1、電力電子在電力系統中的應用電力電子在電力系統中的應用第三章第三章不停電電源（UPS）不停電電源（UPS）起因：一方面電子技術發展，非線性性質負載增加，電網內外部各種噪聲、干擾造成電壓浪涌、電壓塵峰、電壓瞬變、電源中斷；另一方面，重要用電部門、重要用電設備對供電質量要求越來越高，不僅不停電，還要電壓、波形、頻率好的一個干凈的電源。經過多年來的尋找，創造出UPS這種新型設備，滿足需要，使電網和用電器隔離，避免負載對電網產生干擾，又避免電網中干擾影響負載。不停電電源 配置UPS 的主要目的是用來為局域網中各類用電設備提供穩定可靠和高品質的電力供應。它主要體現在以下三個方面：（1）為各類用電設備提供后

2、備電源，以防止突然斷電給局域網造成損害，影響正常運行；（2）可以消除供電系統中產生的諸如浪涌、諧波干擾、頻率漂移、波形斷續、電壓過高或過低等現象，改善電源質量，使局域網中各類設備的電子元部件免受破壞性損害；（3）UPS還可以抑制電網中其他用電設備產生的諸如高頻信號等雜波，以免除因雜波造成數據傳輸失效等故障，提高網絡的可靠性。一、UPS主要功能1、雙路電源之間無間斷相互切換2、隔離功能3、電壓變換功能4、頻率變換功能5、后備功能按需要提供后備供電時間，保護負載。UPS分類按工作原理后備式在線式按輸入輸出單相輸入單相輸出三相輸入單相輸出三相輸入三相輸出按輸出波形方波正弦波靜態式動態式按工作頻率工頻

3、高頻UPS工作原理和組成UPSUPS的特點的特點 (l)高可靠性高可靠性 系統應具有能提供36524連續提供高質量的UPS逆變電源的供電能力。這就意味著，在UPS供電系統的運行中，既不允許出現任何瞬間供電中斷停電事故，也不允許出現由普通的市電經交流旁路直接向用戶負載供電的情況。為此，要求UPS供電系統應滿足如下要求：由于UPS單機本身的故障率低，因此目前大型UPS產品的平均無故障工作時間（MTBF）為20萬40萬小時。采用具有高度容錯功能的“N1”型UPS冗余并機系統來進一步提高UPS供電系統的可靠性（“1l”型冗余并機系統的典型MTBF值可達140萬200萬小時UPSUPS的特點的特點 (2

4、)高抗干擾性高抗干擾性 UPS供電系統能使互聯網設備獲得高“可利用率”，并可為其創造優良的運行環境。大量的運行實踐表明：電源干擾問題是造成互聯網設備的“可利用率”下降的重要原因之一。UPSUPS的分類的分類（1）后備式）后備式UPS當市電正常時由市電給負載設備供電，并給蓄電池浮動充電。當市電電壓波動超過規定值時時啟動逆變電路將電池的直流電轉換為穩定的交流電輸出，給負載供電。后備式UPS平時由于是由市電直接給負載供電，所以無法消除市電電網上存在的浪涌、尖峰、頻率漂移等電氣污染，而且容量比較小。但是它的技術簡單，成本較低，價格相對低廉，用于許多對電壓穩定性要求不高的場合。UPSUPS的分類的分類

5、(2)在線式在線式UPS 在線式UPS一直使其逆變器處于工作狀態，市電正常時它是首先通過電路將市電交流電轉換為直流電，再通過逆變器將直流電轉換為正弦波交流電給負載供電，在供電情況下還能對輸出進行穩壓及防止電磁干擾，而且還通過充電電路給蓄電池浮動充電。當停電時，則使用電池的直流電，所以逆變器不存在切換時間，所以適用于對電源有較高要求的場合。UPSUPS的分類的分類 (3)在線互動式在線互動式UPS 這是一種智能化的UPS，除具有在線式UPS的功能外，還可以自動偵測市電的電壓，可以提供高精度的正弦波交流電輸出。在線互動式UPS 還具有與計算機進行通訊的功能，有的還可以連接互聯網，可以通過網絡對UP

