UPS種類、功能、原理

什么是UPS

UPS－Uninterrupted Power System；利用電池化學(xué)能作為后備能量，在市電斷電等電網(wǎng)故障時(shí)，不間斷地為用戶設(shè)備提供（交流）電能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。

為什么用UPS

UPS的四大功能

1、不停電功能，解決電網(wǎng)停電問題；

2、交流穩(wěn)壓功能，解決網(wǎng)壓劇烈波動(dòng)問題；

3、凈化功能，解決電網(wǎng)與電源污染問題；

4、管理功能，解決交流動(dòng)力維護(hù)問題；

UPS的主要功能:

實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用電器之間的隔離；

實(shí)現(xiàn)兩路電源的不間斷切換；

提供高質(zhì)量電源；

電壓變換和頻率變換功能；

停電后提供后備時(shí)間。

UPS種類

按工作原理不同，UPS分為：

離線式（后備式UPS、互動(dòng)式UPS）

在線式UPS

按供電體系不同，UPS分為：?jiǎn)芜M(jìn)單出UPS、三進(jìn)單出UPS、三進(jìn)三出UPS。

按輸出功率不同，UPS分為：

微型 < 6kVA

小型 6-20kVA

中型 20-100KVA

大型 >100kVA

按電池位置不同，UPS分為：

電池內(nèi)置式UPS（標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型）

電池外置式UPS（長(zhǎng)延時(shí)機(jī)型）

按多機(jī)運(yùn)行方式不同，UPS分為：

串聯(lián)熱備份UPS（用于中小功率機(jī)器）

交替串聯(lián)熱備份UPS（中小UPS)

直接并聯(lián)UPS (用于中大功率）

按變壓器特點(diǎn)不同，UPS分為：高頻UPS（高頻機(jī)）、工頻UPS（工頻機(jī)）

按輸出波形不同，UPS分為：方波輸出UPS、階梯波（準(zhǔn)正弦波）UPS、正弦波輸出UPS。

UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

監(jiān)控平臺(tái)也是UPS的最重要組成部分之一。

UPS的基本原理

后備式UPS運(yùn)行原理

有市電時(shí)，市電通過開關(guān)后直接供給負(fù)載，逆變器不工作；另外，市電通過充電器給電池充電。

停電后，啟動(dòng)逆變器，把電池儲(chǔ)存的能量通過逆變器和開關(guān)供給負(fù)載。

功率等級(jí)0.25-2KVA左右

互動(dòng)式UPS運(yùn)行原理

在線互動(dòng)UPS與后備式比，主要區(qū)別在于：逆變器與充電器合二為一；輸出通過變壓器的抽頭跳變，實(shí)現(xiàn)分段穩(wěn)壓。

功率等級(jí)0.7-20KVA左右

在線式UPS運(yùn)行原理

不管電網(wǎng)電壓是否正常，負(fù)載所用的交流電壓都要經(jīng)過逆變電路，即逆變電路始終處于工作狀態(tài)。

功率等級(jí)0.7-1500KVA左右

Delta變換UPS運(yùn)行原理

Delta變換器和補(bǔ)償變壓器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能，主變換器是雙向變換器。不能穩(wěn)定頻率。

功率等級(jí)10-480KVA左右

四種UPS的比較

UPS供電系統(tǒng)

一個(gè)完備的UPS供電系統(tǒng)，是由前端配電（市電，發(fā)電機(jī)，配電柜），UPS主機(jī)、電池、后端配電組成，附加后臺(tái)監(jiān)控或網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟/硬件等單元。

UPS監(jiān)控系統(tǒng)組成

UPS網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)＝智能UPS＋網(wǎng)絡(luò)＋監(jiān)控軟件

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件含以下三部分：

SNMP卡

監(jiān)控臺(tái)軟件

安全關(guān)機(jī)程序

UPS監(jiān)控組網(wǎng)

 

UPS品質(zhì)選擇與配置選擇

UPS品質(zhì)選擇

UPS－負(fù)載：輸出/整機(jī)指標(biāo)

輸出電壓標(biāo)準(zhǔn)及精度（220/380VAC±1％）

輸出頻率標(biāo)準(zhǔn)及精度（50HZ±0.01％）

輸出功率因素（0.7－1)

輸出過載/抗短路能力(125％額定電流，10min 150％額定電流，60s )

