行敷设应保持150mm的距离;电线电缆的屏蔽护套接地连接可靠，与接地干线就近连接，紧固件齐全。

6.2.3 不间断电源装置的可接近裸露导体应接地(PE)或接零(PEN)可靠，且有标识。

6.2.4 不间断电源正常运行时产生的A声级噪声，不应大于45dB;输出额定电流为5A及以下的小型不间断电源噪声不应大于30dB。

7 成品保护

7.1 设备开箱检验后，如果暂时不具备安装条件，应将设备放置在库房内，库房必须通风良好，不潮湿。

7.2 设备安装过程中，场内应保持干净，下班后及时将门上锁，防止设备丢失或碰坏。

UPS不间断电源系统优化设计 篇6

关键词：可靠性;不间断供电;优化设计

中图分类号：TQ056.8      文献标识码：A      文章编号：1006-8937（2016）26-0003-02

1  概  述

随着综合国力的提升、人民生活水平的提高，首要任务就是保证计算机信息网络系统安全、可靠运行，信息业界乃至各行各业公认 UPS 不间断电源的重要性。

实际上，UPS经历过近四十年的发展，性能指标基本相似，不同点在于功能上的拓宽、创新及可靠性的高低。脉冲调制技术和功率晶体管及组合管、功率MOS管、IGBT等已被UPS普遍采用，从而降低了UPS的可闻噪声，提高了效率和可靠性。UPS本身就是集数字与模拟技术，数字通讯技术、电力电子技术、微处理器及软件编程等技术于一体的密集型电子产品。另外，随着位处理器和计算机的应用的普及，将其引入UPS系统。研制只能UPS是UPS发展的必然趋势。

2   UPS的分类

根据工作原理的不同，不间断电源可以分为后备式、在线式与在线互动式三种。

2.1  后备式

断电保护、自动稳压在不间断电源的应用中，是最基础最重要的功能，后备式均能达到这些功能的要求，它的结构十分简单、较高的可靠性、较低的价格，因此在外部设计、微型计算机或POS机等多个领域广泛应用。

2.2  在线式

在线式虽然结构相对复杂，但与其他两种相比，可以持续零中断地输出纯净正弦波交流电，对于所出现的浪涌、尖峰等系列电源问题，均能有效快速解决;但是由于在线式需要的资金比较大，在关键网络中心与设备等对电力要求严格的环境中才会使用。

2.3  在线互动式

在线互动式比后备式具有更加强烈的滤波能力、抵御市电干扰功能，其转换时间在4 ms以内，在网络设备（如：路由器、配备服务器）、电力工作环境相对困难的偏远地区均能够安全应用。当市电处于正常供电的情况下，通过市电滤波的回路作用之后，不间断电源 （UPS） 同时分成两个回路，一个是通过充电回路完成对电池组的充电，另一个是依次经过整流回路、逆变器的转换，最后把电力提供给计算机。

3  系统优化设计

3.1  主电路设计

本设计中整流器和充电器合二为一，这主要从功率大这个因素考虑的。为实现大功率整流和充电的需要，设计中借助于可控整流器件SCR，采用三相全控桥式整流充电电路，从而大大提高了可靠性，降低了造价。

3.1.1  整流器

UPS电源装置的重要组成之一是整流器，它具有以下两个功能：能够把市电发出的交流转变为直流电，经过滤波操作后供给负载、逆变器;整流器在设计中的作用相当于一个充电器，给蓄电池提供所需要的充电电压。根据梅兰日兰UPS不间断电源Galaxy系列整流器电路的组成部件和工作原理，控制电路采用16位INTEL96系列的单片机，控制简洁、方便可靠。主回路电路示意图，如图1所示。

3.1.2  逆变器

不间断电源的交流电源装置的核心是逆变器，穿插在负载、整流器两装置当中，利用蓄电池的输出功能，经过转换最终把直流电转变成 标准的交流电，提供给负载。逆变器的功率单元采用IGBT组成的二相桥式逆变电路，IGBT驱单元采用日本富士公司生产的EXB841驱动芯片组成的驱电路，逆变控制系统设计采用冗余设计方案，两套由INTEL公司生产的16位微处理器。

3.1.3  蓄电池

储存电能的部分就是蓄电池。当处于正常供电的情况下，直流电源就会对蓄电池充电工作，实际上就是把电能转换成化学能;当市电供电中断的时候，不间断电源就会把储存在蓄电池中的化学能量转变成电能（直流电），从而就能够使逆变器正常工作。在该设计中选用一组20节的PBG200AH 12 V蓄电池。

