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UPS種類、功能、原理

什么是UPS

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

為什么用UPS

UPS的四大功能

1、不停電功能，解決電網停電問題；

2、交流穩壓功能，解決網壓劇烈波動問題；

3、凈化功能，解決電網與電源污染問題；

4、管理功能，解決交流動力維護問題；

UPS的主要功能:

實現電網與用電器之間的隔離；

實現兩路電源的不間斷切換；

提供高質量電源；

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：單進單出UPS、三進單出UPS、三進三出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：

電池內置式UPS（標準機型）

電池外置式UPS（長延時機型）

按多機運行方式不同，UPS分為：

串聯熱備份UPS（用于中小功率機器）

交替串聯熱備份UPS（中小UPS)

直接并聯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（準正弦波）UPS、正弦波輸出UPS。

 

 

UPS系統結構及原理

 

監控平臺也是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，市電通過開關后直接供給負載，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供給負載。

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，實現分段穩壓。

功率等級0.7-20KVA左右

在線式UPS運行原理

不管電網電壓是否正常，負載所用的交流電壓都要經過逆變電路，即逆變電路始終處于工作狀態。

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穩壓功能，主變換器是雙向變換器。不能穩定頻率。

功率等級10-480KVA左右

四種UPS的比較

 

UPS供電系統

一個完備的UPS供電系統，是由前端配電（市電，發電機，配電柜），UPS主機、電池、后端配電組成，附加后臺監控或網絡監控軟/硬件等單元。

 

UPS監控系統組成

UPS網絡監控系統＝智能UPS＋網絡＋監控軟件

網絡監控軟件含以下三部分：

SNMP卡

監控臺軟件

安全關機程序

UPS監控組網

UPS品質選擇與配置選擇

UPS品質選擇

UPS－負載：輸出/整機指標

輸出電壓標準及精度（220/380VAC±1％）

輸出頻率標準及精度（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%不平衡負載,電壓不均衡＜±5%）

動態響應(100％負載，瞬態電壓波動<5%,恢復時間：≤20ms)

效率(90－94%)

噪音(50－75db）

環境指標(溫度0～40℃），濕度，海拔<1000米）。

UPS整機指標－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UPS的效率：

SCR整流（99％）×IGBT逆變（96％）×輸出TX（98％）=93％

12脈沖傳統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（關機截止電壓設定及調整，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：額定負載后備時間T

75％額定負載1.6T; 50％額定負載2.5T; 33％額定負載4T

充電能力及充電時間：10％～25％額達容量充電能力

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）

適用環境：商業級、工業級、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）、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）、盛萊斯特（Leist）賽康、復華、優瑪、寶合、四通、 Best、伽馬創力、雷洛士、Powerland（寶蘭）、山頓（Sendon）、勁達（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

容量及機型選擇

用戶負載量,冗余度

負載性質：IT類、電感性負載、使用環境－諧波、變壓器

機房配電設計：進線方式

機型成本及競爭優勢。

用戶負載量；UPS輸出冗余度（70～80％）

負載峰值因素（3：1）不能超過逆變器過載能力

負載視在功率（KVA）不能超過UPS額定功率*功率因素折算系數

三相負載不平衡度<30%。

工業級UPS

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

結構：輸入輸出雙隔離、鋼板機箱、高IP防護等級。

適用領域：鋼鐵、化工、電力、汽車、造紙、煤炭、石油、隧道

負載類型：重載機械、生產線設備、DCS系統等。

UPS 工作損耗、通風量、空調配置

滿載損耗（KW）＝kVA Cos×（6～7.5％）空調制冷量

UPS容量	40KVA	80KVA	100KVA	160KVA	200KVA	300KVA	400KVA	600KVA	800KVA
通風量立方米/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電池恒功率數據：

3、根據廠家恒功率放電數據表選擇滿足計算結果的電池規格。

 

配電部分：線纜及開關

輸入開關容量及線纜規格：

三相電工速算法:輸入電流(A)＝1.8XKVA ,開關系數X1.2

單相電工速算法:輸入電流(A)＝5XKVA ,開關系數X1.2

輸出開關容量及線纜規格：

三相電工速算法:輸出電流(A)＝1.5XKVA ,開關系數X1.2

單相電工速算法:輸出電流(A)＝4XKVA ,開關系數X1.2

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

電纜長度與壓降：如70mm 線阻0.26?/km

零線及地線規格：零線＝1～1.5倍相線，地線＝相線

配電部分：電纜及開關規格

電纜額定電流簡單算法

電纜規格	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：實現零線電氣隔離

UPS維護的一般要求

1、UPS主機現場應放置操作指南，指導現場操作。

2、UPS的各項參數設置信息應全面記錄、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、經常檢查設備的工作和故障指示是否正常。

