交流不间断电源（共11篇）
交流不间断电源 篇1
0 引言
不间断电源 (UPS) 是以整流器、逆变器为主要组成部分的稳压稳频交流电源, 能给需要持续运转的各种设备提供不间断的电力供应, 而且能够隔离市电中由于自然或人为事故, 如雷击、线路故障、电磁干扰等造成的电压波形畸变或频率漂移, 向负载提供高质量的交流电源, 保证各负载的电源指标。
变电站内的重要交流设备, 如后台监控机、保护测控装置、GPS对时系统、电能采集装置、事故照明等, 多采用电力专用的交流不间断电源设备供电。
随着电力系统的发展, 对站内交流电源稳定性要求不断提高, 使得交流不间断电源设备处于不断完善状态, 站内UPS装置从早期单一的模块式发展为近期的可双重化配置的独立组屏式。本文将着重介绍近期投入使用的组屏式UPS设备工作原理及其对运行方式的要求。
1 交流不间断电源工作原理
电力专用的UPS含有整流器和逆变器, 其工作原理如图1所示。
图1中各元件作用如下:
(1) 交流输入:接于站内交流屏, 接入2路站用变压器低压侧交流电源, 即#1站用变压器和#2站用变压器低压侧交流电源均接入UPS, 当#1站用变压器或#2站用变压器投退时可以依靠站用变压器低压侧的交流备自投装置实现交流电源不间断供应。
(2) 输入隔离:使UPS与交流电网隔离, 避免交流异常导致设备损坏, 同时还可解决供电系统中存在的零—地电位差问题, 避免交流整流输出对直流电源系统对地的影响。
(3) 整流器:将交流电 (AC) 转换为直流电 (DC) , 经过滤波后供给逆变器。
(4) 输出隔离:防止负载回路意外情况对逆变器造成损坏、改善逆变波形, 保证在电网电压下限和输出满负荷的情况下, UPS能输出稳定的380/220V交流电压, 提高逆变过载输出能力, 另外也可为逆变器的三相输出提供零线, 满足单相输入电源负载的要求。
(5) 静态开关:根据开入量状态自动转换供电方式, 如从交流输入或是旁路输入。
(6) 旁路输入:接于站用变压器低压侧交流电源。
(7) 直流输入:接于站内蓄电池组。
2 交流不间断电源运行方式
UPS有2路交流输入和1路直流输入, 其系统工作接线示意图如图2所示。
UPS有以下几种工作方式:
(1) 正常运行时UPS使用交流输入电源, 交流电经整流器变为直流电后再经逆变器变为标准正弦波输出向负载供电, 此方式下图2中的空气开关K1、K5应处于合闸状态。
(2) 电网停电、交流消失时无间断切换至蓄电池组, 直流输入后经逆变向负载供电, 此方式下图2中的空气开关K2、K5应处于合闸状态。
(3) 在UPS部件故障或逆变器异常时, 可由静态开关切换至交流旁路供电, 此方式下图2中的空气开关K3、K5应处于合闸状态。
(4) UPS检修或UPS装置内部元件均不可用时直接由站用交流电向负载供电, 此时图2中的空气开关K4应合上, 这种运行状态称为检修方式。
3 一种错误的交流不间断电源运行方式
2014年3月, 某站报交流失压、UPS故障信号, 后台监控机及保护测控装置失电。现场查看发现UPS装置逆变器模块故障, UPS屏内空气开关K1、K2、K5处于合闸状态, 空气开关K3、K4为分闸状态。因UPS装置逆变器故障, 此时“交流输入—空气开关K1—输入隔离变—整流器—逆变器—输出隔离变—静态开关—空气开关K5”这一回路无法输出交流电, 而另一路“直流输入—空气开关K2—逆变器—输出隔离变—静态开关—空气开关K5”回路同样因逆变器损坏无法输出交流电, 又因为屏中的K3、K4空气开关为分位, 导致交流不间断电源屏负荷全部失电。
现场处理采取以下措施:投上空气开关K3, 空气开关K5保持合位, 由UPS旁路提供交流电。断开空气开关K1、K2使UPS停止报警, 空气开关K4保持分位, 故障模块待备品到位后再进行更换。
从现场处理措施中可以看出, 本次站内交流失压事故主要是由UPS装置运行方式不正确造成。如果站内UPS初始运行状态为空开K1、K2、K3、K5均为合闸状态, 那么, 当UPS内部的逆变器发生故障时, 交流可由UPS的静态开关自动转换至旁路供电, 不会导致站内保护测控装置、电能采集装置和后台监控系统失电, 而且UPS也能发出告警信号提醒维护人员现场处理缺陷。另外要注意的是, 在正常运行时, UPS屏内的空气开关K4不应该合闸, 否则站内各项重要交流负荷将直接由站用变压器供电, UPS失去存在意义;只有当UPS模块检修或其他原因导致UPS装置不可用时, 才需合上空气开关K4, 以最低限度保证站内重要交流负荷不失电。
4 结语
综上所述, 组屏式UPS设备在正常运行时应将交流输入、直流输入、旁路3条支路投入使用状态, 检修支路不投入使用。
为适应电力系统的发展, 电力专用的交流不间断电源设备功能不断完善, 交流不间断电源装置由原来外形单一的模块式演变成具有多个组成部分的组屏式, UPS运行方式也随之复杂化。保证UPS设备正确投入使用, 对保证站内重要交流设备的安全可靠运行有着十分重要的意义。
参考文献
[1]深圳奥特迅电力设备有限公司.ATCDU型2kVA~10kVA电力专用UPS/逆变器使用说明书[Z], 2006.
