UPS電源的基礎知識梅蘭日蘭電子（中國）有限公司UPS簡介UPS的基礎知識UPS的定義UPS的主要作用UPS的分類和拓撲結構UPS的基本組成UPS的基本運行原理（單機/并機）正常運行方式電池后備運行方式旁路運行方式維修運行方式

UPS的基本技術指標目錄page2UPS的基礎知識UPS的定義UPS是英文UninterruptablePowerSupply的縮寫，中文譯為“不間斷電源”；它是能夠實現兩路電源之間不間斷地相互切換的電氣裝置；從嚴格意義上講，UPS不是一種電源，它不是依靠能量形式的轉換來提供電能，它只是提供一種兩路電源之間無間斷切換的機會，這才是UPS的主要設計思想；UPS的價格之所以昂貴，就是貴在這種不間斷切換的特點上page3UPS的定義UPS是電力電子技術的產品：以電力為對象，以電子技術為手段實現控制的技術稱為電力電子技術。它的主要任務是利用電力和電子器件實現對電能的控制和轉換。從1956年第一只可控硅（SCR）誕生之日起，即進入了電力電子技術的時代。70年代末期由微電子技術與電力晶體管（GTR）技術相結合，進入了現代電力電子技術的時代。現代電力電子技術應用于所有的電氣工程領域，例如：發電廠的儲能設備、直流輸電設備、動態無功補償、電力機車牽引、變頻調速電機、不間斷電源、開關電源、中高頻感應電爐、電視、辦公自動化、通訊、汽車自動化、家用電器等等。page4UPS的基礎知識UPS的主要作用——為什么要使用UPS？隨著電子技術的飛速發展，各種各樣的用電器越來越多，而這其中的絕大部分都是非線性負載(Non-LinearLoad)：從電網提取電流的波形與電壓波形不一致的負載；阻抗隨加在其兩端的電壓而變化的負載；產生諧波電流的負載又稱為畸變負載(DeformingLoads)或污染負載(PollutingLoad);一方面，這些非線性負載給電網帶來了大量的諧波以及其它的干擾，使供電的質量越來越壞;另一方面，一些重要的用電部門，如機場、醫院、銀行等和一些重要的用電設備：如計算機、通訊設備等，對供電質量的要求越來越高:不僅要求不停電，還要求電壓、頻率穩定，還要求波形準確完好。簡而言之，需要有一個干凈或凈化的電源。page5UPS的基礎知識這就使得負載與電網供電質量之間的矛盾日趨加深，必須解決。在諸多的解決電源的方案中，UPS是最好的解決方案UPS的主要作用——解決電網中的騷擾騷擾（disturbance）：任何可能引起裝置、設備或系統性能降低或對有生命、無生命的物質產生損害作用的現象；干擾（interference）：由騷擾引起的設備、傳輸通道或系統性能下降的現象；

從嚴格意義上講，“騷擾”和“干擾”是兩個不同的概念：“騷擾”是一種客觀存在的現象；“干擾”是一種在“騷擾”作用下，使敏感設備受到影響時的現象。（根據GB4824-1996的標準詞匯，選用“騷擾”一詞。）page6UPS的基礎知識UPS的主要作用——解決電網中的騷擾停電：短時間的、長時間的...page7UPS的基礎知識UPS的主要作用——解決電網中的騷擾電壓變化：電壓跌落、過電壓、欠電壓、電壓尖峰、三相不平衡...page8UPS的基礎知識UPS的主要作用——解決電網中的騷擾頻率變化：頻率波動、過高、過低、閃爍...page9UPS的基礎知識UPS的主要作用——解決電網中的騷擾其它騷擾：高頻瞬態沖擊、諧波、電磁兼容性...page10UPS的基礎知識UPS的主要作用——電網中騷擾的解決方案為了消除電網中的騷擾，必須制定有關的供電標準，如：EN50160

定義了歐洲配電系統中的一些正常波動：電壓+10%到-15%(每10分鐘間隔的平均有效值)，其中每周95%的時間必須在±10%的范圍內；頻率+4％到-6%，一年中有99.5%的時間在1%的范圍內。國家標準《電子計算機場地通用規范》（GB/T-2887-2000）中關于機房供配電要求：

