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UPS详解


UPS电源详解

 

 

UPS种类、功能、原理

 

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;

压变换和频率变换功能;

停电后提供后备时间。

 

UPS种类

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

 

 

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

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(0.71)

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(9094%)

噪音(5075db

环境指标(温度040℃),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TX98%)=93

12脉冲传统UPS的效率。

输入移相TX98%)×SCR整流(98%)×IGBT逆变(96%)×输出TX98%)=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:TAH/I充电×(充电效率80% )

 

UPS配置与选择

UPS分类和选

工作方式:后备式、互动式、在线式;

容量:小功率(110KVA);中功率(2060K);大功率(801000KVA

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)、DenbyPower(丹能)PCM

中功率:Powerware、MGE、Emerson-Liebert、DenbyPower(丹能)Delta、Santak

大功率 Emerson-Liebert 、MGE、Powerware、Chloride-Siemens、Socomec-Sicon、  GE- Imv、Best-BorriDenbyPower(丹能)科华(kelong)、冠军(champion)、易斯特(East)、伽马创力、雷士、山顿(Sendon)、东芝(Toshiba)、APC- Gutor(固特)、AEG(德国通用电气)。

 

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(7080%)

  负载峰值因素(31)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×67.5%)空调制冷量

 

UPS容量

 

40KVA

 

80KVA

 

100KVA

 

160KVA

 

200KVA

 

300KVA

 

400KVA

 

600K VA

 

80

 

0K VA

 

通风量立方 米/h

 

2200

 

2400

 

2590

 

3500

 

3700

 

3900

 

4400

 

7500

 

93

 

00

 

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

 

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 x Cos/U电池电压开关系数(X1.2) 电缆长度与压降:如70mm 线阻0.26Ώ/km

零线及地线规格:零线=11.5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

 

15

 

0/

 

18

 

5

 

240

 

300

 

额定电流

 

X8A

 

X6A

 

X4A

 

X3A

 

X2.5A

 

X2   A

 

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KVAUPS 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2030%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

1UPS主机现场应放置操作指南,指导现场操作。

2UPS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。

12UPS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<10T=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―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。

4UPS输入空开或开关损坏或保险丝熔断。

5UPS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。

2UPS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。

7UPS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

1A、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。

3UPS内部开机电路故障。

4UPS内部电源电路故障或电源短路。

5UPS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。

3UPS内部逆变回路故障。

4UPS保护、检测电路误动作。

处理方法

1A、 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

1UPS输出零地电压过高。

2UPS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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