3.1.4  充电器

生产生活中常用的充电电路有分级式和恒压充电两种形式。在线式UPS通常采用分级式充电电路，简单来说就是在充电初期的时候，采用恒流形式充电;当蓄电池的端电压充满电压之后，再采用恒压充电形式，该系统优化设计采用 UC3842 芯片。充电器实际上作为一个开关电源，只不过这种电源具有限制电流、稳定压力的功能，只要把相关参数设置合适，就可以使蓄电池达到满意的状态充电，这样子就无形中增加了蓄电池的使用寿命。

3.2  控制电路设计

3.2.1  整流器控制电路

整流器本质是一个把将交流（AC）转变为直流（DC）的整流装置。在双变换不间断电源中，整流器既能够给逆变器供电，又能够给蓄电池进行充电，因此又可以把它叫作整流器/充电机。整流器对各部分基本要求如下：

①利用交流可以输入电流的功能，整流器/充电机限定了电路中的电流，根据有关规定交流输入的电流达到满载的1.15倍;当发电机组在供电的时候，交流输入电流与满载输入电流相平衡。

②整流器/充电机利用蓄电池充电电流限流电路，将蓄电池充电电流限制到不间断电源额定输出容量的15%;当发电机组在供电的时候，蓄电池的充电电流应限制至零。

③远端温度检测器运行的时候，整流器/充电机能够自动地进行调节蓄电池的浮充电压使其维持在一般-5 mv/只/℃左右。

目前较先进的方法是采用SPWM高频整流提高UPS的输入功率因数，也就是从提升开关频率的途径，从根本上解决不间断电源的谐波污染及无功缺额问题。

此外，另一种新兴的技术——软开关技术。这是一种可以降低开关损耗、提高开关频率、减少开关硬力、提高工作可靠性的新兴技术。目前也被部分不间断电源厂家所采用。

3.2.2  逆变器控制电路

通常希望逆变器能得到一个电压稳定的电源，但是由于种种原因的影响，比如市电电压变化频繁，有时低于380 V（三相交流电输入），甚至低达340 V;有时高于380 V，甚至高达420 V等，如果采用不可控整流电路，将使得整流器的直流输出不能保持稳定，只有采用可控整流电路，同时采用必要地负反馈环节，自动地调节脉冲相位，才能保证整流器的输出电压稳定。

3.2.3  微处理器的选择

现在市场上应用最为普遍的是8位单片机，但是在一些比较复杂的系统中，它就不得不让位于16位单片机。采用的是数字信号处理器（Digital Signal Processo动和大规模逻辑控制器CPLD对不间断电源系统中的变换、控制、量测等环节进行全息控制，从控制器性能提升的角度对整套装置的变流精度，控制准度进行提升，从而保证正弦波形的相似度非常接近同时由于这种先进的数字控制系统带来的完备的保护逻辑，能够是不间断电源系统更稳定可靠地工作。

3.3  保护电路设计

对于完整的不间断电源系统来说，应该具有过电压保护、欠电压保护、过载保护、过热保护和短路保护等一系列措施。除了以上这些保护措施之外，在重要的UPS情况下，对防止电解液面过低和蓄电池温度异常现象的发生也应该有相应的保护。当电路处于超载（即为负载的1.5倍）的情况下，电源开关就能够快速转换到旁路状态，直到负载正常时就会自动恢复到常态;当处于严重超载（即为额定负载的2倍）情况下，不间断电源就会马上控制逆变器的输出，自动切换到旁路状态，同时前面的输入空气开关也有可能跳闸;当这些问题都解决之后，重新关闭开关、再开机，不间断电源恢复到了原来的工作状态。

4  结  语

在电力系统中，电力操作电源能够为保护和控制设备提供独立电源。因而，电力系统的直流操作电源要求特别高的可靠性，包括大型枢纽变电站、中小型变电站、核电站、水火力发电厂等，均要求直流供电系统的高可靠性。通过对UPS系统进行合理的优化设计，达到各部件之间能够可靠、协同地进行工作的效果，优化冗余的配置方案，最终能够使电力系统在直流操作电源系统的操作下能够高效运行。

参考文献：

[1] 吴其雨.UPS不间断电源的选择与配置[J].机床电器，2001，28（4）：41-46.

[2] 陈文实，许立民.UPS电源现状及发展方向[J].辽宁工学院学报，

2002，22（4）：24-25.

[3] 肖化，胡广莉.智能化交流不间断电源UPS设计[J].电力电子技术，1997，

31（2）：31-34.