頻率：50Hz，電壓：380V／220V，相數：三相五線制或三相四線制／單相三線制：page11UPS的基礎知識page12UPS的基礎知識供電電源的分類：一類供電：指需要建立不停電供電的電源系統從兩個可靠的獨立的變電站各自引入一路供電線路；兩路電源不會同時檢修停電的現象；每條線路平均每月停電次數不大于一次；平均每 次故障時間不應大于0.5小時（供電可用性為99.9％）；兩路供電線路需配有自動切換裝置。page13UPS的基礎知識供電電源的分類：二類供電：指需要建立帶備用的供電系統一路具有上述供電能力的市電輸入；一路用戶自主起動的備用發電機組；市電平均每月停電次數不應大于3.5次；市電平均每次停電不應大于6小時（供電可用性為99％）。page14注：此處供電電源的可用性應是指UPS的輸入端UPS的基礎知識供電電源的分類：三類供電：指一般用戶供電市電平均每月停電次數不應大于4.5次；市電平均每次停電時間不應大于8小時（供電可用性為95％）。page15負載的供電等級一級負載：這種負載是指：如果突然中斷供電，負載將不能工作，其影響將關系到國計民生的大事，或將會導致重大的人身傷亡和惡性事故的發生。例如國防建設、生產、交通運輸、電信、財政、金融、航空管理等部門，一旦因供電突然中斷將會造成難以彌補的重大損失。一級負載應采取一類供電，即對負載建立不停電的電源系統。二級負載：這種負載是指：如果突然中斷，負載將不能正常運行，在一定的程度上造成一定的損失。例如一些科研單位、計算機過程控制的生產單位等。二級負載應采取二類供電，即需要建立具有備用電源的供電系統。三級負載：這種負載是指：一旦因突然中斷供電不會引起過大的損失。UPS的基礎知識2.隔離作用：將瞬間間斷、諧波、電壓波動、頻率波動以及電壓噪聲等電網騷擾阻擋在負載之前，即使負載對電網不產生騷擾，又使電網中的騷擾不影響負載；page16UPS的主要作用1.兩路電源之間的無間斷相互切換；UPS的基礎知識4.頻率變換作用：輸入頻率等于或不等于輸出頻率，如50Hz/50Hz，50Hz/60Hz，包括穩頻作用；page17UPS的主要作用3.電壓變換作用：輸入電壓等于或不等于輸出電壓，如380V/380V，380V/220V，包括穩壓作用；UPS的基礎知識1)和5)是保證對負載供電的連續性；2)、3)和4)是保證對負載供電的質量。page18UPS的主要作用5.提供一定的后備時間：UPS的電池貯存一定的能量，在電網停電或間斷時繼續供電一段時間來保護負載；后備時間為10分鐘、30分鐘、60分鐘或更長。UPS的基礎知識UPS的分類和拓撲結構（1）被動后備式(PassiveStandby，也稱為離線式OFF-Line)組成充電器逆變器電池濾波器/調壓器工作原理見右圖page19UPS的基礎知識UPS的分類和拓撲結構（1）被動后備式(PassiveStandby，也稱為離線式(OFF-Line))應用：小于2KVA的UPS；優點：電路簡單，價格便宜；缺點：頻率不能調節，切換有間斷。page20UPS的基礎知識UPS的分類和拓撲結構（2）線互動式(LineInteractive)組成：靜態開關雙向逆變器電池旁路開關工作原理：見右圖page21UPS的基礎知識UPS的分類和拓撲結構（2）線互動式(LineInteractive)應用：此種配置不太適合作為中-大功率為敏感性負載的電源，因為無法進行頻率的調節。由于這個原因，在除小功率以外的設備中很少采用這種配置。通常小于10KVA，用于非關鍵性負載。優點：電路簡單，價格便宜；缺點：頻率不能調節，動態特性差。page22UPS的基礎知識UPS的分類和拓撲結構（3）雙轉換式(Double－Conversion，又稱為在線式On-Line)基本組成：整流器/充電器逆變器靜態開關(靜態旁路)手動旁路開關(手動維修旁路)電池逆變器串聯在交流輸入和負載之間工作原理：見右圖page23UPS的基礎知識UPS的分類和拓撲結構（3）雙轉換式(DoubleConversion，又稱為在線式On-Line)應用：在這中配置中，由于使用了靜態開關，將負載切換到逆變器所需的時間可以忽略不計；而且，輸出的電壓和頻率完全獨立于輸入電壓和頻率。這意味著這種類型的UPS可以被設計作為頻率轉換器使用。實際上，這種類型是中大功率的主要配置（10KVA以上）。注意：這種類型的UPS常常被稱作“在線式”，這表示負載由逆變器連續供電而不管交流輸入電源的狀態如何。優點：穩壓穩頻、切換無間斷；缺點：價格昂貴。page24UPS的基礎知識page25單機UPS的基本組成1).整流－充電器：由可控硅三相全控整流橋功率電路和相應的控制電路組成。它將電源1輸入的交流電變換成直流電，供給電池組充電及逆變器的輸入。2).逆變器：由IGBT逆變功率電路和相應的控制電路組成。它將整流－充電器輸入的直流電變換為正弦交流電供給負載。3).旁路靜態開關：由反并聯的可控硅功率電路和相應的控制電路組成。它實現負載在逆變器與旁路電源2之間的不間斷切換。4).電池電路：由可充電的電池組組成。將直流能量貯存在電池組中，當電源1停電或超限時，向逆變器電路釋放能量，以對負載進行后備式的供電。5).各種隔離保護裝置：a.Q1：整流器輸入開關；b.QF1：電池電路保護開關；c.Q4S：電源2或靜態旁路輸入開關；d.Q5N：逆變器輸出開關;e.Q3BP：手動維修旁路開關。正常運行方式正常運行方式：提供給負載的所有電力都經過整流/充電器和逆變器的雙重轉換（AC-DC-AC），雙轉換模式因此而得名。整流器/充電器對電池進行浮充電以保持電池處于滿充狀態。UPS的基本運行原理page26電池后備運行方式市電停電或超限、電池放電工作方式：當交流輸入電壓超出UPS允許的容限范圍或市電中斷時，繼續為負載供電。UPS，逆變器和電池無間斷地投入將持續運行直到電池放電時間終止，或在市電恢復正常時回到正常運行方式。page27UPS的基本運行原理恢復充電運行方式市電恢復正常(充電)工作方式：提供給負載的電力都經過整流/充電器和逆變器的雙重轉換，同時整流器/充電器開始給電池進行恢復性充電。page28UPS的基本運行原理旁路運行方式

