UPS知识详解

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UPS知识详解一、UPS的种类及工作原理
   
    UPS是一种含有储能装置，以逆变器为主要元件，稳压稳频输电出的电源保护设备。当市电正常输入时，UPS就将市电稳压后供给负载使用，同时对机内电池充电，把能量储存在电池中；当市电中断(事故停电)或输入故障时，UPS将机内电池的能量转换为220V交流电继续供负载使用，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。日前市场上供应的UPS电源设备种类较多，输出功率为500VA～3000kVA。UPS按工作模式可分为后备式、在线式和在线互动式3大类，按其输出波形又可分为方波输出和正弦波输出两种。
   
    1. 后备式UPS电源
   
    在市电正常供电时，市电通过交流旁路通道再经转换开关直接向负载提供电源。机内的逆变器处于停止工作状态，这时的UPS电源实质上相当于一台性能较差的市电稳压器。它除了对市电电压的幅度波动有所改善外，对电压的频率不稳、波形畸变以及从电网侵入的干扰等不良影响基本上没有任何改善。只有当市电供电中断或低于170V时，蓄电池才对UPS逆变器供电，并向负载提供稳压、稳额的方波交流电源。
   
    2. 在线式UPS电源   
    在市电正常供电时，它首先将市电交流电源经整流变成直流电源，然后进行脉宽调制、滤波，再将直流电经逆变器重新转换成正弦波交流电源向负载供电。一旦市电中断，立即改由蓄电池提供的直流电经逆变器向负载提供正弦波交流电源。因此，对在线式UPS电源而言，在正常情况下，无论有无市电，它都是由UPS电源的逆变器对负载供电，这样就避免了所有由市电电网电压波动及干扰而带来的影响。显而易见，在线式UPS电源的供电质量明显优于后备式UPS电源。因为它可以实现对负载的稳频、稳压供电，而且在由市电供电转换到蓄电池供电时，其转换时间为零。真正给用户提供优质的稳压、稳频的纯净正弦波电源，从而提供符合网络系统需要的电源保护。
   
    3. 在线互动式UPS电源
   
    在线互动式UPS电源也被称为3端口式UPS电源，使用的是工频变压器。从能量传递的角度来考虑，其变压器存在3个能量流动的端口：端口1连接市电输入；端口2通过双向变换器与蓄电池相连；端口3输出。市电供电时，交流电经端口1流入变压器，在稳压电路的控制下选择合适的变压器抽头接人，同时在端口2的双向变换器的作用下借助蓄电池的能量转换共同调节端口3上的输出电压，以此来达到比较好的稳压效果；市电掉电时，蓄电池通过双向变换器经端口2给变压器供电，维持端口3上的交流输出。在线互动式UPS电源在变压器抽头切换的过程中，双向变换器作为逆变器方式工作。蓄电池供电，因此能实现输出电压的不间断，同样在由市电供电到电池供电的切换过程中也能做到没有转换时间。在线互动式UPS电源的电路实现简单，没有单独的充电器，带来的是生产成本的降低和可靠性的提高。这类产品在市电供电工作时也不存在AC／DC、DC／AC的转换，使整机效率有所提高。在线互动式UPS很好地结合了后备式UPS和在线式UPS的许多优点，是一种很不错的变换形式。但是由于它使用的是工频变压器，同样有笨重、体积大的问题。
   
    二UPS的选择
   
    UPS的选用应当考虑以下几个重要因素。
   
    1. UPS的容量
   
    它的确定取决于负载功率的大小。负载功率可用估算法进行简单计算，应把各个单项负载的功率加起来得到的和乘以一个保险系数k(k一般取1.3)作为总的功率负载，再以该负载功率为基数考虑为以后扩充设备留一定的余量，即可确定所需UPS的容量，其单位是VA、kVA。
   
    2. UPS的相数
   
    目前，UPS的相数类型有：三相输入/三相输出、三相输入／单相输出和单相输入／单相输出3种。用户可根据负载的具体情况及使用要求进行选择，通常大功率的UPS(100kVA以上)都是三相输入/三相输出；中、小功率的UPS(30kVA以下)均为单相输入／单相输出。三相输出电源设备结构复杂，价格较高，因此在满足负载要求的情况下(通常情况下负载均为单相)，宜优先选择单相输出的UPS；对三相输入来说，有些负载的工作电流较大，且要求电流波动小，这时可选择三相电源输入的UPS，可使系统工作状态更加稳定。
   
    3. UPS的类型
   
    对一般计算机而言，选择后备式UPS即可。虽然这种UPS电源切换时间较长，对计算机有瞬间的电流冲击，但一般计算机的电源均能承受。后备式UPS电源的电压稳定，价格便宜。一些重要行业和部门的网络计算机最好选择在线式UPS，以保证系统的绝对安全。
   
    4. UPS的保护时间
   
    即UPS的蓄电池能够持续供电时间。用户选择UPS时，可根据所在地的供电情况来综合考虑，如果供电正常，只是偶尔有瞬时停电的情况，选择普通的后备式UPS即可；如果停电的时间较长，所选的UPS的最短持续供电时间应足以保证用户能够做好停机前的所有工作。
   