[2]深圳奥特迅电力设备有限公司.直流操作电源—交流不间断电源一体化装置产品使用及维护说明书[Z], 2006.
交流不间断电源 篇2
山特UPS河南总代理 山特UPS河南总代理山特UPS郑州总代理松下蓄电池河南总代理爱克赛UPS河南总代理汤浅蓄电池河南总代理艾默生河南总代理SANTAK河南总代理UPS河南售后维修由于UPS电源要为数据中心提供不间断的电源服务，持续的工作对机器的耗损也很大，所以在应用的过程中，需要预防电气火灾的发生。机房数据中心在建设时，一般都会做好消防防范措施，也要对UPS不间断电源整套设备与IT设备进行可隔离措施，不过电气之间一旦发生火灾，还是会牵连了到的。我们应该采取相对的预防措施。
首先是蓄电池运输后验货问题
蓄电池是UPS电源的应用关键，在UPS电池安装过程中，接线柱紧固是一个繁琐的重复劳动。一些大型数据中心，容量大、要求后备时间长，电池数量就会是数以千计的，每节电池就有2个接线柱，这么多的工作只靠1～2名工人来完成，疏忽就会难免，如若现场有没有很好的对施工质量把控，就很有可能遗留一个或几个接线柱未紧固的隐患。因开机调试电池充放电电流都不会很大，此类隐患在UPS开机调试运行过程中并不能及时得以体现。在使用过程中随着负载量的增加UPS输出电流随即增大，如果再次出现市电中断UPS电池放电情况则极有可能引起电池起火。所以，在安装过程中应有专人对电池安装质量进行把控。蓄电池组跨接线接线端子压接问题，与电池接线柱一样，电池跨接线接线端子压接也是一个繁琐的重复劳动，在工作中随着体力下降、注意力下降等原因会出现个别接线端子压接不紧，或压接过度导致断芯情况。压接不紧的在安装过程中随着接线柱螺丝动作会渐渐脱出接线端子，导致虚接；断芯导线载流能力下降，两种情况在大电流放电下可能会使线缆、接线端子过热，发生线缆起火情况，还有可能造成接线柱温度升高，电池起火。所以，应对所有接线端子压接进行二次排查。
蓄电池接线柱安装问题，在电池安装过程中，接线柱紧固是一个繁琐的重复劳动。一些大型数据中心，容量大、要求后备时间长，电池数量就会是数以千计的，每节电池就有2个接线柱，这么多的工作只靠1～2名工人来完成，疏忽就会难免，如若现场有没有很好的对施工质量把控，就很有可能遗留一个或几个接线柱未紧固的隐患。因开机调试电池充放电电流都不会很大，此类隐患在UPS开机调试运行过程中并不能及时得以体现。在使用过程中随着负载量的增加UPS输出电流随即增大，如果再次出现市电中断UPS电池放电情况则极有可能引起电池起火。所以，在安装过程中应有专人对电池安装质量进行把控。
不间断电源在我国的应用和发展 篇3
关键词：不间断电源；应用；电力系统；发展
中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）15-0091-02
随着经济的发展，计算机技术被广泛地应用于各行各业，而不间断电源也是在这种环境被应用进来的。不间断电源的主要优势是在电网不正常运转或是在发生故障时，仍然能够为负载提供不间断的高性能电源。正因为这种优势，其应用也越来越广泛。当然，我国不间断电源的发展离不开国家行业政策的支持，所以了解行业发展动态具有必要意义。
1 不间断电源的行业定义
不间断电源，又作UPS（Uninterruptible Power Supply），指的是能够提供持续、稳定、不间断电能供应的电力电子设备。主要的组成部分是逆变器、整流器，以电池为主要的储能装置，不仅能够为用户提供备用电源以防止重要设备因电能中断而遭受损失，并且可改善电能质量，使设备免受高低电压、突波、杂讯、频率不稳及电磁的干扰，满足用户对电能质量的需求。
2 不间断电源的基本原理和分类
前述已经提到了UPS的主要构成，对于一般的UPS结构，除了整流器和逆变器之外，还有升压部分，控制部分、充电部分以及电池部分。UPS的基本工作原理如图1所示。
UPS电源还搭载了微处理器，它可以将输入、输出、电池、坏境等数据进行相关的运算，并且控制整流器、逆变器以及静态开关等装置，对外部的指令进行响应。而整流和充电单元的主要功能是整流控制信号和及时充电的作用，电池组和直流的总线是并联运行的，所以整流器可以对电池完成充电。当然，电池电压如果比浮充电压更低时，整流器处在恒流模式，微处理器就要对充电电流反馈和用户设置的电池容量进行计算分析。