當停止逆變器時，負載可以無間斷地切換到旁路交流輸入(根據安裝方式的不同由市電或后備電源供電）,引起旁路運行的原因可能是：UPS內部故障；負載電流瞬變電流尖峰(沖擊電流或故障電流)；人為停止逆變器。page29UPS的基本運行原理維修運行方式UPS維修時，通過手動的方式將負載無間斷地切換到維修旁路，這樣可以將UPS的內部進行隔離，在不中斷負載的運行的情況下對UPS進行維護和維修。整流器/充電器，逆變器和靜態開關被關閉并從主電源隔離出來。電池被其保護性斷路器隔離。page30UPS的基本運行原理提高UPS可靠性的方法－熱備份式并聯：可由兩臺不同容量的UPS組成，主機帶重要負載，備機帶次要負載或不帶載；主機到備機的切換無間斷。優點：可靠性最高；連接簡單；后備時間延長。缺點：不能增容；過載能力不能增大。page31UPS的基本運行原理提高UPS可靠性的方法－直接并聯由2到4臺單機型UPS組成，每臺UPS具有各自的靜態旁路，可實現：并聯冗余；并聯增容。優點：并聯簡單；不增大占地；價格適當；負載均分。缺點：所有UPS的旁路必須是同一路電源；可靠性略低。

page32UPS的基本運行原理提高UPS可靠性的方法－公共旁路并聯由2到6臺同等容量的并聯型UPS組成，采用大容量的公共靜態旁路開關柜，以便實現：并聯冗余；或并聯增容。優點：公共旁路過載能力大；可靠性高。缺點：占地面積大；價格昂貴。page33UPS的基本運行原理UPS的常用技術指標——基本技術指標page34主交流輸入主輸入電壓U1：380V±15%主輸入頻率F1：50Hz±10%輸入范圍越寬，對市電的要求越低，電池放電的機會越少，受市電影響也越小。啟動電流：小于In（額定電流）UPS應具有斜坡啟動的功能，以減小啟動電流對電網的沖擊，造成輸入開關跳閘。輸入功率因數PF：0.8(SCR-6p)或0.9(SCR-12p)，0.95(SCR+IGBT)，0.99(PFC+IGBT)輸入電流諧波總失真度THDI：>30%(SCR)，20%到30%(SCR+IGBT)，<10%(SCR-12p)，<5%(PFC+IGBT)THDI越大，對電網注入的諧波含量越大，特別是使用發電機時應注意。UPS的常用技術指標——基本技術指標page35旁路交流輸入旁路輸入電壓U2：380V±10%旁路輸入頻率F2：50Hz±10%輸入范圍越寬，要求負載的輸入范圍也越寬短路電流ISC2：xxKA表示靜態旁路的短路承受能力，對下線的保護裝置很重要注：建議主電源與旁路電源采用分離供電方式，因為這樣能提高系統的整體可靠性；但如果主低壓開關柜中沒有兩個分離的回路時，主交流輸入和旁路交流輸入也可以由同一主電源提供(分為二根電纜)。UPS的常用技術指標——基本技術指標page36UPS交流輸出穩態輸出電壓：380V+0.5%到+3%輸出電壓越精確,對計算機的供電越穩定，但IEC標準僅要求小于5%,計算機即可接受同步跟蹤速率：0.5Hz/秒到2Hz/秒同步速率越快，輸出電壓的波動也越大，有利于熱備份聯結；同步速率越慢，對輸出電壓的波動也越小，有利于直接并聯動態響應：+5%，恢復時間10到20毫秒動態電壓越小，表示動態調整能力越強，適應負載變化的能力越強；響應時間越短，表示恢復速度越快，適應非線性負載的能力越強輸出功率因數：0.8滯后，(IEC標準)輸出電壓總諧波失真度THDU：2%到5%（線性負載或非線性負載）UPS的常用技術指標——基本技術指標page37UPS交流輸出三相輸出電壓不平衡度——在100%不平衡負載電流下的最大不平衡電壓：30%不平衡度時小于+1%，100%不平衡度時小于+5%輸出電流峰值因數：大于等于3：1峰值因數高，則承受非線性負載的能力強逆變器過載能力：125%－10分鐘；