交流不间断电源 篇7

关键词：不间断电源(UPS),整流器,逆变器,功率因数校正器(PFC),测试

1不间断电源(UPS)原理介绍

UPS的中文意思为“不间断电源”,是英文“Uninterruptible Power Supply”的缩写。从基本应用原理上讲,UPS是一种含有储能的装置,以逆变器为主要元件,稳压稳频输出的电源保护设备。主要有一个整流器、蓄电池、逆变器和静态开关等几部分组成。

从功能上讲,不间断电源(UPS)在市电出现异常时,可以有效地净化市电;在市电突然中断时,可以持续一段时间给通信设备供电,使得有充裕的时间应付维修供电设施。

1.1通信用在线式不间断电源(UPS)原理结构

UPS按工作原理,可分为后备式、在线式、互动式三大类。

上述三类UPS产品,在线式UPS应用范围广,技术性能完善、稳定性等,都优越于其他两个,能解决所有UPS电源问题,能够持续零中断地输出纯净的正弦波交流电,能够解决尖峰、浪涌、频率漂移等全部的电源问题。

其中,在线式UPS性能优点突显,在通信领域中,得到广泛使用。

1.2一体化不间断电源与模块化不间断电源的区别

从不间断电源(UPS)的结构形式,可分为一体化不间断电源和模块化不间断电源。

通信用一体化UPS测试执行的行业标准,是YD/T1095-2008《通信用不间断电源-UPS》;模块化UPS测试执行的行业标准,是YD/T2165-2010《通信用模块化不间断电源》。

随着不间断电源(UPS)技术的发展,不间断电源(UPS)的容量越做越大,从以前的几k VA,到目前的200 k VA、300 k VA、400 k VA、500 k VA,甚至更大容量的不间断电源(UPS),在通信领域上应用。

2大功率通信用在线式不间断电源(UPS)测试环境的搭建

2.1不间断电源(UPS)测试连接电路图

建设一个专业化强的电源检验测试室,必须有良好散热的测试场地,足够大的市电供电能力,完善地电能回收系统。实验室拥有齐全的、专业的测试用仪表设备等手段。

2.2通信用在线式不间断电源(UPS)产品的关键指标要求、测试所涉及仪表设备

注:表1和表2,只摘录YD/T标准中的关键参数指标。

3大功率通信用在线式不间断电源(UPS)关键参数的测试、数据分析

影响UPS产品质量的关键,在于采用的整流器、逆变器、静态开关的技术和其他关键器件的质量。目前,UPS产品采用的整流器有6位脉冲、12位脉冲的工频整流器和IGBT整流器(高频整流器)。

影响UPS输入端技术参数的因素,主要是整流器和滤波器。其中,6脉冲、12脉冲的整流器,即SCR(晶闸管)整流器,为相控调制,输入功率因素较低,输入电流畸变较大。而IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)整流器可以通过控制其门极的驱动来控制IGBT的开通与关闭,开关频率高。通过调制,IGBT整流器可以保持输入电流与电压相位一致,且输入电流波形接近于正弦波,具有非常高的输入功率因数和非常低的输入电流谐波畸变。

3.1输入功率因数测试

输入功率因数定义公式:

功率因数(PF),输入有功功率(P),电压真有效值(URMS),电流真有效值(IRMS)。

在带上额定非线性负载时,6脉冲整流器的UPS输入功因,普遍指标在0.80~0.90范围;12脉冲整流器的UPS输入功因,普遍指标在0.90~0.95范围;IGBT整流器的UPS输入功因,指标可达到0.95~0.99范围。

模块化的UPS,采用集成化高的IGBT整流技术,产品的输入功率因数,指标都达到0.95以上。YD/T2165-2010标准的指标要求:在100%非线性负载时的输入功率因数应大于等于0.99,在50%非线性负载时的输入功率因数应大于等于0.95。

3.2输入谐波测试(电压和电流谐波)

总谐波失真(THD)定义公式,可选择下列两种计算方法。

按IEC,公式如下:

按CSA,公式如下:

上两式中,C1:基波(1次谐波)有效值。

Ck:k次谐波有效值;k:谐波次数;n:最大谐波次数,n=50。

输入电流谐波产生的原因,6脉冲整流器的谐波,为5、7、9、11、。。。、6k±1各次谐波的总和;12脉冲整流器的谐波,为11、13、15、17、。。。、12k±1各次谐波的总和;所以,12脉冲整流器的输入谐波,要比6脉冲整流器的小很多。采用IGBT整流技术的输入谐波,比上述二者都小。

谐波总含量:6脉冲整流器+5次滤波谐波总含量:≤20%;12脉冲整流器+11次滤波谐波总含量:≤15%;IGBT整流器谐波总含量:≤10%。

3.3输出波形失真(输出电压谐波)

定义公式,跟输入谐波一样。只是测量端口放在输出端。

如图3所示,是用日本HIOKI公司,型号3196电能质量分析仪,测量200k VA容量的UPS,测量数据。三相电压,U1的输出电压谐波(THD)2.7%,U2的输出电压谐波(THD)2.8%,U3的输出电压谐波(THD)2.7%。