应用UPS的目的就是能够为一些装置提供稳定的电源，这也就是我们划分UPS种类的依据之一。按照逆变器的工作方式来分UPS分为后备式（或称离线式OFFLINE）和在线式（ONLINE）两种。后备式UPS的逆变器在UPS正常工作时处于后备状态，只有在市电异常时才起到逆变作用，而在线式UPS的逆变器无论在市电模式还是电池模式一直都在工作状态。后备式UPS功率比较小、价格便宜，主要用在对电源质量不高的地方，比如个人电脑；在线式UPS输出的电源精度高，价格也比较高，主要用在对电源质量要求较高的场合，比如机房。
按照UPS的后备时间UPS可以分为标准机和长延时机。标准机后备时间比较短，一般只有几分钟，长延时机可以根据需要配置电池延长UPS的后备工作时间。
按照UPS外形结构UPS可以分为塔式UPS、机架式UPS、以及含机柜的模块化UPS。
按照UPS对市电的相数要求可以分为单相机和三相机。三相机功率比较大，一般都在10 kVA以上。
按照供电渠道的不同将UPS划分为以下几种工作模式，即：市电模式、电池模式、旁路模式、维护模式。
市电模式：市电正常时UPS的正常工作模式。
电池模式：市电异常时UPS的正常工作模式。
旁路模式：UPS异常的供电模式。
维护模式：UPS出现故障，需要不断电进行UPS维修时的供电模式。
3 不间断电源在我国的发展现状
在使用电池的时代之前，UPS不间断电源曾经使用飞轮和内燃机为负载提供电能供应，这种不间断电源被称为飞轮式或旋转式不间断电源。飞轮式UPS不间断电源由整流器、直流电动机、飞轮、柴油机（或汽油机）及发电机等组成。在电网供电的情况下，由整流器提供的直流电驱动电动机带动飞轮旋转，并且带发电机为负载供电。由于飞轮的惯性作用，发电机转速可以保持均衡，此时UPS不间断电源起过滤电网干扰的作用。当电网断电后，飞轮继续带动发电机的转子旋转，同时启动柴油机带动发电机发电，替代原有电网为负载供电。由于飞轮式UPS不间断电源使用内燃机提供电力，会产生较大的噪音，同时体积也较大，因此被用于应急情况和一些自然状况恶劣的场合，通常情况下，不间断电源会使用蓄电池来提供电力。
随着电子技术和信息技术的应用和发展，不间断电源随之产生并得到了不断的发展，自1984第一台UPS从香港进到中国，UPS在我国的应用和发展经历了30多年，UPS也不断地从国外进口到国内生产，进而出口外销。
在技术上，不间断电源随着电子技术和信息技术的发展也不断地提高，UPS从最初的后备式电源发展到在线式不间断电源，从最初的低频机发展到后来的高频机，从开始的单机运行，发展到第二代双机热备份。第三代的n+x并联冗余，到目前发展到无线并机技术的应用，以及利用网络实现远程的检测与操控。从功率大小来看，从最初的500 VA发展到1 100 kVA。目前模块化UPS也得到了广泛的应用，可实现在线维护，不断电进行UPS维护，确保在UPS发生故障的情况下用户的设备可以正常运行。UPS随着贴片技术和DSP技术的应用，在结构上不断地得到发展UPS从最初的分立元件，发展到后来的集成块，CPU的应用，从体积上不断减小，从重量上也不断地减轻，从而节省了生产成本、运输成本以及使用成本。从用户群体看，早期的用户主要是银行、邮电、证券税务等部门，后来发展到政府、企业、事业等单位，以及个人用户等等。
3.1 不间断电源的行业发展坏境分析
3.1.1 不间断电源行业政策发展分析
因为不间断电源的巨大发展潜力，国家为不间断电源的发展制定了许多相关的政策，制定了《电力需求管理办法》，主要是泛指通过价格、行政等手段，帮助电力用户提高电力资源利用效率，改进用电方式，实现科学用电、节约用电、有序用电所开展的相关活动。而《农村电网改造升级项目管理办法》明确对农村的电路改造升级提出了相关的政策，并且针对运行农网设施局部或整体就地或异地建设、增容、更换设备等做出了相关的规定。
国家发改委办公厅关于当前推进高技术服务发展有关工作作了工作重点指示，主要包括四个方面：
①信息服务，发展面向市场的高性能计算和云计算服务和下一代互联网应用服务、促进软件服务化发展和引导数字文化产业创新发展。
②生物技术服务。
③研发设计服务。
④技术创新服务。