三相不平衡能力(100%不平衡負(fù)載,電壓不均衡<±5%）

動(dòng)態(tài)響應(yīng)(100％負(fù)載，瞬態(tài)電壓波動(dòng)<5%,恢復(fù)時(shí)間：≤20ms)

效率(90－94%)

噪音(50－75db）

環(huán)境指標(biāo)(溫度0～40℃），濕度，海拔<1000米）。

UPS整機(jī)指標(biāo)－效率計(jì)算

UPS各部件效率：

SCR整流器99％；IGBT整流器98％、IGBT逆變器效率96％、變壓器效率98％,濾波器99％

傳統(tǒng)UPS的效率：

SCR整流（99％）×IGBT逆變（96％）×輸出TX（98％）=93％

12脈沖傳統(tǒng)UPS的效率:

輸入移相TX（98％）×雙SCR整流（98％）×IGBT逆變（96％）×輸出TX（98％）=90％

新型UPS效率計(jì)算：

IGBT整流（98％）×IGBT逆變（96％）=94％

UPS －電池：電池管理

充電保護(hù)（過壓及過流充電保護(hù)，溫度補(bǔ)償）

放電保護(hù)（關(guān)機(jī)截止電壓設(shè)定及調(diào)整，自動(dòng)脫扣）

電池智能化管理（檢測(cè)和報(bào)警）

后備時(shí)間計(jì)算和顯示：額定負(fù)載后備時(shí)間T

75％額定負(fù)載1.6T; 50％額定負(fù)載2.5T; 33％額定負(fù)載4T

充電能力及充電時(shí)間：10％～25％額達(dá)容量充電能力

充電時(shí)間計(jì)算：T＝AH/I充電×（充電效率80％ ）

UPS配置與選擇

UPS分類和選擇

工作方式：后備式、互動(dòng)式、在線式；

容量：小功率（1～10KVA）；中功率（20～60K）；大功率（80～1000KVA）

適用環(huán)境：商業(yè)級(jí)、工業(yè)級(jí)、電廠專用、車載或船用

輸出變壓器：高頻機(jī)，工頻機(jī)。
小功率：APC、Santak（山特）、Kestar（科士達(dá)）、PCM

中功率：Powerware、MGE、Emerson-Liebert、Delta、Santak

大功率 Emerson-Liebert 、MGE、Powerware、Chloride-Siemens、Socomec-Sicon、 GE-Imv、Best-Borri

其他常見品牌：科華（kelong）、冠軍（champion）、易斯特（East）、賽康、復(fù)華、優(yōu)瑪、寶合、四通、 Best、伽馬創(chuàng)力、雷洛士、Powerland（寶蘭）、山頓（Sendon）、勁達(dá)（Deltec）、東芝（Toshiba）、APC- Gutor（固特）、AEG（德國通用電氣）、Protect（普洛泰克）。

容量及機(jī)型選擇

電池計(jì)算及配置

配電部分：線纜及開關(guān)

容量及機(jī)型選擇

用戶負(fù)載量,冗余度

負(fù)載性質(zhì)：IT類、電感性負(fù)載、使用環(huán)境－諧波、變壓器

機(jī)房配電設(shè)計(jì)：進(jìn)線方式

機(jī)型成本及競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

用戶負(fù)載量；UPS輸出冗余度（70～80％）

負(fù)載峰值因素（3：1）不能超過逆變器過載能力

負(fù)載視在功率（KVA）不能超過UPS額定功率*功率因素折算系數(shù)

三相負(fù)載不平衡度<30%。

工業(yè)級(jí)UPS

惡劣的電氣和物理環(huán)境：供電線路電壓/頻率波動(dòng)、浪涌沖擊、峰值下陷、高頻干擾，環(huán)境溫濕度不穩(wěn)、粉塵、腐蝕等。

結(jié)構(gòu)：輸入輸出雙隔離、鋼板機(jī)箱、高IP防護(hù)等級(jí)。

適用領(lǐng)域：鋼鐵、化工、電力、汽車、造紙、煤炭、石油、隧道

負(fù)載類型：重載機(jī)械、生產(chǎn)線設(shè)備、DCS系統(tǒng)等。

UPS 工作損耗、通風(fēng)量、空調(diào)配置

滿載損耗（KW）＝kVA Cos×（6～7.5％）空調(diào)制冷量

UPS容量	40KVA	80KVA	100KVA	160KVA	200KVA	300KVA	400KVA	600KVA	800KVA
通風(fēng)量立方米/h	2200	2400	2590	3500	3700	3900	4400	7500	9300