3.4输出稳压精度

输出稳压精度定义公式:

公式中,ua(b)为调节输入电压上限(或下限)时,测量出的输出电压;

u0为UPS的额定输出电压。

影响UPS输出稳压的因素,主要是源效应和负载效应。合格的UPS,输出稳压精度几乎都可达到≤±1%。

3.5输出电流峰值系数比

电流峰值系数比定义公式:

Icf为输出电流峰值系数比,IMax为输出电流峰值,波峰和波谷中较大的一个,IRms为输出电流有效值。

输出电流峰值系数比考核UPS的带载能力。输出电流峰值系数比值越大,UPS带载能力越强,耐负载波动性的能力越强。

图4是输出电流峰值系数比的实测数据。从C 4波形看出,输出电流的有效值(Rms)306.507A,峰值(Max)920A。输出电流峰值系数比达标(大于3:1)。测试中发现,如果没有大功率的、标准的非线性负载,容性与阻性比例不匹配的负载,输出功率因数很难达到0.8。从而,影响电流峰值系数比测量的数值。

3.6动态电压瞬变范围

在下列两种情况下,进行动态电压瞬变范围测试。第一种情况,UPS在正常工作方式时,输出接阻性负载,用断路器或接触器使输出电流由零突加至额定值,再由额定值突减至零。用存储示波器分别测量两次电流突变时的输出电压的瞬变值,与输出电压额定值之比;第二种情况,UPS在正常工作方式时,输出接阻性负载,用存储示波器分别测量UPS正常工作方式与电池逆变方式相互转换时输出电压的瞬变值,与输出电压额定值之比。

图5是用断路器使输出电流由零突加至额定值,再由额定值突减至零。用存储示波器分别测量两次电流突变时的输出电压的瞬变值,与输出电压额定值之比。动态电压瞬变范围测量结果优于1.3%。

3.7切换时间

逆变转旁路的切换时间,模块化UPS的切换时间,普遍能达到<1 ms;工频UPS的切换时间,能在≤3 ms范围内。标准要求≤4 ms范围内。

图6,300 k VA工频UPS的转换时间测试数据。转换时间为3.9 ms。

3.8噪音

UPS功率越大,散热风扇的噪声就越大。噪音小,UPS的能效比高,才能满足环保要求。测试结果显示,1 k VA~10k VA的工频UPS噪声在50 d B(A)以下;10 k VA~100k VA的工频UPS噪声在55 d B(A)以下;200 k VA~400k VA的工频UPS噪声在65 d B(A)以下。相比之下,高频机和模块化UPS,同等容量对应的噪声,比工频UPS的小。

3.9效率

UPS效率定义公式:

η为UPS效率,Pin为UPS输入有功功率,Po为UPS输出有功功率。

举例:一台容量400k AV的在线式UPS(采用工频整流技术的),用日本HIOKI公司的型号3196电能质量分析仪进行测试,测量数据:(1)100%阻性负载下,Pin=395.2 k W,Po=360 k W,算出UPS效率为91.1%;(2)50%阻性负载下,Pin=198.9 k W,Po=180 k W,算出UPS效率为90.5%。

另一台容量500 k AV的在线式UPS(采用高频整流技术的),用日本HIOKI公司的型号3196电能质量分析仪进行测试,测量数据:(1)100%阻性负载下,Pin=421.9 k W,Po=400 k W,算出UPS效率为94.8%;(2)50%阻性负载下,Pin=209.9 k W,Po=200 k W,算出UPS效率为95.3%。

高频在线式UPS的效率,普遍比工频在线式UPS的效率高。

4功率因数校正器(PFC)介绍

前面提过,UPS输入端采用有效的滤波技术,可以降低输入谐波含量。

PFC(Power Factor Corrector),是功率因数校正器。它可以在交流转换为直流时提高电源对市电的利用率,减小转换过程的电能损耗,达到节能的目的。此外,PFC还能减少电源对市电电网的干扰,尤其是避免它在突然启动时对其他电器的影响。

大功率UPS,采用主动式PFC。主动式PFC电路,由电感线圈配合IC控制芯片组成。PFC电路可以提高UPS的功率因数(高达0.99);优良的电路设计,PFC能适应更高的输入电压范围。PFC可以使电流电压实现同相位,从而,提高输入功率因数,减少电流谐波分量。

5小结

通信用在线式UPS,从工频整流技术,发展到高频整流技术,产品技术不断地改革和提升。工频UPS特点,带载适应性强,适用于各种不同情况的负载;缺点,效率不高(能效比不高)。高频UPS特点,采用集成电路技术,体积小、能效高,维护方便,适用于现在的大数据处理中心和大型服务器的供电。

