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一文读懂UPS不间断电源

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一、UPS种类、功能、原理

 

1什么是UPS

 

 UPS-Uninterrupted Power System;利用电池化学能作为后备能量,在市电断电等电网故障时,不间断地为用户设备提供(交流)电能的一种能量转换装置。

 

2为什么用UPS

 

UPS电源的四大功能:

 

1、不停电功能,解决电网停电问题;

 

2、交流稳压功能,解决网压剧烈波动问题;

 

3、净化功能,解决电网与电源污染问题;

 

4、管理功能,解决交流动力维护问题。

 

UPS的主要用处:

 

1、实现电网与用电器之间的隔离;

 

2、实现两路电源的不间断切换;

 

3、提供高质量电源;

 

4、压变换和频率变换功能;

 

5、停电后提供后备时间。

 

3UPS种类

 

按工作原理不同,UPS分为:

 

 离线式(后备式UPS、互动式UPS)

 

 在线式UPS

 

按供电体系不同,UPS分为:

 

单进单出UPS

 

三进单出UPS

 

三进三出UPS

 

按输出功率不同,UPS分为:

 

 微型<6kVA

 

 小型6-20kVA

 

 中型20-100kVA

 

 大型>100kVA

 

按电池位置不同,UPS分为:

 

 电池内置式UPS(标准机型)

 

 电池外置式UPS(长延时机型)

 

 按多机运行方式不同,UPS分为:

 

 串联热备份UPS(用于中小功率机器)

 

 交替串联热备份UPS(中小UPS)

 

 直接并联UPS(用于中大功率)

 

按变压器特点不同,UPS分为:

 

高频UPS电源(高频机)

 

工频UPS(工频机)

 

按输出波形不同,UPS分为:

 

方波输出UPS

 

阶梯波(准正弦波)UPS

 

正弦波输出UPS

 

4UPS系统结构及原理

 

 UPS的基本原理

 

 后备式UPS运行原理

 

 有市电时,市电通过开关后直接供给负载,逆变器不工作;另外,市电通过充电器给电池充电。

 

 停电后,启动逆变器,把电池储存的能量通过逆变器和开关供给负载。

 

 功率等级0.25-2KVA左右

 

 互动式UPS运行原理

 

 在线互动UPS与后备式比,主要区别在于:逆变器与充电器合二为一;输出通过变压器的抽头跳变,实现分段稳压。

 

 功率等级0.7-20kVA左右

 

 在线式UPS运行原理

 

 不管电网电压是否正常,负载所用的交流电压都要经过逆变电路,即逆变电路始终处于工作状态。

 

 功率等级0.7-1500kVA左右

 

 Delta变换UPS运行原理

 

 Delta变换器和补偿变压器实现稳压功能,主变换器是双向变换器。不能稳定频率。

 

 功率等级10-480kVA左右

 

5UPS供电系统

 

 一个完备的UPS供电系统,是由前端配电(市电,发电机,配电柜),UPS主机、电池、后端配电组成,附加后台监控或网络监控软/硬件等单元。

 

6UPS监控系统组成

 

 UPS网络监控系统=智能UPS+网络+监控软件

 

 网络监控软件含以下三部分:

 

 SNMP卡

 

 监控台软件

 

 安全关机程序

 

 UPS监控组网

 

二、UPS品质选择与配置选择

 

1UPS品质选择

 

 UPS-负载:输出/整机指标

 

 输出电压标准及精度(220/380VAC±1%)

 

 输出频率标准及精度(50HZ±0.01%)

 

 输出功率因数(0.7-1)

 

 输出过载/抗短路能力(125%额定电流,10min150%额定电流,60s)

 

 三相不平衡能力(100%不平衡负载,电压不均衡<±5%)

 

 动态响应(100%负载,瞬态电压波动<5%,恢复时间:≤20ms)

 

 效率(90-94%)

 

 噪音(50-75db)

 

 环境指标(温度0~40℃),湿度,海拔<1000米)。

 

 UPS整机指标-效率计算

 