后来又相继出台了一些规定，这些政策非常有利于行业的发展，也为行业的发展奠定了基础。从专利的申请人分布情况来看，艾默生、科华恒盛和易事特分别以17.6%，14.3%和12.0%位于前三位，APC以11.3%的份额位列第四。
3.1.2 不间断电源行业技术环境分析
我国的UPS专利申请状况从1994～2014年大致可以分为三个阶段：1994～1998年为缓慢发展阶段，1999～2006年较为快速的发展阶段，2006～2014年为爆发式增长阶段，2014年，我国UPS相关专利申请数量达到三百余项。专利申请的分布情况如图2所示。
从图2中可以看出，虽然我国的UPS技术发展空间还很大，但是因为行业政策的鼓励，我国本土的UPS技术实力越来越强，与世界500强公司的差距逐渐变小。从我国UPS相关专利申请人技术分布情况来看，H02J，I3-02是各家企业争夺的焦点，艾默生在H02J和I3-02两方面的专利均较多，科华恒盛的专利主要集中分布在I3-02方面。
3.2 不间断电源行业发展状况分析
2014年，我国UPS销售总额约为89亿元，同比增长3.1%，具体数据见表2，增速较上年进一步放缓，受大数据对ICT行业的影响，4G建设的需求以及宽带中国项目的刺激，我国信息设备用UPS电源的需求将快速增长，根据相关推算，2015年我国UPS市场规模有望突破100亿元。
4 UPS的最新发展动态
随着计算机网络的快速发展，对未来我国的UPS行业的发展指明了方向，这也是新形势下UPS行业发展的最大动力，其最新的动态有以下几点。
4.1 智能化和网络化
将RS232接口、RS485接口，SNMP卡和MODEM等应用于UPS，使得系统具有了非常优秀的性能。可以对一些相关的模拟量进行实时的监控，而且可以通过相关的数据库来进行自我诊断，自动判断UPS是否存在故障，如果存在故障则根据相关的需求进行自我保护。将UPS和计算机控制技术集成到一起，这样就实现了对于UPS的远程管理和控制，这也是未来无间断电源的发展方向。
4.2 数字化
以前的UPS的主要控制方式是模拟控制的方法，所以其局限性也非常明显，主要有：
①因为电路的结构比较复杂，所以元器件很多，其差异性造成了电源无法完全一致。
②如果想改变原来的控制方法，只能通过修改硬件控制板，这样不但周期长而且工作量很大。
③硬件电路的固化导致了更加先进的控制方法很难在这样的电路上实现。
但是要想发展高档的微处理器就必须使其实现先进算法和智能算法。正因为这些弊端的存在，也就为高速、更加廉价的数字化处理器的发展提出了要求。数字化的控制方式的优势在于能够避免模拟信号的畸变、失真等现象，也便于调试和自我诊断，正因为这些优势，在线UPS也是未来发展的重要趋势。
4.3 绿色化
传统的UPS电源存在一定的谐波干扰和污染，对于其稳定性和可靠性以及环境的伤害还是很大的。所以，绿色无污染的UPS是未来发展的方向，其提出可以加强抗电磁干扰能力，有助于降低辐射干扰，最重要的是可以大大提高对电能的利用率。
4.4 并联冗余技术
如何提高UPS电源的可靠性和稳定性一直是需要解决的难题，而传统的UPS只是依靠单台电源来实现相关的功能，这并不能达到很高的可靠性，而新型的解决方法就是冗余式并机方式，其优势性能在近年的应用当中逐渐凸显出来，主要表现在：
①可以根据需求调节电源的总体容量。
②这种系统本身具有相当高的稳定性。
③由于系统有多台电源构成，所以其维修和更换更加便捷。
4.5 高频化
传统的UPS电源存在动态响应能力差，变压器和电感的音频噪声高等缺点，这就催生了高频电源的发展，高频电源不仅可以使得笨重的隔离变压器变得不必要，减小了装置本身的体积和重量，而且可以减小甚至是消除电感的音频噪声。
5 结 语
计算机网络技术以及通信技术等相关技术的发展为UPS行业的发展提出了更高的要求，同时也为其提出了技术保障。UPS电源的发展也可以促进、推动其它产业的发展，因此，研究更高档的UPS电源在未来具有巨大的潜力。
参考文献：
[1] 陈文实，许立民.UPS电源现状及发展方向[J].辽宁工学院学报，2002，（4）.
[2] 王清，雷升印.UPS技术现状及发展动态[J].山西电子技术，2007，（1）.
[3] 罗佳迅.UPS不间断电源的原理简介[J].科技视界，2014，（15）.