    5. UPS的品牌
   
    UPS产品市场发展很快，各种品牌的UPS充斥市场，产品质量参差不齐，用户在选择时，一定要货比三家，睁大慧眼，三思而后行。
   
    三、UPS的维护
   
    (1) 新购置的UPS在使用前，应根据产品使用说明书，对其后备蓄电池进行均衡充电，以延长其使用寿命，充电时间一般为12 h～48 h。对于长期闲置不用的UPS，应每月充电1次，时间保持在10 h～20 h左右。
   
    (2) 使用UPS电源时，应按照产品说明书中的有关规定操作，保证所接的火线、零线、地线符合要求，用户不得随意改变其相互的顺序。
   
    (3) 对长期处于只充电不放电的UPS，为了防止蓄电池老化，应每隔2个月～3个月人为地中断电源，让UPS的蓄电池放电3min～5min，以达到激活电池的目的。应当注意的是。非迫不得已不要让UPS深度放电，因为一般UPS的蓄电池允许深度放电的次数只有200次～500次。
   
    (4) 严格按照正确的开机、关机顺序操作，避免负载突然加载或突然减载，造成电压输出波动大，电源无法正常工作。
   
    (5) 不要频繁地关闭和开启UPS电源，一般在关闭UPS电源后，至少等待6s才能再开启UPS电源。
   
    (6) UPS电源的最大启动负载应控制在80％之内，如果超载使用，时常会击穿逆变三极管。
   
    (7) 定期清除UPS电源机内的积尘，测量蓄电池组的电压。要及时更换不合格电池，检查风扇运转情况及检测调节UPS的系统参数等。
   

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    四、UPS技术现状   
    1. 国内外UPS研究状况
   
    由于UPS技术是一项实用技术，国内外各大电源公司、生产厂家以及科研院所都在对其进行研究。国外已经将许多先进技术应用到实际系统中，生产出了许多知名品牌的UPS。国内对UPS先进的关键技术的研究，主要集中在少数知名院校，且大多数处在实验阶段，没能将它们应用到实际系统中去。从目前国内市场上看，国内生产厂商基本不能生产大型UPS，国内的大型UPS市场几乎全部被国外公司占领。对于中小型UPS来说，虽然国内许多生产厂家可以生产，但其产品的可靠性和性能远远不如国外的同类产品，整个中小型UPS市场90％以上都被国外公司占领。
   
    2. UPS的关键技术探讨
   
    UPS按其容量大小不同可以分为30kVA以上的大功率UPS、5～30kVA的中功率UPS和5kVA以下的小功率UPS。大功率UPS在技术、工艺、制造等多方面的难度也超出了中小功率的UPS，目前只有一些世界知名公司有设计和制造能力，它作为电力电子行业的尖端产品，成为衡量一个电气公司技术水平的重要标志。大功率UPS的关键技术如下：

• 逆变技术

逆变器是整个UPS的核心。对于UPS逆变器的电路结构，主要有以下几种：
   
    (1) 工频机的逆变器
这种逆变器结构的优点是给用户提供了真正的隔离电源，具有谐波抑制作用，可以提高单相负载过载能力；缺点是输出三相电压相互耦合无法独立控制以及装置体积大。
   
    (2) 高频机的逆变器
高频机逆变器的优点是输出电压可以独立控制，装置体积小；其缺点是输入输出不隔离，导致可靠性和安全性变差，并且输出电压有一定的直流成分。
   
    (3) 新型的在线式互动技术
这种逆变器兼有高频机的优点和缺点。
   
    (4) 四桥臂变换技术
这种技术正处在研究之中，它可以使输出三相电压独立控制，但是其控制模型在多面体内运动，算法复杂。
总的来说，逆变器的拓扑结构近年来没有大的突破。为了提高整个UPS的性能，更多的集中在UPS逆变器控制技术研究上。当今逆变器的数字化控制方法成为交流电源领域的研究热点，出现了多种离散化控制方法，包括数字PID控制、状态反馈控制、无差拍控制、重复控制、模糊控制、神经网络控制等方法。上述各种控制方案都有其优势，但是也有其不足。为了使UPS具有较好的鲁棒性、稳态精度、动态响应速度、输出电压波形畸变率等，一种必然的发展趋势是各种方法相互渗透，互相结合形成复合控制力案。复合控制是UPS逆变器的一个发展方向。

• 整流技术

传统三相大功率UPS一般采用晶闸管整流技术，在大功率段一般采用12相甚至24相整流技术。晶闸管整流的优点在于原理简单、控制方法成熟、效率高，但是谐波电流大。为了防止对电网构成污染，一般采用滤波器技术，可将12脉冲整流的输入谐波电流降到6%以下。随着大容量全控器件的发展及控制水平的提高，近年来出现了采用IGBT的高频整流技术，由于这些电路结构可以不断运用各种新的数字控制方法，它的功率因数可以达0.99以上，谐波电流小于3%，是一种真正的绿色电源，近年来开始成为研究的热点。整流技术的热点主要集中在电压型三相整流技术和电流型三相整流技术两种方案。