6、S 進行管理，而且可以根據計算機及網絡系統的工作狀況自動調整UPS 本身的工作狀況和輸出狀況，并且在UPS 出現故障時，可以通知計算機系統，啟動冗余的備用電源，所以稱之為智能型UPS。一般用于網絡系統中的服務器、路由器和大型骨干網的交換機以及部分工作站等對電源要求較高的場合。它將大大提高計算機系統的可靠性。UPSUPS的分類的分類 按技術性能的優劣來排序，其順序應為：在線式UPS在線互動式UPS后備式正弦波輸出UPS后備式方波輸出UPS 工頻工頻UPSUPS 工頻UPS輸出的220V正弦波交流電壓的峰峰值電壓是620V，而一般單相UPS的輸入側整流后的直流電壓為310V(這還不包括一般為196

7、V和其它電壓電池的情況)，為了使逆變器不失真地輸出220V正弦波交流電壓，逆變器前面的直流電壓必須是650870V。由于工頻機逆變器的輸入電壓遠遠低于這個值，所以必須加一個輸出變壓器將電壓提升到額定峰值以上才可使用。 工頻工頻UPSUPS 下圖為一般工頻機的結構方框圖，幾乎所有UPS都在輸入和輸出端加有輸入/輸出濾波器。 高頻型UPS 高頻型UPS的升降壓功能一般通過DC/DC變換器來實現，可以稱為電子變壓器，而且其還有輸入功率因數校正(PFC)功能，它可以將輸入功率因數校正到接近于1，這是工頻變壓器無法實現的。它的抗干擾功能也是工頻變壓器無法比擬的，這是因為普通電磁式變壓器必須將輸入的電壓波

8、形沒有失真地傳遞到輸出端，所以也將干擾一并送出。 高頻型UPS 下圖是高頻機的電子變壓器的原理圖，電壓波形進行切割后儲能送出：當整流正弦半波的一個脈沖電壓波形到來時，開關S閉合，電流經電感L和開關S和輸入側形成回路，如圖中實線箭頭所示，此時能量儲存在電感L中，開關s按照一定的頻率斷開與閉合，當開關斷開時，儲存在L中的能量與輸入電壓疊加沿虛線箭頭方向經二極管D給電容和負載供電，而后再重復下一個同樣的周期。 高頻型UPS 高頻機主電路結構原理圖 UPS發展趨勢1、智能化微機系統對運行中UPS實時監測、故障分析、保護、實時自動記錄、自動控制開停、交換信息功能。2、高頻化使用軟開關提高效率、降低噪音、

9、提高精度和動態響應。3、綠色化輸入端功率因數校正功率因數校正電路（PFC）這是UPS中一個發展趨勢。一方面消除由于整流濾波電路而產生的諧波電流，另一方面補償提高功率因數。1、功率因數的定義：功率因數PF（Power Factor）基本定義：在線性電路中，反映負載的阻抗特性為正弦電流波形相對于電壓波形的相位差。當負載呈電阻性時，電壓與電流波形同相， PF 1PF有功功率視在功率PSPFcos功率因數校正電路（PFC）這是UPS中一個發展趨勢。一方面消除由于整流濾波電路而產生的諧波電流，另一方面補償提高功率因數。1、功率因數的定義：在非線性電路中，輸入電壓為正弦波時，輸入電流發生正弦畸變為正弦電流

10、波形相對于電壓波形的相位差為基波因數（畸變因數），即基波電流I1與電網電流IL之比。PFPSULI1cosULILI1cosILcos功率因數校正電路（PFC）2、沒有功率因數校正時存在的問題：使電網波形畸變，線路損耗加大。除基波電流外增加高次諧波電流；頻率高，集膚效應增加，損耗增加，波形畸變，三相不對稱，設備絕緣體老化，易過載，線路損耗增加。降低供電系統的功率因數、增大系統供電容量降低用電設備的使用壽命干擾儀器、儀表MOS管導通，電感L中電流i L上升，當與市電電壓波形相交時，MOS管關斷，電感中感應電勢使VD二極管導通，對電容充電，電感中電流i L下降到零后，控制電路又使MOS管導通，上述