交流不间断电源 篇4
1 UPS基本组成
由AC-DC整流器、DC-AC逆变器、控制电路、蓄电池和转换开关等部分组成。⑴AC-DC整流器:将电网来的交流电全波整流、滤波变为直流电, 供给逆变电路;⑵DC-AC逆变器:大功率MOSFET或IGBT逆变电路, 其作用是变直流为交流输出, 输出阻抗小, 具有较大功率富余量和快速响应特性。由于采用高频调制限流技术及快速短路保护技术, 使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路, 均可安全可靠地工作;⑶控制电路:完成整机功能控制, 提供检测、保护、同步以及各种开关和显示驱动信号, 完成正弦脉宽调制SPWM的控制, 采用静态和动态双重电压反馈。极大地改善了逆变器的动态特性和稳定性;⑷蓄电池:是UPS储能装置。UPS的蓄电池应具有良好的大电流放电特性, 经得住反复地充放电, 寿命要长, 目前常用免维护密封式铅酸蓄电池;⑸转换开关:是提供维修通道。要求切换快、过载能力大。a.静态旁路开关:静态转换开关, 是将一对反向并联的快速晶闸管连接起来, 作为UPS在执行由市电旁路供电至逆变器供电切换操作时的元件。由于快速晶闸管的接通时间为微秒级, 是小型继电器毫秒级的转换时间的千分之一左右。因此, 可以对负载实现转换时间为零的不间断供电。b.动态旁路开关:动态旁路开关为有触点开关, 由接触器和断路器构成, 靠机械动作完成转换, 动态开关转换过程会有几十毫秒的供电中断, 故不能应用于重要的负载场合, 现代的UPS己很少采用。
2 UPS的分类
2.1 后备式
⑴基本原理:UPS在市电正常时直接由市电向负载供电, 当市电超出其工作范围或停电时, 通过转换开关转由电池逆变供电。⑵特点:结构简单, 运行效率高、成本低, 适用于市电波动不大, 对供电质量要求不高的场合, 但输入电压范围窄, 输出电压稳定精度差, 有切换时间, 输出波形一般为方波。
2.2 在线互动式
⑴基本原理:在输入市电正常时, UPS的逆变器处于整流工作状态, 给电池组充电;在市电异常时逆变器立刻转为逆变状态, 将电池组电能转换为交流电输出。
⑵特点:同后备式UPS相比, 在线互动式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, 但同样存在切换时间。这种UPS集中了后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点, 但其稳频特性能不是十分理想。
2.3 在线式
⑴基本原理:UPS先将外部交流电转变为直流电, 再通过高质量的逆变器将直流电转换为高质量的正弦波交流电输出;在市电异常时, 逆变器由电池提供能量, 逆变器始终处于工作状态, 保证无间断输出。⑵组成:由整流滤波电路、逆变器、输出变压器及滤波器、静态开关、充电电路、蓄电池组和控制监测、显示告警及保护电路组成。⑶特点:极宽的输入电压范围, 无切换时间且输出电压稳定精度高, 适合电源要求较高的场合, 成本较高。目前功率3KVA以上几乎都是在线式。
3 UPS的供电方式
多台UPS并联冗余供电;UPS双总线模式供电;UPS单机供电等。
4 UPS对前级供电系统的要求
⑴前级供电系统电源电压及频率应稳定在正常范围内。一般地讲, 大容量UPS主机输入电压范围应为380V士15%。电压过低将使UPS后备蓄电池频繁放电, 最终因长期处于欠压充电状态而大大缩短它的使用寿命;相反, 电压过高则易引起逆变器损坏。如果通信机房的前级电网在电压范围上达不到要求, 应在UPS前级配置合适的抗干扰交流稳压电源, 不宜采用磁饱和稳压器, 因为这类稳压器在开机时可产生瞬时高压, 输出波形失真度也较大, 易造成UPS故障。
⑵前级供电系统中不应当带有别的频繁启动负载。电梯、频繁开启的空调等在开、关机时会出现瞬间高、低压, 使供电线路上电压波形失真度过大, 造成UPS市电旁路供电与逆变器供电转换控制电路误动作, 进而引起同步控制电路故障。在有条件的情况下, 宜将UPS电源尽可能置于电网输入的前端或采用独立的供电回路。
5 UPS容量的确定
UPS的容量要满足当前负载的需要, 同时也要考虑以下几个因素。
⑴负载性质对UPS输出功率的影响, 大部分UPS生产厂家在产品说明书中所给的输出功率都是指负载功率因数为0.8 (滞后, 感性电路中电流的相位滞后于电压) 时的值, 而UPS电源实际可带的负载量是与负载功率因数密切相关的, 所以在考虑UPS容量时, 对不同的负载功率因数要进行功率折算。通常可进行这样的估算:假设负载功率因数为0.8 UPS额定功率为1KW时, 输出功率为0.74~0.77KW, 则当功率因数为0.9和1.0时, 输出功率为0.9~0.92KW。对于冲击类负载, 只要负载的峰值系数在UPS允许的范围内UPS基本上可以输出额定功率。
交流不间断电源 篇5
摘要：本标准适用于直流环节中有电储能装置的交流电子间接变流系统，能满足用户对供电连续性和供电质量要求的各种型式静止型UPS不间断电源。1.标准适用范围
本标准适用于直流环节中有电储能装置的交流电子间接变流系统，能满足用户对供电连续性和供电质量要求的各种型式静止型。
2.工作条件
2.1环境温度
UPS电源运行的环境温度为10℃～+35℃，有蓄电池场合的环境温度要求20℃±5℃。
2.2环境相对湿度
最小相对湿度范围为20%～80%(无凝露)
3.安全要求
3.1绝缘电阻
UPS电源的输入端、输出端对地，施加500V直流电压，绝缘电阻应大于
2MΩ。
3.2对地漏电流
UPS机壳对地的漏电流应不大于3.5mA。
4.基本项目的检查
5.蓄电池检查
6.功能切换试验
7.保护性能试验
8.波形和谐波测量
交流不间断电源 篇6
关键词：反激 绕组 充电 切换 稳压