• 并联技术

在某些特殊场合，如大规模IDC、机场等，要求UPS的容量达到数兆伏安。由于功率器件和散热工艺等方面的限制，必须将UPS并联才能达到所需的容量。并联技术的核心是各并联部分的均流问题。UPS的并联比一般的直流电源并联要复杂的多，它必须满足以下三个条件：（1）、每个逆变器的输出电压的幅值必须相等。（2）、每个逆变器的输出电压的频率必须相等。（3）、逆变器的输出电压的相位必须一致。采用并联技术可以形成具有容错功能的冗余式供电系统。从目前掌握的资料来看，有以下几种冗余配置方案：（1）集中式并联。（2）从式并联控制。（3）分散式控制。（4）环链式控制。（5）无线式控制。这几种并联方式，从可靠性的角度看，集中式最差，无线式控制最好。
五、UPS最新发展动态
采用微机控制实现UPS的智能化和网络化；采用全数字控制手段控制UPS，使UPS能有效地满足各种负载的要求(如非线性负载、三相不平衡负载)，即向数字化发展；提高逆变器的开关频率，应用新型开关器件实现高效率，采用功率因数校正装置，减少谐波，从而实现UPS的绿色化；采用冗余并机技术提高UPS的容量和可靠性，即实现大容量UPS的单相冗余化。
   
    1. UPS的智能化、网络化
为了适应计算机网络的发展，UPS中已经开始配置RS232接口、RS 485接口、SNMP卡和MODEM结合，成为计算机网络的一部分，具有以下优异的特性：

    (1) 实时监控功能

它对UPS电源的各模拟参量(市电的输入电压、电流和功率因数，电池组的充放电电压、充放电电流，逆变器的充放电电压、电流、功率因数及波形失真度，逆变器电源和交流旁路电源的相位差和瞬态电压差等运行参数)进行实时高速采样，实现数字式监控。类似的，对UPS中的表示工作状态的开关量(主电源与交流旁路电源的输入与否，断路器的接通与断开，输入保险丝是否完好，电池组短路开关及静态开关的接通与断开等)进行实时监控。

    (2) 自诊断、自保护功能

    UPS将实时采集来的各项模拟参量和工作状态数据以及系统中的关键硬件设备的数据与正常值进行分析比较，以判断UPS电源是否有故障隐患存在。如果有故障，根据相应的故障信息级别在控制面板的显示屏上以友好的图形界面、文字提示方式报警，或者在现场和控制室以指示灯光、报警器鸣叫方式报警，也可以用自动拨通电话等方式报警，并作出相应的保护动作。

    (3) 人机对话的控制方式

大型UPS电源可向用户提供监控器液晶显示屏，以图形和文字方式显示工作流程和参数信息。可以提供让用户操作的可视化菜单。并以帮助和不断提示的方式引导用户按照既定方式处理故障，有效防止误操作。

    (4) 远程控制功能

由于UPS和计算机网络融为一体，在远离UPS电源机房的计算机网络上的任一个管理平台上经过身份校验后，可以对访问网络中的任一个UPS电源的各种资料进行远程控制，从而实现电源机房的无人值守。
   
    2、UPS的数字化
最初的UPS采用模拟控制方法有以下局限性：①电路结构复杂，元器件多，因器件特性差异造成各电源特性有所差别，电源一致性不好。②一旦控制方法变动，必须修改硬件控制板，工作量大，设计周期长。③因为硬件电路的局限性，一些先进的控制方法用模拟电路实现很困难或者无法实现。
随着数字处理器计算速度的不断提高，使得各种先进的控制方法得以实现，使UPS的设计具有很大的灵活性，设计周期缩短，性能大为提高。
   
    3、UPS的高频化
提高UPS逆变器的开关频率，可以有效地减小装置的体积和重量，并可消除变压器和电感的音频噪声，同时改善输出电压的动态响应能力。在UPS输入端采用高频整流，可以获得较高的功率因数，较低的谐波电流，使UPS具有较好的输入特性。采用高频隔离可以取掉笨重的工频隔离变压器，进一步减小装置的体积和重量。
   
    4、UPS的并联技术
当今UPS电源的发展趋势是大功率化和高可靠性。虽然现在可以生产几千kVA的大型UPS，完全可以满足大功率要求的场合。但是，这样整个系统的可靠性完全是由单台电源决定的，无论如何是不可能达到很高的。为了提高系统的可靠性，就必须采用冗余式并机方式，因而UPS的并联技术在近几年得到了很大的发展。
   
UPS的并联技术可以带来以下几个方面的好处：

    ① 可以灵活地扩大电源系统的容量。
    ② 可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性。
    ③ 极高的系统可维修性，当单台电源出现故障时，可以很方便地通过热插拔的方式进行更换和维修。