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，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，解決交流動力維護問題；

UPS的主要功能:

實現(xiàn)電網(wǎng)與用電器之間的隔離；

實現(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；

停電后提供后備時間。

UPS種類

按工作原理不同，UPS分為：

離線式（后備式UPS、互動式UPS）

在線式UPS

按供電體系不同，UPS分為：單進(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)機型）

電池外置式UPS（長延時機型）

按多機運行方式不同，UPS分為：

串聯(lián)熱備份UPS（用于中小功率機器）

交替串聯(lián)熱備份UPS（中小UPS)

直接并聯(lián)UPS (用于中大功率）

按變壓器特點不同，UPS分為：高頻UPS（高頻機）、工頻UPS（工頻機）

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)控平臺也是UPS的最重要組成部分之一。

UPS的基本原理

后備式UPS運行原理

有市電時，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，啟動逆變器，把電池儲存的能量通過逆變器和開關(guān)供給負(fù)載。

功率等級0.25-2KVA左右

互動式UPS運行原理

在線互動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，實現(xiàn)分段穩(wěn)壓。

功率等級0.7-20KVA左右

在線式UPS運行原理

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0.7-1500KVA左右

Delta變換UPS運行原理

Delta變換器和補償變壓器實現(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10-480KVA左右

四種UPS的比較

UPS供電系統(tǒng)

一個完備的UPS供電系統(tǒng)，是由前端配電（市電，發(fā)電機，配電柜），UPS主機、電池、后端配電組成，附加后臺監(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)控臺軟件

安全關(guān)機程序

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%）

動態(tài)響應(yīng)(100％負(fù)載，瞬態(tài)電壓波動<5%,恢復(fù)時間：≤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整機指標(biāo)－效率計算

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效率計算：

IGBT整流（98％）×IGBT逆變（96％）=94％

UPS－電池：電池管理

充電保護（過壓及過流充電保護，溫度補償）

放電保護（關(guān)機截止電壓設(shè)定及調(diào)整，自動脫扣）

電池智能化管理（檢測和報警）

后備時間計算和顯示：額定負(fù)載后備時間T

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

充電能力及充電時間：10％～25％額達(dá)容量充電能力

充電時間計算：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、工業(yè)級、電廠專用、車載或船用

輸出變壓器：高頻機，工頻機。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）。

容量及機型選擇

電池計算及配置

配電部分：線纜及開關(guān)

容量及機型選擇

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

機房配電設(shè)計：進(jìn)線方式

機型成本及競爭優(yōu)勢。

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UPS

惡劣的電氣和物理環(huán)境：供電線路電壓/頻率波動、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、鋼板機箱、高IP防護等級。

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%

電池計算和配置

精確計算：恒功率計算法

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、計算每個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，輸出中性點接地， Y/Y型變壓器旁路反灌會造成DC電壓過高危險。

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

旁路隔離變壓器：實現(xiàn)零線電氣隔離。

UPS基礎(chǔ)維護

UPS維護的一般要求

1、UPS主機現(xiàn)場應(yīng)放置操作指南，指導(dǎo)現(xiàn)場操作。

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

3、檢查各種自動、告警和保護功能是否正常。

4、定期進(jìn)行UPS各項功能測試。

5、定期檢查主機、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)異常及時處理。

8、定期檢查UPS各主要模塊和風(fēng)扇電機的運行溫度有無異常。

9、保持機器清潔，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)輸入頻率波動頻繁且速率較高，超出UPS跟蹤范圍時，嚴(yán)禁進(jìn)行逆變/旁路切換操作。在油機供電時，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，以利于蓄電池的運行及維護。

UPS維護項目及周期表

1 UPS日檢項目：

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)出測量的參數(shù)，觀察有無與正常值不符等。

2 UPS周檢項目：

周檢的主要內(nèi)容有：測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、年維護項目：

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外，電池的自動管理是至關(guān)重要的因素。

UPS電源對電池自動管理包括自動均浮充轉(zhuǎn)換控制、電池預(yù)告警關(guān)機、定期自動維護、手動電池自檢等多項可提高電池使用壽命的先進(jìn)功能，同時還具備電池故障檢測、電池放電后備時間預(yù)測及電池特征曲線管理。

自動均、浮充轉(zhuǎn)換

電池充電過程能自動根據(jù)電池電流實現(xiàn)均充、浮充自動轉(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)行補償，溫度補償以20℃為中心點，在10℃-40℃內(nèi)全補償，計算公式：

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進(jìn)行設(shè)置，默認(rèn)為2.23V。對均充電壓不補償，默認(rèn)的單體均充電壓為2.35V。

3均充限時：

如果連續(xù)12小時處于均充狀態(tài)，控制系統(tǒng)將強制轉(zhuǎn)浮充狀態(tài)，此設(shè)置的條件是均充時間達(dá)到設(shè)定值時，自動轉(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，實際截止電壓會隨電池老化程度不同而在此值附近向下浮動，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電池自動測試

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

該測試只有在以下情況下才能進(jìn)行：

逆變器在運行；

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電池自動測試功能根據(jù)以下三點設(shè)置：

時間間距（測試周期可設(shè)定為10天―150天）

電池自動測試的日期和時間

電池有問題時默認(rèn)的報警方式

啟動電池測試時，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)機電壓以上，如果電池在規(guī)定負(fù)載和規(guī)定時間內(nèi)可以按要求放電，UPS就給出一個肯定的信號，表明電池是好的；如果電池在規(guī)定負(fù)載和規(guī)定時間內(nèi)不能按要求放電，UPS就給出一個否定的信號，表明電池需要更換。但這時由于整流/充電器電壓大于逆變器關(guān)機電壓值，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，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)損壞或保險絲熔斷。

5）UPS內(nèi)部市電檢測電路故障。

處理方法

1）檢查輸入空開。

2）檢查輸入線路。

3）如市電異常可不處理或啟動發(fā)電機供電。

4）更換損壞的空開、開關(guān)或保險絲。

5）檢查UPS市電檢測回路。

2市電正常時，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）長延時機型的電池組未連接或接觸不良。

7）UPS逆變器未啟動（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、在市電電壓正常時對電池充足電。

B、啟動發(fā)電機對電池充電。

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、接好。

7）啟動逆變器對負(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。

可能原因

1）電池長期放置不用，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在正常使用時突然出現(xiàn)蜂鳴器長鳴告警。

可能原因

1）用戶有大負(fù)載或大沖擊負(fù)載啟動。

2）輸出端突然短路。

3）UPS內(nèi)部逆變回路故障。

4）UPS保護、檢測電路誤動作。

處理方法

1）A、 負(fù)載投入時按先大后小的順序。

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，必要時可在UPS的輸出端零地間并一個1-3KΩ電阻。

2）將UPS地與負(fù)載地接到同一個點上。

3）重新啟動負(fù)載設(shè)備。