中图分类号：TD6 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）010-032-02
各类矿山在线安全监测系统经常处于高温、多尘、高湿、高寒、雷电等极端恶劣条件中，同时，矿山环境又存在频繁停电、供电线路屡遭破坏的实际问题。因此，在线安全监测系统的可靠性问题—特别是供电的可靠性问题—已经成为业界关注的焦点问题之一。大多数矿山在线安全监测系统在紧急事故中因供电中断导致的系统瘫痪，极大地限制了其应用范围，也为矿山安全生产埋下了隐患。基于这种现状，矿山行业迫切需要一种能够提供具备高可靠性，可以在外部失电情况下为用电设备提供稳定电源供给，保证系统或者局部关键设备能稳定持续工作的不间断直流电源。
为解决上述问题，本文提出一种高可靠性的不间断直流供电装置。目前，常用不间断直流供电技术有两种，一种是电池常在线型，电池在不停的充电同时也在为后端用电设备不停的提供能量；另一种是电池后备型，正常情况下，市电通过转换为用电设备提供能量，当市电故障时，电池才投入使用。文中提出的装置属于第二种类型，在市电正常的情况下通过市电转换为稳定的输出电压；当市电故障时电池投入使用，经过转换提供稳定的输出。正常情况下电池一直处于充电管理过程中，采用这种方式可以极大的保证电池的使用寿命，延长设备使用年限。
1 不间断直流电源实现方法
1.1 不间断直流电源基本架构
文中提出的不间断电源装置采用反激开关电源设计，分为初级变换、输出稳压两级结构。初级变换采用反激隔离变换实现电池充电和初级电压变换，输出稳压级是一组DCDC变换单元，实现二次输出稳压变换。
初级变换单元采用反激变换器的形式，实现输入输出隔离，副边输出两组绕组S1和S2，其中S2绕组的输出提供给电池充电，S2绕组的输出采用闭环控制，实现对电池的恒流恒压充电控制；S1绕组的输出开环无稳压调节，直接连接到后级的输出级稳压DC-DC线路输入端。电池的输出经过一个整流MOS管连接到DC-DC线路的输入端。
1.2 S2绕组设计
变压器S2绕组的输出经过整流后向后级电池进行充电，对S2绕组整流后输出的电压及电流进行检测，通过一级放大后反馈到变压器原边控制器的输入参考电压端，进而调整控制器的开关占空比实现输出的稳流稳压控制。
在电池欠电严重的情况下，先实现恒流控制，快速的给电池提供能量；当电池电压升到一定数值以后实现输出恒压控制，减缓电池充电速度。
图2为电池恒流恒压充电反馈检测控制线路图。其中，恒流与恒压数值的可以通过调整取样电阻进行修改，在使用过程中根据不同电池的充电性能进行相应调整。
1.3 S1绕组设计
变压器副边S1绕组的输出是开环状态，经过整流后，输出一个波动的直流电压，当电池电量充满时，S1绕组的整流输出要大于电池的电压，保证在任何状态下S1绕组的输出始终大于电池电压。
1.4 切换电路设计
S1绕组的整流输出直接连接到DCDC稳压线路，电池的输出经过一个反接的N沟道整流MOS管连接到DCDC稳压线路输入端。
在输入交流电压存在时，初级反激变换器S1绕组的输出电压始终大于电池的充电输出电压，由于MOS管内部二极管的反向截止作用，S1绕组的整流输出向DCDC稳压线路单元提供能量，电池处于热备份充电管理状态。
在输入交流电压消失后，S1的绕组输出电压开始下降直至消失，当电池的电压大于S1绕组输出的时候，MOS管的反向二极管开始导通，电池开始给DCDC稳压线路提供能量，保证输出电压的稳定。
S1的输出监测及MOS控制线路是一组辅助功能单元，实现在S1无输出的情况下，控制MOS管开通；当S1输出恢复时，关断MOS管。
S1绕组的整流输出与电池之间通过MOS内部的反向二极管特性实现切换，当S1输出确定已经消失的情况下通过控制线路开通MOS管，屏蔽二极管导通状态，减少器件功率消耗。
1.5 输出DCDC稳压线路
输出DCDC稳压线路实现输出的最终稳压。线路支持宽范围电压输入，保证在S1整流输出供电或电池供电的状态下最终输出电压的稳定。
1.6 保护线路
该不间断直流电源的各类保护线路通过嵌入式MCU进行监测和控制，主要实现电池及输出的过压、过流、欠压等检测控制和多状态配合保护。
2 测试及性能分析
2.1 试验测试方法
不间断直流电源的测试主要是针对电池的充电和输入掉电电池切换，交流正常输入情况下，将一组欠电电池接入，通过示波器或萬用表监测电池的充电状态、输出电压状态；当电池充满电后切掉交流输入，监测输出电压的变化。
2.2 电池充电测试
该电源所用的电池为标称电压12V的锂电池，容量2300mAh，在充电过程中对电池电压进行监测，绘制电池充电电压图表。
从图4中可以看出，在电池充电起始阶段，电池电压上升比较快，这个阶段电池一直处于恒流充电状态，当电池充电到接近75%能量，既电压充到接近10.5V的时候，转为恒压充电状态，从这时开始电池电压缓慢稳步上升，在充电电压达到12V的时候转为浮充状态。
2.3 电池切换输出电压测试
在电池充好电以后，切掉输入交流输入，在设备输出带80%负载的情况下监测输出电压状态。
在进行电池切换的过程中输出电压并无明显的波动，说明该电源产品实现了交流输入与电池之间的无抖动切换，保证设备在电池切换过程中输出电压无跌落，供电稳定。
3 总结
实验表明，本文设计的不间断直流电源能够在正常输入交流供电的情况下，对电池的进行良好充电，并在供电故障状态下，实现输出电压的无抖动切换。同时，电池在输入正常情况下处于热备份状态，当输入消失后才投入工作，有效的增加了电池的使用寿命，保证了设备的可靠供电，为各类设备和在线监测系统在恶劣矿山环境下的稳定运行提供了有效保障。
参考文献：
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[4] 应建华.锂电池充电器中恒流恒压控制电路的设计[J].微电子学，2008，03（38）：445-448.