 UPS各部件效率:

 

 SCR整流器99%

 

IGBT整流器98%

 

IGBT逆变器效率96%

 

变压器效率98%

 

滤波器99%

 

 传统UPS的效率:

 

 SCR整流(99%)×IGBT逆变(96%)×输出TX(98%)=93%

 

 12脉冲传统UPS的效率:

 

 输入移相TX(98%)×双SCR整流(98%)×IGBT逆变(96%)×输出TX(98%)=90%

 

 新型UPS效率计算:

 

 IGBT整流(98%)×IGBT逆变(96%)=94%

 

 UPS-电池:电池管理

 

 充电保护(过压及过流充电保护,温度补偿)

 

 放电保护(关机截止电压设定及调整,自动脱扣)

 

 电池智能化管理(检测和报警)

 

 后备时间计算和显示:额定负载后备时间T

 

 75%额定负载1.6T;50%额定负载2.5T;33%额定负载4T

 

 充电能力及充电时间:10%~25%额达容量充电能力

 

 充电时间计算:T=AH/I充电×(充电效率80%)

 

2UPS配置与选择

 

UPS分类和选择

 

 工作方式:后备式、互动式、在线式;

 

 容量:小功率(1~10kVA);中功率(20~60kVA);大功率(80~1000kVA)

 

 适用环境:商业级、工业级、电厂专用、车载或船用

 

 输出变压器:高频机,工频机

 

 配电部分:线缆及开关

 

 容量及机型选择

 

 用户负载量,冗余度

 

 负载性质:IT类、电感性负载、使用环境-谐波、变压器

 

 机房配电设计:进线方式

 

 机型成本及竞争优势。

 

 用户负载量;UPS输出冗余度(70~80%)

 

 负载峰值因素(3:1)不能超过逆变器过载能力

 

 负载视在功率(KVA)不能超过UPS额定功率*功率因素折算系数

 

 三相负载不平衡度<30%。

 

 工业级UPS

 

 恶劣的电气和物理环境:供电线路电压/频率波动、浪涌冲击、峰值下陷、高频干扰,环境温湿度不稳、粉尘、腐蚀等。

 

 结构:输入输出双隔离、钢板机箱、高IP防护等级。

 

 适用领域:钢铁、化工、电力、汽车、造纸、煤炭、石油、隧道

 

 负载类型:重载机械、生产线设备、DCS系统等。

 

 UPS工作损耗、通风量、空调配置

 

 满载损耗(KW)=kVACos×(6~7.5%)空调制冷量

 

电池计算和配置

 

精确计算:恒功率计算法

 

1、截止电压确定:

 

1.67V/cell<放电30分钟;1.75V/cell放电30~60分钟;

 

1.83V/cell>放电60分钟

 

2、计算每个Cell电池恒功率数据:

 

3、根据厂家恒功率放电数据表选择满足计算结果的电池规格。

 

配电部分:线缆及开关

 

输入开关容量及线缆规格:

 

三相电工速算法:输入电流(A)=1.8XKVA,开关系数X1.2

 

单相电工速算法:输入电流(A)=5XKVA,开关系数X1.2

 

输出开关容量及线缆规格:

 

三相电工速算法:输出电流(A)=1.5XKVA,开关系数X1.2

 

单相电工速算法:输出电流(A)=4XKVA,开关系数X1.2

 

电池开关容量及线缆规格:放电电流(A)=kVA?Cos/U电池电压开关系数(X1.2)

 

电缆长度与压降:如70mm线阻0.26?/km

 

零线及地线规格:零线=1~1.5倍相线,地线=相线

 

配电部分:电缆及开关规格

 

 隔离变压器

 

 高频机加装380V/380V输出隔离变压器:容量KVA=UPSKVA

 

 选用△/Y0型隔离变压器,输出中性点接地,Y/Y型变压器旁路反灌会造成DC电压过高危险。

 

 UPS加装380V/220V输出隔离变压器:输出容量损失20~30%对逆变器有干扰反馈,选用效率高,干扰小变压器。

 

