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UPS的分类及运行方式探讨

更新时间:2018-04-27 点击数:913

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本文简要介绍了UPS的技术指标、UPS电源的分类及UPS的运行方式。


一、 引言
  
  随着科学技术的进步,计算机网络、通信业的快速发展,使用者对电源供应系统的要求越来越高。而公共电力系统中存在许多不稳定因素,如电压幅值、频率不稳定、浪涌、尖峰信号、线路噪音及各种*,这些不稳定因素有时会影响负载的正常工作甚至损坏负载,这些情况下,采用适合现场使用工况的UPS,都能发挥很好的作用。但在选用UPS系统供电时,不但要满足实用、可靠,还要考虑各种结构UPS的局限性和不足之处。  
   Uninterruptable Power System,意为不间断电源,顾名思义,就是当停电时能够接替市电持续供应电力的设备。
  
  二、UPS技术指标
  
  随着UPS产品的技术不断发展与完善,现在UPS产品已日趋成熟。现代UPS可以达到的优越技术指标,使得在市电的任何恶劣条件下,都能保证用电设备对电源质量的要求。这些技术要求主要包括:
  
  (1)市电宽幅的电压波动对其影响;
  
  (2)市电电压波形失真对其影响;
  
  (3)市电的三相不平衡对其影响;
  
  (4)UPS输出电压稳定精度;
  
  (5)UPS输出电压波形失真度;
  
  (6)UPS输出频率稳定度;
  
  (7)UPS输出电压平衡度;
  
  (8)UPS输入功率因素;
  
  (9)UPS电流输入谐波成分;
  
  (10)UPS在市电掉电后切换时间;
  
  (11)UPS整机运行效率;
  
  (12)UPS输出的过载能力;
  
  (13)UPS输出电流的THD系数;
  
  (14)市电掉电后的UPS维持工作时间;
  
  (15)UPS是否具有网络管理、网络通讯以及基于该基础上的信息通信;
  
  三、UPS电源的分类
  
  UPS电源从运作方式上可分为动态式和静态式两种。动态式UPS由整流器、电池、直流电动机、柴(汽)油机、飞轮和发电机组构成,是UPS的较早形式,具有稳定可靠,维护技术比较简单的优点。但设备庞大笨重,效率低,噪声大,目前已应用不多。通常人们所指的UPS大都指静态式UPS,静态式UPS采用了大功率逆变技术和强电流电子开关,实现大功率的电能转换,更能适应于当今IT行业、自动化控制和精密仪器等的普遍应用。
  
  静态UPS可以以内部结构、输出波形、容量、后备时间来分类,其中按照内部结构分为后备式、双逆变在线式及在线互动式。以内部结构分类是现行最被接受的,并以此来判定不同品牌的UPS的优劣,本文主要以该种方式来描述。
  
  1.后备式
  
  当市电正常供电时,直接供应给负载使用,同时有一回路经充电回路对电池组充电。若市电的电压不稳定或市电发生异常.则由UPS的变流器提供稳定的电力给负载使用。多数此类产品的输出波形皆为方波或阶梯波。
  
  后备式结构其内部电路设计上相当简单,而且在实际上运作的过程中,交流输入电源直接输出至电源输出端,几乎没有电力损耗,输出效率可达98%以上。但在执行一般性的电源输出入动作时,当外部所提供的输入电源品质不佳(电压不稳、频率变动、杂波、扭曲等因素),在输出端也会以同样状态来输出电源。所以往往在交流旁路上配置了交流稳压电路和滤波电路加以改善,提高了UPS双向抗*功能。其主要特点是:当UPS发现外部发生停电情形,切换至内部电池输出电力的所需时间一般为4ms——10ms,对一般的计算机设备的工作不会造成影响。由于输出有转换开关,受切换电流能力和动作时间的限制,UPS工作时输出波形大都为方波,供电质量相对较差。UPS输出功率做大有一定困难,只适用于要求不高的场合,并且功率一般都较小,多在2kVA以下。但后备式UPS产品有着价格优势,比较便宜。
  
  2.双逆变在线式
  
  在线式UPS电源一般采用双变换模式。即使在电网电压正常供电时,UPS的输出,也是将外来电压经过本身的加工转换后再供给负载,也就是说,当市电正常供电时.市电经滤波回路及突波吸收回路后,分为两个回路同时动作,其一是经由充电回路对电池组充电,另一个则是经整流回路,作为变流器的输入,再经过变流器的转换提供净化过的交流电力给负载使用;此时若市电发生异常.变流器的输入则改由电池组来供应,变流器持续提供电力,达到完全不断电。
  
  由此可知,不论市电电力质量如何,其输出均是稳定且纯净的正弦波电源。双逆变在线式UPS电源的供电质量明显优于后备式UPS电源,因为它从根本上消除了来自电网的电压波动和*对负载的影响,真正实现了对负载的无*、稳压、稳频以及零转换时间。双逆变在线式UPS的这种特点。使它比较适合于用外加电池或加装优质发电机的方法,改装成长时间不间断供电系统,所以它多被用在供电质量要求很高的场所。但是无论市电有无,全部负载功率都由逆变器供出,UPS的功率余量有限,输出能力不理想,所以对负载提出限制条件,例如输出电流峰值系数(一般只达到3:1),过载能力、输出功率因数(一般为0.8)、输出有功功率小于标定的功率数,应付冲击性负载的能力等;同时整流器多为整流电路,对电网形成电流谐波*,输入功率因数低,经滤波后,最小的谐波电流成分在10%左右,而输入功率因数只有O.8左右,如果在整流器中使用功率因数校正技术,则可把输入功率因数提高到接近1,输入电流谐波成分也会大幅度降低;还有在市电存在时,由于两个逆变器都承担100%的负载功率,所以整机效率低,10kVA以下的UPS为80%左右,50kVA的可达85%~90%,l00kVA以上的可达90%~92%。
  