[5] 陈立剑.智能化锂电池充电系统研究[J].船电技术，2011（02）：17-20.
UPS不间断电源浅谈 篇7
关键词：UPS,储能电池,逆变器,整流器,静态开关
0 引言
对于商业和工业工艺装置而言, 连续的优质电源供应是非常关键的。电源中断甚至微小的扰动都将打断工艺链条, 最终造成系统停止运行。因此, UPS系统的关键功能就是保护那些不能承受轻微电压扰动或冲动的装置 (也称为用户或负载) 的电源供应。公用工程提供的未经滤波的电源可能会含有谐频、低谷、峰值或其他噪音。在电源链条中引入一个或多个UPS系统可以有效地消除这些类似的扰动。更为重要的是, 在断电条件下, UPS可以紧急填补电源缺口。当遇到这种情况时, 系统将自动地切换为大的电池组, 汲取所需的电源, 直到主干线电源恢复为止。
1 UPS电源系统
不同的应用要求下, 负载可以分为直流负载和交流负债两大类。为此, UPS电源又有三种主要的类型:经过双转换 (AC电流转换为DC电流, 再将DC电流转换为更加纯净的AC电流) 的AC UPS, 实现将AC电流转换为DC电流的DC整流器/充电器, 和实现将DC电流转换为AC电流的AC逆变器。UPS出现的形态不一样, 但其原理和主要功能基本相同。UPS电源系统主要有5部分组成:整流系统、储能 (电池组) /净化系统、逆变系统、静态开关控制和旁路系统。系统的稳压功能通常是由整流器完成的, 整流器件采用可控硅或高频开关整流器, 本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能, 从而当外电发生变化时 (该变化应满足系统要求) , 输出幅度基本不变的整定电压。储能净化功能由储能电池组来完成, 由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除, 整流后的电压仍存在干扰脉冲。储能电池除可存储直流电能的功能外, 对整流器来说就像接了一只大容器, 其等效电容量的大小, 与储能电池容量大小成正比。由于电容两端的电压是不能突变的, 即利用了电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干扰, 起到了净化功能, 也称对干扰的屏蔽。频率的稳定则由变换器来完成, 频率稳定度取决于逆变器的振荡频率的稳定程度。为方便UPS电源系统的日常操作与维护, 设计了系统静态开关, 主机自检故障后的自动旁路开关, 检修旁路开关等开关控制。
2 UPS电源工作原理
一般的UPS主要有以下几种工作模式:正常工作模式、电池工作模式、旁路工作模式和充电器工作模式。
2.1 正常工作模式
在正常情况下, UPS系统给负载供电, 如图一实箭头所示。UPS系统从电网获取电能, 经过隔离自藕变压器降压或者升压、全波整流、电容/电感滤波, 输出直流电压供给逆变电路, 同时给储能电池组充电。逆变电路由大功率IGBT模块组成, 实现直流电到交流电的转换。逆变电路产生的交流电经过静态开关控制输出, 供给负载。当电网电压超出正常工作范围, 或者突然停电时, 整流器关闭, 储能电池组给逆变电路供电, 见电池工作模式, 如图二所示。当负载严重过载, 逆变电路获得的直流电源不足以维持逆变器的正常工作时, 系统转去旁路工作模式, 如图三所示。
2.2 电池工作模式
当市电电网不再稳定超出正常工作范围, 或者电网失电时, 整流器不再工作, 此时电池组立即接替整流器给逆变电路提供电源, 如图二所示。
储能电池组的容量取决于负载功率的大小, 原则上负载功率越大, 要求储能电池的容量越大。当负载功率确定后, 电池容量主要取决于其后备时间的长短, 这个时间因各企业情况不同而不同, 主要由备用电源的接入时间来定, 通常在几十分钟或几个小时, 乃至于几十个小时不等。从整流器供电到电池组供电没有切换时间, 当电池组能量即将耗尽时, UPS系统发出报警信号, 并在电池放电下限点停止逆变器工作。如果在电池组能量耗尽之前, 电网电压恢复供电, 则系统自动转回正常整流器工作模式, 供给逆变器, 同时给电池组进行充电。反之, 如果此时旁路电源正常, 则系统自动切换到旁路系统, 否则系统就将停止工作。
2.3 旁路工作模式
当逆变器由于整流器不能正常供电、或者储能电池组能量不足而无法工作, 或者由于负载严重过载, 而不能给负载提供足够的能量时, 系统自动转去旁路工作模式, 如图三所示。当负载恢复正常, 或者
系统恢复正常供电条件时, 系统自动会从旁路工作模式切换回正常工作模式。
2.4 充电器工作模式
当UPS系统工作在充电器工作模式时, 整流器仅仅对储能电池组充电, 系统不对负载供电, 如图四所示。
3 UPS电源系统的功能完善
为了完善UPS电源系统的功能, 一些先进的技术应用到了UPS上。
3.1 多机并行工作
传统的UPS电源系统多为单机系统, 也就是说当UPS系统出现故障时, 负载只能通过旁路供电。对于某些要求严格的用电设备, 显然这种方案是不能完全解决实际需要的, 于是并机系统应运而生了。并机系统从外形上看就是有两台单机系统同时工作, 两台单机之间互有联系。正常工作时, 两台系统同时工作并各自承担50%的负载。当一台系统出现故障而不能正常工作时, 另一台系统自动承担全部的负载, 反之亦然。这种冗余的设计方式无疑大大提高了系统的稳定性, 确保了关键负载的正常工作。并机系统的技术现在已经非常成熟, 最多8台并机运行的设计方案时常可以看到, 当然, UPS电源系统的价格相应要贵许多。
3.2 远程控制
IT技术的发展, 成就了UPS系统的远程控制。对于某些特定场合, 人类是不可能全天候呆在设备机房的, 比如海上钻井平台。此时, 需要我们可以远程控制设备, 监测数据参数。智能控制模块和通信模块的面世也就显得尤为重要。
参考文献
[1]美国GUTOR公司提供.PEW1000系列UPS用户说明书.