輸出功率折算－海拔高度，海拔每升高100米降容1％（典型 UPS工作海拔高度：1000米）

海拔高度	1000米	1500米	2000米	2300米	3000米
UPS輸出功率折算	100%	85%	79%	75%	69%

電池計(jì)算和配置

精確計(jì)算：恒功率計(jì)算法

1、截止電壓確定：

1.67V/cell<放電30分鐘; 1.75V/cell放電30~60分鐘；

1.83V/cell>放電60分鐘

2、計(jì)算每個(gè)Cell電池恒功率數(shù)據(jù)：

3、根據(jù)廠家恒功率放電數(shù)據(jù)表選擇滿足計(jì)算結(jié)果的電池規(guī)格。

配電部分：線纜及開關(guān)

輸入開關(guān)容量及線纜規(guī)格：

三相電工速算法:輸入電流(A)＝1.8XKVA,開關(guān)系數(shù)X1.2

單相電工速算法:輸入電流(A)＝5XKVA,開關(guān)系數(shù)X1.2

輸出開關(guān)容量及線纜規(guī)格：

三相電工速算法:輸出電流(A)＝1.5XKVA,開關(guān)系數(shù)X1.2

單相電工速算法:輸出電流(A)＝4XKVA,開關(guān)系數(shù)X1.2

電池開關(guān)容量及線纜規(guī)格：放電電流（A）＝kVA ?Cos/U電池電壓開關(guān)系數(shù)(X1.2)

電纜長(zhǎng)度與壓降：如70mm 線阻0.26?/km

零線及地線規(guī)格：零線＝1～1.5倍相線，地線＝相線

配電部分：電纜及開關(guān)規(guī)格

電纜額定電流簡(jiǎn)單算法

電纜規(guī)格	1/1.5/2.5	4/6	10/16	25/35/50	70/95/120	150/185	240	300
額定電流	X8A	X6A	X4A	X3A	X2.5A	X2A	X1.5A	X1.2A

空開規(guī)格：R10、R16、R20、R25、R32、R40、R50、R63、R80、R100、R125、R160、R200、R250、R320、R400、R630、R800、R1250。

隔離變壓器

高頻機(jī)加裝380V/380V輸出隔離變壓器：容量KVA＝UPS KVA

選用△/Y0型隔離變壓器，輸出中性點(diǎn)接地， Y/Y型變壓器旁路反灌會(huì)造成DC電壓過高危險(xiǎn)。

UPS加裝380V/220V輸出隔離變壓器：輸出容量損失20～30％對(duì)逆變器有干擾反饋，選用效率高，干擾小變壓器。

旁路隔離變壓器：實(shí)現(xiàn)零線電氣隔離。

 

UPS基礎(chǔ)維護(hù)

UPS維護(hù)的一般要求

1、UPS主機(jī)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)放置操作指南，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作。

2、UPS的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置信息應(yīng)全面記錄、妥善歸檔保存并及時(shí)更新。

3、檢查各種自動(dòng)、告警和保護(hù)功能是否正常。

4、定期進(jìn)行UPS各項(xiàng)功能測(cè)試。

5、定期檢查主機(jī)、電池及配電部分引線及端子的接觸情況，檢查饋電母線、電纜及軟連接頭等各連接部位的連接是否可靠，并測(cè)量壓降和溫升。

6、經(jīng)常檢查設(shè)備的工作和故障指示是否正常。

7、定期查看UPS內(nèi)部的元器件的外觀，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。

8、定期檢查UPS各主要模塊和風(fēng)扇電機(jī)的運(yùn)行溫度有無異常。

9、保持機(jī)器清潔，定期清潔散熱風(fēng)口、風(fēng)扇及濾網(wǎng)。

10、定期進(jìn)行UPS電池組帶載測(cè)試。

11、各地應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)厥须婎l率的變化情況，選擇合適的跟蹤速率。當(dāng)輸入頻率波動(dòng)頻繁且速率較高，超出UPS跟蹤范圍時(shí)，嚴(yán)禁進(jìn)行逆變/旁路切換操作。在油機(jī)供電時(shí)，尤其應(yīng)注意避免該情況的發(fā)生。

