UPS种类、功能、原理

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。

为什么用UPS

UPS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的主要功能:

实现电网与用电器之间的隔离；

实现两路电源的不间断切换；

提供高质量电源；

电压变换和频率变换功能；

停电后提供后备时间。

UPS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（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。

UPS系统结构及原理

监控平台也是UPS的最重要组成部分之一。

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

四种UPS的比较

UPS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。

UPS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

 

UPS品质选择与配置选择

UPS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％）

输出功率因素（0.7－1)

输出过载/抗短路能力(125％额定电流，10min 150％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％ ）

UPS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（20～60K）；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。
小功率：APC、Santak（山特）、Kestar（科士达）、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

其他常见品牌：科华（kelong）、冠军（champion）、易斯特（East）、赛康、复华、优玛、宝合、四通、 Best、伽马创力、雷洛士、Powerland（宝兰）、山顿（Sendon）、劲达（Deltec）、东芝（Toshiba）、APC- Gutor（固特）、AEG（德国通用电气）、Protect（普洛泰克）。

容量及机型选择

电池计算及配置

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）＝kVA Cos×（6～7.5％）空调制冷量

UPS容量	40KVA	80KVA	100KVA	160KVA	200KVA	300KVA	400KVA	600KVA	800KVA
通风量立方米/h	2200	2400	2590	3500	3700	3900	4400	7500	9300

输出功率折算－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输出功率折算	100%	85%	79%	75%	69%

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

电缆额定电流简单算法

电缆规格	1/1.5/2.5	4/6	10/16	25/35/50	70/95/120	150/185	240	300
额定电流	X8A	X6A	X4A	X3A	X2.5A	X2A	X1.5A	X1.2A

空开规格：R10、R16、R20、R25、R32、R40、R50、R63、R80、R100、R125、R160、R200、R250、R320、R400、R630、R800、R1250。

隔离变压器

高频机加装380V/380V输出隔离变压器：容量KVA＝UPS KVA

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。

 

UPS基础维护

UPS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。

UPS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。

2 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。

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。

UPS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。

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。

6 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。