11、過程重復，使電流i i 平均值波形跟隨電壓Ui 波形，功率因數近于1。功率因數校正電路（PFC）3、基本原理和方法：有源功率因數校正電路原理框圖1、LT 1249 采用固定高頻PWM平均電流技術而不需斜波補償，只要一個很小電感元件，就可獲得較低的交流電失真。2、UC 3845采用平均電流型控制，即使沒有斜波補償也可獲得正弦輸入電流，并且噪音低、靈敏度高，可用在單相或三相電源中。3、MSC 60028自身保護功能完善，寬范圍內使功率因數接近于1，輸出直流穩定，峰值電流低，電路元器件承受應力小。功率因數校正電路（PFC）主要功率因數校正控制器：也可在主開關支路再串聯電感成無源緩沖，再并聯二極管，可

12、大大減小高頻輻射，但電阻耗能，效率低。再增加一個VMZVT輔助開關，有源緩沖零電壓轉換，用輔助開關VMZVT導出整流二極管VDOUT的電流（以零電流方式導通）而VMZVT關斷時將緩沖電能能量傳輸到負載COUT，而不增加主開關電壓。功率因數校正電路（PFC）4、零電壓開關功率因數校正電路及專用控制器UC 3855A/B ：有源緩沖零電壓轉換升壓斬波器整流二極管VDOUT具有反向恢復特性，當主開關VM1導通時，整流二極管反偏電流反向流動，經主開關至地。主開關通過較大電流，整流二極管恢復特性越陡峭，電流越大，高頻輻射越嚴重。可在主開關柵極串聯電阻來改善，功耗將增加。VMZVT、VDOUT零電壓下導通

13、，VM1零電壓下導通整個過程由專用控制器UC 3855來完成。UPSUPS的控制方式的控制方式 UPS的主電路結構都大同小異，關鍵是其逆變器控制技術。UPS逆變器直接與負載相連，為敏感關鍵負載供電，是UPS實現功能的核心部分，由于逆變器的輸出為正弦波，包含幅值和相位等受負載特性影響較大的被控量，所以與直流電源控制相比，逆變器控制的復雜程度顯著提高，U PS的性能很大程度上取決于其逆變器的性能。傳統UPS控制的缺點 1、 精度和可靠性低 2 、電磁兼容問題突出 3 、老化溫漂現象 4 、控制方法調整困難 5 、自我檢測能力差等數字控制的優點 1、可靠性高。 2、性能穩定。 3、控制靈活，能實現復

14、雜的算法。 4、維護方便。新型新型UPSUPS控制方式分類控制方式分類 1、數字PID控制 算法簡單，易于實現高速控制；穩定性較高，PID控制的逆變電源對系統參數和負載的變化不敏感。 2、重復控制 是一種基于內模原理的控制技術，早期應用于重復性機械運動機構的控制，近年來在U PS逆變電源的波形控制中也獲得了很好的效果。 3、無差拍控制 基于狀態空間方程， 通過采樣狀態變量的值，計算出當前控制周期內的開關狀態，以使受控量在一個控制周期內達到與參考值相等。 4、滑模變結構控制 5、模糊控制 目前廣泛使用的是鉛酸蓄電池。1、經濟型（HS型）涂漿式高效鉛蓄電池2、長時間放電（CS型）覆蓋式鉛蓄電池3、

