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的主要作用:

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

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）、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

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）

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

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基礎維護

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―150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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