7、定期查看UPS內部的元器件的外觀，發現異常及時處理。

8、定期檢查UPS各主要模塊和風扇電機的運行溫度有無異常。

9、保持機器清潔，定期清潔散熱風口、風扇及濾網。

10、定期進行UPS電池組帶載測試。

11、各地應根據當地市電頻率的變化情況，選擇合適的跟蹤速率。當輸入頻率波動頻繁且速率較高，超出UPS跟蹤范圍時，嚴禁進行逆變/旁路切換操作。在油機供電時，尤其應注意避免該情況的發生。

12、UPS應使用開放式電池架，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：

主要內容有：檢查控制面板，確認所有指示正常，所有指示參數正常，面板上沒有報警；檢查有無明顯的高溫、有無異常噪聲；確信通風柵無阻塞；調出測量的參數，觀察有無與正常值不符等。

2 UPS周檢項目：

周檢的主要內容有：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，應記錄下新增負荷的大小、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的可靠性。為了保證電池的服務壽命，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重要的因素。

UPS電源對電池自動管理包括自動均浮充轉換控制、電池預告警關機、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功能，同時還具備電池故障檢測、電池放電后備時間預測及電池特征曲線管理。

自動均、浮充轉換

電池充電過程能自動根據電池電流實現均充、浮充自動轉換，設定的均充轉浮充判據為：I≤0.01C。

2 電池浮充電壓溫度補償：（以2V電池為例）

電池在浮充狀態下，浮充電壓可以根據溫度進行補償，溫度補償以20℃為中心點，在10℃-40℃內全補償，計算公式：

溫度T>40 ，T=40 ；若T<10，T=10

電池平均單體電壓應調節為：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，可以根據不同電池在初次上電時進行設置，默認為2.23V。對均充電壓不補償，默認的單體均充電壓為2.35V。

3 均充限時：

如果連續12小時處于均充狀態，控制系統將強制轉浮充狀態，此設置的條件是均充時間達到設定值時，自動轉為轉浮充狀態。

4 放電管理：

設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。人工測試的方法可參考直流供電系統中蓄電池的容量測試方法進行。下面對UPS的自動測試功能進行介紹。

該測試只有在以下情況下才能進行：

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以下三點設置：

時間間距（測試周期可設定為10天D150天）

電池自動測試的日期和時間

電池有問題時默認的報警方式

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，而在逆變器關機電壓以上，如果電池在規定負載和規定時間內可以按要求放電，UPS就給出一個肯定的信號，表明電池是好的；如果電池在規定負載和規定時間內不能按要求放電，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輸入空開或開關損壞或保險絲熔斷。

5）UPS內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電機供電。

4）更換損壞的空開、開關或保險絲。

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，負載也跟著斷電。

可能原因

1）由于市電經常低壓，電池處于欠壓狀態。

2）UPS充電器損壞，電池無法充電。

3）電池老化、損壞。

4）負載過載，UPS旁路輸出。

5）負載未接到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面板控制開關未打開），負載由市電旁路供電。

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、啟動發電機對電池充電。

C、在UPS輸入端加穩壓器。

2）檢查充電器。

3）更換電池。

4）減少負載。

5）將負載接到UPS的輸出。

6）檢查電池組是否接對、接好。

7）啟動逆變器對負載供電（打開面板控制開關）。

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內部開機電路故障。

4）UPS內部電源電路故障或電源短路。

5）UPS內部功率器件損壞。

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蜂鳴器長鳴告警。

可能原因

1）用戶有大負載或大沖擊負載啟動。

2）輸出端突然短路。

3）UPS內部逆變回路故障。

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內部控制電路。

6 UPS工作正常但負載設備異常。

可能原因

1）UPS輸出零地電壓過高。

2）UPS地線與負載設備地線沒接在同一點上。

3）負載設備受到異常干擾。

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地與負載地接到同一個點上。

3）重新啟動負載設備。

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