 旁路隔离变压器:实现零线电气隔离。

 

三、UPS基础维护

 

1UPS维护的一般要求

 

1、UPS主机现场应放置操作指南,指导现场操作。

 

2、UPS的各项参数设置信息应全面记录、妥善归档保存并及时更新。

 

3、检查各种自动、告警和保护功能是否正常。

 

4、定期进行UPS各项功能测试。

 

5、定期检查主机、电池及配电部分引线及端子的接触情况,检查馈电母线、电缆及软连接头等各连接部位的连接是否可靠,并测量压降和温升。

 

6、经常检查设备的工作和故障指示是否正常。

 

7、定期查看UPS内部的元器件的外观,发现异常及时处理。

 

8、定期检查UPS各主要模块和风扇电机的运行温度有无异常。

 

9、保持机器清洁,定期清洁散热风口、风扇及滤网。

 

10、定期进行UPS电池组带载测试。

 

11、各地应根据当地市电频率的变化情况,选择合适的跟踪速率。当输入频率波动频繁且速率较高,超出UPS跟踪范围时,严禁进行逆变/旁路切换操作。在油机供电时,尤其应注意避免该情况的发生。

 

12、UPS应使用开放式电池架,以利于蓄电池的运行及维护。

 

2UPS维护项目及周期表

 

1、UPS日检项目:

 

 主要内容有:检查控制面板,确认所有指示正常,所有指示参数正常,面板上没有报警;检查有无明显的高温、有无异常噪声;确信通风栅无阻塞;调出测量的参数,观察有无与正常值不符等。

 

2、UPS周检项目:

 

 周检的主要内容有:测量并记录电池充电电压、电池充电电流、UPS三相输出电压、UPS输出线电流。如果测量值与以前明显不同,应记录下新增负荷的大小、种类和位置等。

 

 UPS月、季、年维护项目:

 

 UPS电源的电池管理

 

 电池是UPS的重要组成部分,在UPS的诸多故障中,有很大比例是由于电池问题引起的,电池性能的好坏直接影响到系统的可靠性。为了保证电池的服务寿命,除了维持正常温度和日常的维护外,电池的自动管理是至关重要的因素。

 

 UPS电源对电池自动管理包括自动均浮充转换控制、电池预告警关机、定期自动维护、手动电池自检等多项可提高电池使用寿命的先进功能,同时还具备电池故障检测、电池放电后备时间预测及电池特征曲线管理。

 

 自动均、浮充转换

 

 电池充电过程能自动根据电池电流实现均充、浮充自动转换,设定的均充转浮充判据为:I≤0.01C。

 

 电池浮充电压温度补偿:(以2V电池为例)

 

 电池在浮充状态下,浮充电压可以根据温度进行补偿,温度补偿以20℃为中心点,在10℃-40℃内全补偿,计算公式:

 

 温度T>40,T=40;若T<10,T=10

 

 电池平均单体电压应调节为:V=V0+(20-T)×0.003

 

 其中,V0为电池厂家给定的在20℃下的单体浮充电压,可以根据不同电池在初次上电时进行设置,默认为2.23V。对均充电压不补偿,默认的单体均充电压为2.35V。

 

3、均充限时:

 

 如果连续12小时处于均充状态,控制系统将强制转浮充状态,此设置的条件是均充时间达到设定值时,自动转为转浮充状态。

 

4、放电管理:

 

 设置电池放电的截止电压为每单体电池1.8V,实际截止电压会随电池老化程度不同而在此值附近向下浮动,截止电压为每单体电池1.8V的选取,已经考虑到了大功率放电情况下电池容量的衰减。

 

5、UPS电池自动测试

 

 UPS蓄电池的容量测试可人工测试或利用UPS的电池自动测试功能实现。人工测试的方法可参考直流供电系统中蓄电池的容量测试方法进行。下面对UPS的自动测试功能进行介绍。

 

 该测试只有在以下情况下才能进行:

 

 逆变器在运行;

 

 逆变器不超载;

 