随着整流、逆变技术的不断提高,UPS越来越多采用有功率因数校正的IGBT整流、IGBT逆变功率组件,数字信号处理技术DSP(Digital Signal Processing)应用到UPS里。从而,使得UPS产品越来越臻至完美。目前,很多技术含量高的UPS的关键器件,例如集成化程度高的IGBT和PFC(功率因数校正器)器件,主要在技术发达的欧美国家研制生产。

参考文献

[1] IEC 61850-2:术语

[2]申忠如、郭福田、丁晖,《电气测量技术》,科学出版社,2003年1月1日

[3] YD/T1095-2008《通信用不间断电源-UPS》

[4] YD/T2165-2010《通信用模块化不间断电源》

高效不间断电源解决方案 篇8

在传统的大型数据中心中,通常采用双母线2 (N+1)的UPS冗余结构,每台UPS的负载率都远低于50%,这使得原本就不高的在线UPS的效率更是雪上加霜,所以需要一种高效的不间断电源解决方案来提高数据中心的PUE。PureWave UPS正是这样一款高效、大容量、可户外安装的离线式UPS系统(IEC62040-3:VFD-SS-111),其结构如图1所示。

PureWave UPS系统的工作原理是:市电正常期间,通过常闭的PES(大功率电力电子开关)为负荷供电,控制器以每个周波82次的采样速率监测市电。若检测到“市电输入”偏离额定电压的+10%或停电,抑或是频率偏移,则会在2～4ms之内断开PES,并切换到电池为负荷供电,迅速地切换时间,不会影响任何敏感的负荷。另外,在遇到长时间断电的情况下,PureWave UPS还可以与发电机组进行“软切换”,逐步将负荷转移为发电机组供电,避免负载激增影响发电机正常运转。

如今的数据中心建设面临着功率密度大、土地紧张等问题。PureWave UPS是一款独一无二的可户外安装的具有中低压全线产品的大功率UPS,并具有自带空调的电池柜(图2),不必为UPS主机以及电池占用大量昂贵的室内空间而头疼,而且还降低了室内的空调负荷。通常在线UPS的电池会统一放置在电池房内,然后配置空调来散热。然而,由于电池众多,其散热效果受电池、空调摆放等因素的影响,但对于为每个电池柜都配置有专用空调的Pure Wave UPS来说,针对环境温度的控制在设计之初就已经考虑到了,进而对电池柜结构以及空调进行了优化选择,可以使每块电池都在适宜的温度下工作,杜绝冷却盲点的出现。更值得关注的是,PureWave UPS在含自身空调(电池柜空调)损耗的情况下,半载效率即可达98%(图3)以上,进一步提高了数据中心的PUE。

在线式UPS时刻在进行交直交的双变换,以牺牲效率的方式来为负荷提供经调节的纯净电力。而根据美国信息技术委员会ITIC曲线(图4),我们可以看到,计算机的元件具有90～110%的电压耐受以及20ms的断电兼容性,也就是说在这个区间的电压波动不会影响计算机的工作质量。PureWave UPS的输出完全符合ITIC曲线的规定,当电压波动超出耐受曲线时,经2～4ms它就可以输出额定电压±5%之间的洁净电力,完全不会影响到计算机负荷的运行,而且保证了系统效率。

PureWave UPS在保证高效率的同时,也具备极高的可靠性,其所采用的富液电池具有50万小时的MTBF,整机MTBF达到32万小时。电池故障是导致数据中心瘫痪的主要原因之一,这是因为传统在线式UPS的阀控铅酸电池常年暴露于整流器产生的直流纹波中,而且由于其结构的限制,无法对电池进行有效的均充而造成的。PureWave UPS所采用的离线式设计,使电池完全不受直流纹波的侵扰,并且定期对电池进行高质量的均充,确保电池的一致性,提供3分钟以内的延时供电。基于对电池系统的信心,厂家对电池组提供五年的无条件质保,这在业内也是罕见的。

PureWave UPS系统另外一个颠覆性贡献在于超大容量和中压设计(见图5、图6)。最近几年,伴随着数据中心容量以及功率密度逐渐增大,“热失控”逐渐引起大家的重视。所谓“热失控”就是指在数据中心市电故障后,由于空调未受UPS保护,使数据中心内温度失控的现象。有数据显示,此种情况在高密度数据中心中的服务器温度会在2分钟内上升55℃甚至更高,导致服务器宕机,数据丢失。传统的在线UPS,由于其结构限制,很难负担空调这类启动型负载。而采用中压设计,PureWave UPS系统在保护IT设备的同时,还可以保护空调冷却系统等动力机械设备,避免“热失控”的发生,保证高密度数据中心的高可靠性。中压PureWave UPS的超大容量设计,适应于如今数据大集中时代数据中心的需求,为设施提供整体保护。此外,由于PureWave UPS可以安装在户外,也极大提高了数据中心机房的使用空间,特别是对于寸土寸金的闹市区机房而言,其意义更加重大。

随着时代的发展,节能环保以及可靠性对于数据中心将变得愈加重要,而技术的演变也将不断突破既有的一些思维定式,PureWave UPS以其高效率、中低压大容量、离线式结构、户外安装等技术优势,为组建绿色数据中心提供了另一种选择。

参考文献

[1]Bradford P.Roberts.Power Conditioning.What Does It Really Mean?