12、UPS應(yīng)使用開放式電池架，以利于蓄電池的運(yùn)行及維護(hù)。

UPS維護(hù)項(xiàng)目及周期表

1 UPS日檢項(xiàng)目：

主要內(nèi)容有：檢查控制面板，確認(rèn)所有指示正常，所有指示參數(shù)正常，面板上沒有報(bào)警；檢查有無明顯的高溫、有無異常噪聲；確信通風(fēng)柵無阻塞；調(diào)出測(cè)量的參數(shù)，觀察有無與正常值不符等。

2 UPS周檢項(xiàng)目：

周檢的主要內(nèi)容有：測(cè)量并記錄電池充電電壓、電池充電電流、 UPS 三相輸出電壓、UPS 輸出線電流。如果測(cè)量值與以前明顯不同，應(yīng)記錄下新增負(fù)荷的大小、種類和位置等。

UPS月、季、年維護(hù)項(xiàng)目：

UPS電源的電池管理

電池是UPS的重要組成部分，在UPS的諸多故障中，有很大比例是由于電池問題引起的，電池性能的好壞直接影響到系統(tǒng)的可靠性。為了保證電池的服務(wù)壽命，除了維持正常溫度和日常的維護(hù)外，電池的自動(dòng)管理是至關(guān)重要的因素。

UPS電源對(duì)電池自動(dòng)管理包括自動(dòng)均浮充轉(zhuǎn)換控制、電池預(yù)告警關(guān)機(jī)、定期自動(dòng)維護(hù)、手動(dòng)電池自檢等多項(xiàng)可提高電池使用壽命的先進(jìn)功能，同時(shí)還具備電池故障檢測(cè)、電池放電后備時(shí)間預(yù)測(cè)及電池特征曲線管理。

自動(dòng)均、浮充轉(zhuǎn)換

電池充電過程能自動(dòng)根據(jù)電池電流實(shí)現(xiàn)均充、浮充自動(dòng)轉(zhuǎn)換，設(shè)定的均充轉(zhuǎn)浮充判據(jù)為：I≤0.01C。

2 電池浮充電壓溫度補(bǔ)償：（以2V電池為例）

電池在浮充狀態(tài)下，浮充電壓可以根據(jù)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償以20℃為中心點(diǎn)，在10℃-40℃內(nèi)全補(bǔ)償，計(jì)算公式：

溫度T>40 ，T=40 ；若T<10，T=10

電池平均單體電壓應(yīng)調(diào)節(jié)為：V=V0+(20-T)×0.003

其中，V0為電池廠家給定的在20℃下的單體浮充電壓，可以根據(jù)不同電池在初次上電時(shí)進(jìn)行設(shè)置，默認(rèn)為2.23V。對(duì)均充電壓不補(bǔ)償，默認(rèn)的單體均充電壓為2.35V。

3 均充限時(shí)：

如果連續(xù)12小時(shí)處于均充狀態(tài)，控制系統(tǒng)將強(qiáng)制轉(zhuǎn)浮充狀態(tài)，此設(shè)置的條件是均充時(shí)間達(dá)到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)浮充狀態(tài)。

4 放電管理：

設(shè)置電池放電的截止電壓為每單體電池1.8V，實(shí)際截止電壓會(huì)隨電池老化程度不同而在此值附近向下浮動(dòng)，截止電壓為每單體電池1.8V的選取，已經(jīng)考慮到了大功率放電情況下電池容量的衰減。

UPS電池自動(dòng)測(cè)試

UPS蓄電池的容量測(cè)試可人工測(cè)試或利用UPS的電池自動(dòng)測(cè)試功能實(shí)現(xiàn)。人工測(cè)試的方法可參考直流供電系統(tǒng)中蓄電池的容量測(cè)試方法進(jìn)行。下面對(duì)UPS的自動(dòng)測(cè)試功能進(jìn)行介紹。