  3.在线互动式
  
  介于后备式和在线式工作方式之间的UPS设备,当市电电源在约l50V~264V的范围内,它向用户提供经铁磁谐振稳压器或经变压器抽头调压处理的一般市电电源对于这种UPS来说,仅仅当市电电源电压低于150V或高于264V左右时,它才有可能向用户提供真正的“UPS逆变器高质量的正弦波”电源。
  
  在线互动式集中了后备式UPS效率较高和在线式UPS供电质量高的优点。其原理与后备式不断电系统相去不远,主要不同在于此类产品将充电回路与变流器整合为双向转换回路,采用了铁磁谐波变压器,可自动监测输入电压是否符合于正常范围内,如有偏差可由稳压电路升压或降压,提供较稳定之输出电压因此在线互动式UPS也有转换时间,比后备式UPS短。同后备式UPS相比,在线互动UPS的保护功能较强,逆变器输出电压波形较好,一般为正弦波,逆变器与输出直接接在一起,没有转换开关的限制,所以输出功率可提高到5kVA~10kVA,而其最大的优点是具有较强的软件功能。考虑到与充电逆变器共用一个模块,在给电池充电时,由逆变器产生的高频成分很难滤掉,充电效果不是非常令人满意,故不适合作长延时的UPS。在线互动式UPS价格远远低于在线式UPS,只比后备式UPS价格稍高,也是一种适合小型办公或家庭使用的UPS,为了进一步改善在线互动式的功能,可在输入开关和智能调压之间串接一个电感,串联电感对逆变输出反馈到电网的电流有很强的抑制作用。避免了输入开关未断开时短路逆变器输出的危险,当市电掉电时,逆变器可立即向负载供电,也可以使在线互动式的转换时间减小到零,使其完全具备双逆变在线式的转换功能,同时还增加了整个UPS的抗*能力。但是,这样做却带来了降低UPS输入功率的不良后果。
  
  4.双逆变电压补偿在线式
  
  双逆变电压补偿技术也称为Delta技术,是目前国际上最领先的技术。它成功地将交流稳压技术中的电压补偿原理运用到UPS的主电路中,当市电存在时,两组逆变器只对输入电压与输出电压的差值进行调整和补偿,逆变器承担的最大功率仅为输出功率的20%。这就增强了UPS的输出能力和过载能力,不再对负载电流波峰系数予以限制,可从容地对付冲击性负载,输出有功功率可以等于标定的功率值。总而言之,Delta技术的运用,不仅弥补了原来在线式的不足,还使得许多主要指标有了新的突破。
  
  逆变电压补偿在线式同样是双逆变电路结构和在线工作,当市电存在时。整流器和变流器只对输入电压与输出电压的差值进行调整和补偿,逆变器负担的最大功率(当输入电压处于上限和下限时)仅为输出功率的20%(相当于输入电压变化范围),所以功率强度很小(1/5),功率余量大,这就大大增强了UPS的输出能力,提高了整机效率(很大的功率范围内都可达到96%),乃至元器件、整机的寿命和可靠性;与双逆变在线式相比,过载能力增强(200%,lmin)。整流器同时完成了对输入端的功率因数校正功能,使输入功率因数等于l,输入谐波电流降到3%以下。
  
  四、UPS运行方式
  
  UPS有四种操作运行模式:正常操作模式、停电模式(电池供电)、备用电源模式和维护旁路模式。
  
  1、 正常操作模式:在正常交流电源供应下,整流器将交流电转换为直流电源后,供电给逆变器并同时对电池充电。在将交流电整流为直流电时,整流器能将市电中所产生的异常波形、噪声及频率不稳定等问题消除,使逆变器提供更稳定的电源给负载。
  
  2、 停电模式:当交流电源发生异常或整流器、电抗器故障时,电池组提供电能给逆变器,使交流输出不会有中断现象,进而达到保护输出负载的作用。
  
  3、 备用电源模式:当逆变器发生异常状况如逆变器保险丝熔断、元件温度过高、短路等故障时,逆变器会自动切断以防止损坏,若此时旁路交流电源正常时,静态开关会将电源供应转为由旁路备用电源输出给负载使用。
  
  4、 维护旁路模式:当UPS要进行维修或更换电池而且负载供电又不能中断时,可以先切断逆变器开关然后激活旁路开关,再将整流器和备用电源开关切断。在手动维护旁路转换的过程中,交流电源经由维护旁路开关继续供应电源给负载,此时,维护人员可以安全地对UPS进行维护。
  
  在UPS的使用过程中尤其不能忽视的是维护检修工作,再好的设备也有寿命,也会出现各种故障,不能因为其高智能、免维护或者是进口设备而忽略了本应进行的维护工作,预防在任何时候都是安全运行的重要保障。
  
  五、结束语
  
  不间断电源UPS及以它为核心的供电系统被设置在市电电网与负载设备之间,目的是改善对负载的供电质量,在市电故障时,保证负载设备的正常运行,升通过智能管理、智能监控和网络通信实现对整体电力基础设施的保护,成为一个有强大管理功能的信息技术设备,已经完全融于企业信息系统,并成为其中不可缺少的一部分。


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