[2]Data Center Thermal Runaway.Active Power White Paper 105

不间断电源节能运用的实践 篇9

通信运营商目前UPS (不间断电源) 均为在线式双变换构架, 其在工作时整流器、逆变器均存在功率损耗, 运行效率仅在93%左右。UPS的高效率不仅要求带载效率高, 同时也必须具备一个较高的效率曲线, 特别是在“1+1”并机系统时, 根据通信行业 (江苏移动) 的维护规程, 系统负载率每台UPS容量不得大于45%。所以要求UPS必须采用优化效率措施, 使UPS效率在较低负载时也能达到较高的水平。为了解决上述问题, UPS的ECO (生态, 节能, 优化) 模式应运而生。

1 ECO模式概述

ECO以技术、环保和经济性为设计研发的基本理念。在ECO模式下UPS运行是以提高其运行效率的一种特殊技术。国外运用很早, 运用领域广泛。UPS的ECO模式有两种:标准模式和为高级模式。

1.1标准ECO模式

标准ECO模式有些类似于离线式UPS (也称作“后备式”或“在线互动式”UPS) 的基本运行模式。在正常运行状态下不投入运行。因此在正常运行中, 负载实际上是直接接入未经处理的市电电源。在标准ECO模式下, UPS逆变器实际上是关闭的。

1.2高级ECO模式

高级ECO模式中UPS逆变器实际上是工作的, 只是没有输出。我们知道如果在逆变器处于备用状态时发生市电中断, 则UPS的输出电压和电流波形都将受到负面影响。UPS需要时间来检测、启动逆变器, 并通过电池向负载提供纯净的电源。高级模式是减少切换时间, 以降低标准ECO模式的负面影响。高级模式下, 逆变器始终保持“开启”状态, 与旁路输入电源并联运行, 但实际并不给负载供电。由于逆变器保持“开启”状态, 当主电源发生波动或故障时, 它可以完成无缝切换并继续为负载供电。从安全性与可靠性分析, 高级ECO模式更适合通信运营商。但是, 在UPS效率方面, 高级ECO模式比标准ECO模式低2%~3%。

2高级ECO模式的可靠性与安全性

UPS使用中有两条路径可以承担供电负载, 一条是在线双变换供电, 另一条是旁路供电。当旁路激活时, 负载被直接接入市电状况下的供电。ECO模式 (旁路) 比双变化模式节能, 但这种节能的表现有所差异, 主要取决于UPS设备的电气架构设计和实现ECO模式功能时采用的具体方法。目前有些维护人员或电源主管认为为了节能, 不值得承担这些风险;而有些维护人员或电源主管通过实验, 认为可行。其实分歧的焦点是对ECO模式的理解存在差异, ECO模式有2种, 标准型和高级型。标准ECO模式有风险, 且不适合通信运用商在现网使用, 高级ECO模式适合通信运营商在现网使用。下面是通信机房的供配电架构。

通信机房楼采用一类市电, 分别从两个独立电源各引入一路10 k V供电线路, 两路供电线路很少出现同时检修停电情况。低压配电均采用“1+1”冗余配置, 系统安全性高。通信机房整体供电环境稳定, 供电品质优良。UPS系统也是“1+1”冗余配置, 且是“双重线”。所以本次实践确定运用场景为:一个平面的“1+1”UPS系统进行高级ECO模式并机运行, 另一个平面的UPS保持原“1+1”在线模式运行。系统架构没有变化, 只是有一个平面的“1+1”UPS系统是经济运行 (ECO模式) , 这个平面ECO模式的安全性与可靠性需要用实验数据与运行实践来佐证。首先在实验室模拟UPS设备在ECO模式下的运用场景, 模拟在各种状态下可能出现的问题, 实验证明可行。下面是实验测试方法与数据。

2.1系统安全性测试

测试系统在不同工况下, 各种工作模式切换的安全性, 电压波动范围为380 V±20%, 频率波动范围为50 Hz±5 Hz, 可能出现的闪断的持续时间均小于5 ms。包括不同工作模式间切换时间和系统安全保护机制。测试正常。