該測(cè)試只有在以下情況下才能進(jìn)行：

逆變器在運(yùn)行；

逆變器不超載；

備用電源（旁路供電）存在并且符合要求；

逆變器與旁路電源同步；

電池必須充足電。

UPS電池自動(dòng)測(cè)試功能根據(jù)以下三點(diǎn)設(shè)置：

時(shí)間間距（測(cè)試周期可設(shè)定為10天―150天）

電池自動(dòng)測(cè)試的日期和時(shí)間

電池有問題時(shí)默認(rèn)的報(bào)警方式

啟動(dòng)電池測(cè)試時(shí)，整流器電壓將下降到電池組額定電壓以下，而在逆變器關(guān)機(jī)電壓以上，如果電池在規(guī)定負(fù)載和規(guī)定時(shí)間內(nèi)可以按要求放電，UPS就給出一個(gè)肯定的信號(hào)，表明電池是好的；如果電池在規(guī)定負(fù)載和規(guī)定時(shí)間內(nèi)不能按要求放電，UPS就給出一個(gè)否定的信號(hào)，表明電池需要更換。但這時(shí)由于整流/充電器電壓大于逆變器關(guān)機(jī)電壓值，故整流/充電器電壓仍然向逆變器供電，使輸出電壓并不間斷。

UPS常見故障處理

1 市電有電時(shí)，UPS出現(xiàn)市電斷電告警。

可能原因

1）市電輸入空開跳閘。

2）輸入交流線接觸不良。

3）市電輸入電壓過高、過低或頻率異常。

4）UPS輸入空開或開關(guān)損壞或保險(xiǎn)絲熔斷。

5）UPS內(nèi)部市電檢測(cè)電路故障。

處理方法

1）檢查輸入空開。

2）檢查輸入線路。

3）如市電異?？刹惶幚砘騿?dòng)發(fā)電機(jī)供電。

4）更換損壞的空開、開關(guān)或保險(xiǎn)絲。

5）檢查UPS市電檢測(cè)回路

2 市電正常時(shí)，UPS輸出正常；市電斷電后，負(fù)載也跟著斷電。

可能原因

1）由于市電經(jīng)常低壓，電池處于欠壓狀態(tài)。

2）UPS充電器損壞，電池?zé)o法充電。

3）電池老化、損壞。

4）負(fù)載過載，UPS旁路輸出。

5）負(fù)載未接到UPS輸出。

6）長(zhǎng)延時(shí)機(jī)型的電池組未連接或接觸不良。

7）UPS逆變器未啟動(dòng)（UPS面板控制開關(guān)未打開），負(fù)載由市電旁路供電。

8）逆變器損壞，UPS旁路輸出。

處理方法

1）A、在市電電壓正常時(shí)對(duì)電池充足電。

B、啟動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)電池充電。

C、在UPS輸入端加穩(wěn)壓器。

2）檢查充電器。

3）更換電池。

4）減少負(fù)載。

5）將負(fù)載接到UPS的輸出。

6）檢查電池組是否接對(duì)、接好。

7）啟動(dòng)逆變器對(duì)負(fù)載供電（打開面板控制開關(guān)）。

8）檢查逆變器。

3 UPS無法啟動(dòng)。

可能原因

1）電池長(zhǎng)期放置不用，電壓低。

2）輸入交流、直流電源線未連接好。

3）UPS內(nèi)部開機(jī)電路故障。

4）UPS內(nèi)部電源電路故障或電源短路。

5）UPS內(nèi)部功率器件損壞。

處理方法

1）將電池充足電。

2）檢查輸入交流、直流線是否接觸良好。

3）檢查UPS開機(jī)電路。

4）檢查UPS電源電路。

5）檢查UPS內(nèi)部整流、升壓、逆變等部分的器件是否損壞。

UPS在正常使用時(shí)突然出現(xiàn)蜂鳴器長(zhǎng)鳴告警。

可能原因

1）用戶有大負(fù)載或大沖擊負(fù)載啟動(dòng)。

2）輸出端突然短路。

3）UPS內(nèi)部逆變回路故障。

4）UPS保護(hù)、檢測(cè)電路誤動(dòng)作。

處理方法

1）A、 負(fù)載投入時(shí)按先大后小的順序。

B、 增大UPS的功率容量。

2）檢查UPS的輸出是否短路。

3）檢查UPS逆變器。

4）檢查UPS內(nèi)部控制電路。

6 UPS工作正常但負(fù)載設(shè)備異常。

可能原因

1）UPS輸出零地電壓過高。

2）UPS地線與負(fù)載設(shè)備地線沒接在同一點(diǎn)上。

3）負(fù)載設(shè)備受到異常干擾。

處理方法

1）檢查UPS接地，必要時(shí)可在UPS的輸出端零地間并一個(gè)1-3KΩ電阻。

2）將UPS地與負(fù)載地接到同一個(gè)點(diǎn)上。

3）重新啟動(dòng)負(fù)載設(shè)備。