15、免維護、密封式（M型）UPS多用此種它的價格占UPS成本1/4-2/5，故障率占1/3，所以對它的了解對于使用好蓄電池組及UPS的無故障運行具有重要意義。蓄電池是平時將電能轉換為化學能儲存起來，用電時再將化學能轉變為電能的一種獨立直流電源。蓄電池與充電電路（一）概述：1、容量充滿電時儲能多少C C容量I I放電電流（A）T放電時間（h）2、放電率放電至終止時電流大小或時間的快慢6.5AH0.325 A 20 h3、放電電流電池容量乘以系數0.1C6.5 0.10.65A4、終止電壓不能再放電時電壓1.75V/格2.275V/格5、標稱容量20小時放電率下所測定的容量6、自放電率電池不使用時，內

16、部消耗能量0.08C/天蓄電池與充電電路（二）性能指標：一般蓄電池充放電反應為：充電過程完成后，繼續充電，通常為過充，造成電解質中的水電離，在陽極產生O2，在陰極產生H2，電解質液面下降，要定期補水。蓄電池與充電電路（三）工作原理：PbO2+2H2SO4+PbPbSO4+2H2O+PbSO4陽極電解質 陰極陽極電解質 陰極放電充電密封蓄電池充放電反應為：陽極上產生的O2被陰極板吸收而不逸出，陰極板上永遠不會有H2產生，避免了水分損失，使補水間隔可達五年以上，從而實現了免維護操作電池的目的。蓄電池與充電電路（三）工作原理：Pb+1/2O2PbO陽極板（已充電）陰極產生+H2SO4H2O + Pb

17、SO4陰極板電解質陽極板（已充電）初充電：蓄電池安裝完畢后進行一次較長時間的初充電，以1/10C的充電電流充至額定容量，這很重要。正常充電：最好采用分級定流方式充電，即初期電流大，逐漸減小。這種方式的充電效率高，充電效果好，對延長電池壽命有利。浮充電：UPS工作時，整流器和蓄電池并聯工作，負載電流由整流器供給，蓄電池起平滑濾波和穩定作用，當負載突然加大時，蓄電池可在短時間供給很大的放電電流，因而有利于改善UPS的瞬態響應。均衡充電：為防止單元間不均衡的加劇，一定時候進行過充電，從而使各單元達到均衡一致的良好狀態。蓄電池與充電電路（四）充放電過程：過放電：鉛酸電池對過放電非常敏感，輕則降低容量或

18、縮短壽命，重則不能恢復正常容量，以至損壞。存貯：充電之后最大影響為貯存時間與貯存溫度。外特性：放電特性與放電速率、使用效率等有關溫度特性儲存特性壽命特性蓄電池與充電電路（四）充放電過程：電池的極化：電流通過蓄電池，正負極板面電位的移動。1、歐姆極化（電阻極化）充電停止隨之消失2、電化學極化3、離子濃差極化要實現快速充電，一是增大充電電流，二是消除極化經過長期實踐，已找到瞬間全部或大部分消除極化的方法，即停充期間，讓蓄電池流過一個與充電電流方向相反的大脈沖電流。充電電流曲線，初中期使用比常規充電大得多的充電電流實現電流遞減式快速充電。蓄電池與充電電路（五）快速充電：快速充電的優越性：1、充電時間

19、大為縮短，充電效率成倍提高2、可增加蓄電池的容量3、去硫化效果顯著4、節約電能快速充電要注意：1、去極化的量要恰當掌握2、要精確的充足自停功能蓄電池與充電電路（五）快速充電：將直流電逆變成頻率穩定、電壓恒定、波形失真度小的交流電。普通采用脈寬調制技術（PWM）及波形疊加技術直流脈寬調制正弦脈寬調制疊加式階梯波離散式階梯波靜止逆變電路混合波靜態開關是UPS的保護設備，既保護UPS又保負載。靜態開關機械式電子式混合式（一）機械式靜態轉換開關兩個具有互鎖特性的接觸器實現轉換控制。靜態開關（一）機械式靜態轉換開關缺點：轉換是一種機械動作，轉換時間不可能降為零吸合通常比釋放時間長，供電會中斷容量增大，轉