 备用电源(旁路供电)存在并且符合要求;

 

 逆变器与旁路电源同步;

 

 电池必须充足电。

 

 UPS电池自动测试功能根据以下三点设置:

 

 时间间距(测试周期可设定为10天―150天)

 

 电池自动测试的日期和时间

 

 电池有问题时默认的报警方式

 

 启动电池测试时,整流器电压将下降到电池组额定电压以下,而在逆变器关机电压以上,如果电池在规定负载和规定时间内可以按要求放电,UPS就给出一个肯定的信号,表明电池是好的;如果电池在规定负载和规定时间内不能按要求放电,UPS就给出一个否定的信号,表明电池需要更换。但这时由于整流/充电器电压大于逆变器关机电压值,故整流/充电器电压仍然向逆变器供电,使输出电压并不间断。

 

3UPS常见故障处理

 

1、市电有电时,UPS出现市电断电告警

 

可能原因:

 

1)、市电输入空开跳闸。

 

2)、输入交流线接触不良。

 

3)、市电输入电压过高、过低或频率异常。

 

4)、UPS输入空开或开关损坏或保险丝熔断。

 

5)、UPS内部市电检测电路故障。

 

处理方法:

 

1)、检查输入空开。

 

2)、检查输入线路。

 

3)、如市电异常可不处理或启动发电机供电。

 

4)、更换损坏的空开、开关或保险丝。

 

5)、检查UPS市电检测回路。

 

2、市电正常时,UPS输出正常;市电断电后,负载也跟着断电

 

可能原因:

 

1)、由于市电经常低压,电池处于欠压状态。

 

2)、UPS充电器损坏,电池无法充电。

 

3)、电池老化、损坏。

 

4)、负载过载,UPS旁路输出。

 

5)、负载未接到UPS输出。

 

6)、长延时机型的电池组未连接或接触不良。

 

7)、UPS逆变器未启动(UPS面板控制开关未打开),负载由市电旁路供电。

 

8)、逆变器损坏,UPS旁路输出。

 

处理方法:

 

1)A、在市电电压正常时对电池充足电。

 

 B、启动发电机对电池充电。

 

 C、在UPS输入端加稳压器。

 

2)、检查充电器。

 

3)、更换电池。

 

4)、减少负载。

 

5)、将负载接到UPS的输出。

 

6)、检查电池组是否接对、接好。

 

7)、启动逆变器对负载供电(打开面板控制开关)。

 

8)、检查逆变器。

 

3、UPS无法启动

 

可能原因:

 

1)、电池长期放置不用,电压低。

 

2)、输入交流、直流电源线未连接好。

 

3)、UPS内部开机电路故障。

 

4)、UPS内部电源电路故障或电源短路。

 

5)、UPS内部功率器件损坏。

 

处理方法:

 

1)、将电池充足电。

 

2)、检查输入交流、直流线是否接触良好。

 

3)、检查UPS开机电路。

 

4)、检查UPS电源电路。

 

5)、检查UPS内部整流、升压、逆变等部分的器件是否损坏。

 

4、UPS在正常使用时突然出现蜂鸣器长鸣告警

 

可能原因:

 

1)、用户有大负载或大冲击负载启动。

 

2)、输出端突然短路。

 

3)、UPS内部逆变回路故障。

 

4)、UPS保护、检测电路误动作。

 

处理方法:

 

1)、A、负载投入时按先大后小的顺序。

 

 B、增大UPS的功率容量。

 

2)、检查UPS的输出是否短路。

 

3)、检查UPS逆变器。

 

4)、检查UPS内部控制电路。

 

5、UPS工作正常但负载设备异常

 

可能原因:

 

1)、UPS输出零地电压过高。

 

2)、UPS地线与负载设备地线没接在同一点上。

 

3)、负载设备受到异常干扰。

 

处理方法:

 

1)、检查UPS接地,必要时可在UPS的输出端零地间并一个1-3kΩ电阻。

 

2)、将UPS地与负载地接到同一个点上。

 

3)、重新启动负载设备。

 

 

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