2.2不同负载率下系统效率

系统在不同负载率 (25%、50%、75%、100%) 下, 测量高级ECO模式和双变换模式下系统效率。

在高级ECO模式中我们将从旁路输入异常、重复旁路输入掉电异常等多个方面对UPS进行测试, 观察其在高级ECO模式下运行的可靠性。UPS#1与UPS#2并机工作在高级ECO模式, 输出100%阻性负载, 断开UPS旁路输入电压, UPS切换到正常工作模式, 用多通道示波器观察输出电压波形, 输出电压应无异常。

高级ECO旁路输入异常切换测试:UPS并机系统工作在ECO模式, 输出93%阻性负载, 断开UPS系统旁路输入, UPS应该切换到正常工作模式, 用多通道示波器观察输出电压波形, 输出电压应无异常。

观察截图1, 我们可以发现, 运行在ECO模式下的UPS对电源故障的检测和转换时间可以控制在5 ms内, 后端IT设备是感知不到电源的变化。不会影响到IT设备和网络的安全性。

2.3 ECO模式设置确保可靠运行

ECO模式设置各家机器各有不同, 因为设置的敏感度太高, 它可能对轻微电力干扰反应过度, 导致逆变器频繁地被反复接入, 形成乒乓效应。如果敏感度过低, ECO模式的响应时间可能过长而不能及时应对市电瞬间波动做出及时反应。导致后端设备出现问题。目前的UPS具备ECO设置功能, 即发现电力问题时及时退出ECO模式, 在市电稳定后, 重新启动ECO模式。由于该设置没有统一标准, 不同的设备商可能设置不一样, 工作方式也不尽相同。这一点也是需要通过不同的运用场景与不同的需求来优化与完善。后期, 通信运营商要考虑的是在柴油发电机组运行时, 是否就ECO模式的使用制定程序, 即柴油发电机组运行时强行切回“双变化”模式, 不再进行ECO模式。

因为发现市电存在电源频繁切换时, 或柴油发电机组发电时, 为确保系统安全、可靠更为重要, 所以减少系统切换次数, 消除乒乓效应, 需要及时退出ECO模式。而目前有些UPS机器已经有柴油发电机组运行的“干接点”接入信号端, 后期可以考虑直接接入该信号, 让UPS知道输入的电源是市电, 还是柴油发电机发电, 以提升系统的容灾能力。我们本次的试运行是用稳定运行时间来判断市电的质量, 从这次的市电瞬间波动分析, 它是可行的, 但未必是最佳方案。日后其他运营商和厂家也可以优化该设置, 或直接接入发电机发电信号, 确保ECO系统安全、可靠。

3运用案例

在运用中发生过一次市电瞬间波动, 后端设备没有任何感知, ECO模式的UPS并机系统安全、可靠的运转。由于瞬间波动太快, 当天的“动力”环境监控系统也没有侦察到任何波动数据, 发现该事件还是我们在厉行日常维护工作, 察看机器log (日志) 时发现。ECO模式的UPS系统曾经发生过一次快速切换, 该切换使UPS系统经历了3种工作状态:电池放电 (逆变器工作) 、双变换工作、ECO模式 (旁路工作) 。

2015年4月3日下午南京公司试点的某机房, 当时“宅基线”10 k V瞬间波动, 由于太快, 10 k V进线断路器与低压总出线断路器均没有动作。但是后端的UPS智能设备感受到, 由于通信机房的UPS主输入电源与旁路电源均取之同一台变压器, 所以在该路电源的所有UPS都转入了电池放电的状态。这种情况下, 对双变换机器来说, 没有什么问题, 因为本身机器就是运行在整流、逆变, 逆变器始终工作;而对ECO模式机器则不同。高级ECO模式逆变器始终保持“开启”状态, 与旁路输入电源并联运行, 但实际并不给负载供电。由于逆变器保持“开启”状态, 当主电源发生波动或故障时, 它应该完成无缝切换并继续为负载供电。对这种市电瞬间波动, 既要考验UPS逆变器将承受因负载突变而产生的电流冲击, 还要考验逆变器瞬时发热并对UPS内部系统造成冲击。业界普遍认为, 瞬变热量是造成电力电子系统故障的一个主要原因。电力瞬变现象的事件种类繁多, 很难在测试中进行模拟, 本次就是一个实地检验。

具体见图2、图3。

从2台机器的告警log分析:

电池逆变供电:电池放电时间很短, 毫秒级 (1号机14 ms、2号机9 ms) ;

主路逆变供电:UPS双变换运行5 min;

滤波器接入:运行对应5 min (本次带载各机器负载都超过30%, 所以滤波器全部打开, 也是运行5 min) ;