20、換時間變長電感負載瞬間中斷，負載上激勵出振蕩電壓反灌至UPS輸出端，因相位、頻率、電壓幅值不同會造成嚴重干擾靜態開關（二）電子式靜態開關大型UPS有專門靜態開關邏輯控制圖當控制電路執行切換命令時，封鎖原來導通狀態的靜態開關，檢測流過可控硅電流，當電流過零時，對處于關斷狀態靜態開關觸發，實現兩開關切換操作。靜態開關注意：兩路電源間相位差允許在3.615之間或兩電源瞬態電壓差25V，否則要發生禁止切換命令。同步切換方式不同步切換方式（二）電子式靜態開關同步切換有三種工作模式1、自動返回式切換模式UPS總是處于優先供電狀態，發生情況才切換2、“熱后備”工作模式UPS為后備待用狀態3、非自動返回工作模

21、式UPS發生故障，不能自動返回，需按復位鍵靜態開關設備的使用1、開機之前的準備 在開機之前，首先需要確認輸入市電連線的極性是否正確，UPS各個開關是否閉合正確.以確保人身安全。注意負載總功率不能大于UPS的額定功率。不應接計算機以外的不良性負載。應避免UPS工作在過載狀態下，以保證UPS能夠正常工作。設備的使用2、開關機順序為了避免負載在啟動瞬間產生的沖擊電流對UPS造成損壞，正確的使用方法是首先給UPS供電，使其處于旁路工作狀態，然后再逐個打開負載，最后才開機.這樣就避免了負載電流對UPS的沖擊，使UPS的使用壽命得以延長。關機順序可以看做是開機順序的逆過程，首先逐個關閉負載，再將UPS關閉

22、。（如果是晚上關總閘開關時，必須先把UPS關掉后再關總閘，以免造成UPS空載工作，從而造成電池由于小電流放電而損壞機器設備的使用3.關機之后 在市電中斷后，UPS由電池組供電并自動關機后，不可再利用UPS電池組供電開機，以避免電池因過量放電而損壞。當市電發生異常而轉為UPS電池組供電時，應及時斷開市電，待市電恢復正常后再打開市電(市電異常,比如說三相電掉一相電)設備的使用 4.使用環境 與電腦的工作環境類似，UPS對環境溫度的要求同樣也不是很高，通常在040都能正常工作。但防塵問題同樣也困擾著UPS，UPS的使用環境要求清潔、少塵、干燥，灰塵和潮濕的環境會引起UPS工作不正常。而UPS電池組對

23、溫度要求則較高，標準使用溫度為25，平時最好不要超出1530這個范圍。溫度過低不但會減小電池組的容量，還會進一步影響UPS的使用壽命。另外，UPS的防磁能力也不是很好。所以不應把強磁性物體放在UPS上，否則會導致UPS工作不正常或損壞機器。 遇到雷雨天氣，在沒有良好的接地條件下的UPS必須撥掉輸入市電插座，改由UPS電池放電。（由于大部份鄉鎮營業廳都是采用民房，沒有良好的接地措施）UPS的維護 1、不能讓UPS超負荷或滿負荷運行。UPS銘牌上的標稱功率為視在功率，一般其有功功率為視在功率的80 。例如視在功率為IK VA 的UPS，實際負載能力最大800W。如果讓UPS超負荷或滿負荷運行，必然會損壞UPS。 2、嚴禁將感性負載(如日光燈、電動機、電鉆等)接入UPS。因為感性負載啟動電流比較大，瞬間過大電流沖擊會損壞UPS。 3、要注意UPS蓄電池的合理充放電。市電停電后，UPS供電時間不能超過UPS標稱的時間。如8小時的UPS，市電停電后，UPS給負載供電時間不得超過8小時。若當地電網質量好，相當長一段時間(比如一個月)沒有停過一次電，則應該每隔一個月就人為地放一次電。具體操作就是人為地將市電斷掉，