从告警log记录显示分析整个过程为:该系统的UPS经历了3种工作状态。①逆变器工作 (电池组放电) 、②双变换工作、③旁路工作 (ECO模式) 。

通过2台UPS告警记录分析, 本次切换与市电稳定后5 min再次切回ECO模式 (图2、图3中的主路逆变供电时间) 。主路逆变供电、滤波器接入都只运行了5 min, 所以可以判断5 min后系统又切回ECO模式。本次ECO模式切换是实验室模拟不了的, 是一次市电瞬间波动, 极其快速。过程为:由于市电波动, 主路与旁路电源都不可用, “1+1”UPS系统从ECO模式切到“电池放电逆变器供电”模式;在极其短时间内, 市电又稳定了。“1+1”UPS系统从“电池放电逆变器供电”模式变换为“双变化”模式 (整流、逆变) , 该模式运行了5 min, 下面再次切回ECO模式。由于设计要求:高级ECO模式时, UPS旁路供电, 逆变器处于待机状态并锁定旁路, 逆变器和旁路是通过逆变SCR (可控硅) 隔离, 当旁路出现问题, 逆变SCR速度快放开, 实现旁路到逆变的不间断切换。所以完全达到设计要求的。本次真实的事件证明“1+1”UPS并机的ECO模式运行是安全可靠的。

4运行与节能分析

UPS高级ECO模式时, UPS损耗从5%降至1.5%, 效率也相应从93%升至96.5%, 见图4。我们假设核心机房UPS系统在50%负载下运行, 结果是400 k VA的UPS效率每台每提高1%, 一年节省的电费为24 303.74元。应用ECO模式的UPS每台每年大约节省85 063.09元。南京市核心机房分别有400 k VA、320 k VA、200 k VA等级别的UPS, 按照一半ECO模式, 另一半正常模式, 一年节省电费大约在500万元人民币, 而且系统安全等级没有降低。

5结束语

ECO模式是UPS为提高用电效率的一种运行模式, 用市电直接向IT负载供电。由于不需要经过整流、逆变的变换过程, 减少了电能损耗, 效率提高, 从而达到节能的效果。尤其是UPS系统在投入运行的初期 (负载比低) , 节能效果明显。它的实践能够有效地降低企业运营成本, 提高企业综合竞争能力。从安全角度分析, 高级ECO模式更加适合通信运营。UPS并机ECO模式功能更为完善, 可靠性更高。

由于本次试运行时间较短 (半年) , 加上不同品牌的UPS产品性能也不向同, 各家机器存在着巨大差距, 所以本文还不能完全代表UPS ECO并机模式就是最佳模式。我们知道目前“1+1”UPS系统中有些厂家和运营商正在尝试用一台UPS做高级ECO模式, 另一台UPS做正常模式的“1+1”并机系统——混合供电模式, 而且该混合供电模式也在现网做试点, 后期我们会关注该模式。

摘要：介绍了UPS (不间断电源) ECO (生态, 节能, 优化) 模式在通信机房的运用情况。ECO模式是UPS为提高用电效率的一种运行模式, 是用市电直接向IT (信息技术) 负载供电。由于不需要经过整流、逆变的变换过程, 减少了电能损耗, 效率提高, 从而达到进一步节能的效果。当市电质量不能满足后端设备正常运行时, 切换至UPS“双变换”工作模式。通过实验室数据与现场实践阐述, 高级ECO模式比标准ECO模式更适合通信运营商现在的运用场景, 系统安全性与可靠性没有降低。

西门子发布直流不间断电源 篇10

带有以太网接口的Sitop UPS1600的主要特点包括:可以为控制器或工控机 (IPC) 提供稳定可靠的电源保证。例如, 一组计算机以主从模式组成网络。在外电网故障情况下, 用户仍可通过网络关闭连接到直流供电网络的设备。设备可以按照预先设定的顺序关闭, 并进入定义的休眠模式。采用Sitop UPS1600, 用户可以避免突然断电等事故对设备和工件造成的损坏。

西门子Sitop UPS1600包括两个型号, 均采用24V电压, 额定输出电流分别为10A和20A。同时, 该产品还可提供三倍额定电流输出, 用于无故障启动

IPC等容性或感性负载。Sitop UPS1600可快速充电, 用于断电缓冲后迅速恢复电量。

Sitop UPS1100电池模块系列能够提供3.2Ah和7Ah两种蓄电池容量, 可匹配DC-UPS模块。

Sitop UPS1600还配备电池管理系统:它可以自动检测所连接的电池, 并且选择最佳温控充电特性。该设备还能不断地监控充电状态和电池寿命, 方便用户及时发现老化电池。Sitop UPS1600也可独立运行, 为设备提供不间断电源, 使用电池模块的电量甚至可以启动柴油发电机。