矿用直流不间断电源的设计 篇8
随着工业以太网在井下的迅速发展与应用, 为保证交换机正常工作, 对供电电源质量的要求越来越高, 因此, 煤矿井下交换机用不间断电源 (UPS) 的地位愈显突出。UPS按其输出形式可分为交流UPS和直流UPS, 交流UPS需要逆变器将电池电压逆变为交流电输出, 直流UPS则可直接供给负载, 不需要再经过逆变。鉴此, 笔者设计了一种煤矿井下交换机用直流UPS。该电源在现有直流UPS的基础上增加了人机对话功能:通过液晶显示能准确、实时显示电池的供电状态、电池电压、充电电流、UPS输出电压、UPS输出电流的大小等。
1 直流UPS的硬件设计
1.1 基本设计思路
设计的煤矿井下交换机用直流UPS可在矿用交流电供电时使交换机正常工作, 并通过以电源管理芯片MAX731为核心的充电电路给镍镉电池充电。当矿用交流电断电时, MSP430F147单片机控制的切换开关自动切换, 使后备电源利用镍镉电池给交换机供电。该UPS总体结构如图1所示[1,2]。
正常工作情况下, AC/DC模块完成交流与直流的转换, 输出24 V直流电压, 供交换机工作;同时127 V交流输入通过桥式整流电路, 经稳压后给镍镉电池组供电。MSP430F147通过内部集成的AD转换模块, 实时采集整个工作过程, 当监测到有127 V交流输入时, MSP430F147控制切换开关关闭, 24 V电源由AC/DC模块供给;当监测到无127 V交流输入时, MSP430F147控制切换开关导通, 24 V电源由镍镉电池供电。同时, MSP430F147将采集到的电池电压、充电电流、UPS输出电压、UPS输出电流, 通过控制液晶显示模块OCMJ2×10C显示出来。
在设计时把整个UPS系统分为UPS模块和MSP430F147模块2个部分来进行单独设计, 最后通过接口跳线完成系统的统一。这样不仅简化了设计难度, 而且方便了调试。在UPS模块中主要完成电池的充放电管理、电源的切换及过放管理电路的设计, 其中电源的切换、过放保护的控制由MSP430F147的输出端提供。MSP430F147模块的功能:实时监测127 V交流电是通电状态还是断开状态;实时将采集到的24 V电压信号通过液晶屏显示出来;通过控制图1所示的切换开关的闭合或断开, 提供给负载不间断供电。
1.2 硬件电路设计
煤矿井下交换机用直流UPS硬件电路包括整流稳压电路、充放电管理电路、切换电路、过放保护电路4个部分, 主要满足当矿用交流电供电时, 交流电一部分经整流稳压后在电池管理芯片的控制下对电池充电, 另一部分通过AC/DC模块转换为24 V直流电源给交换机及MSP430F147供电;当矿用交流电断电后, 在200 ms内经过MSP430F147检测并自动控制晶闸管控制位, 使晶闸管导通完成切换, 启动后备电源镍镉电池给交换机供电, 从而完成UPS功能[3]。
1.2.1 整流稳压电路
整流稳压电路如图2所示, 经J1接入矿用交流电, 从整流桥输出的脉动电压经过电解电容C1滤除高次谐波分量后, 接入三端可调稳压管LM317T, 输出电压为
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这样通过适当调节调整电阻R7的值可以使输出电压达到24 V左右。
图2中, 在LM317T输入端接C1可进一步滤除纹波, 输出端接C7能消除自激振荡, 确保电路电压稳定;C6与R6并联组成滤波电路, 减小输出的纹波电压;二极管D5的作用是防止输出端与地短路时, C7上的电压损坏稳压器。
另外, TSET1端与MSP430F147的P1.3、P1.4脚相连, 用来监测供电状态。P1.3脚设置为中断模式 (下降沿有效) , 用来判断矿用交流电是否掉电, 如果掉电则立即启动电池供电系统;P1.4脚用来判断供电状态, 如果为高电平则采用矿用交流电供电, 如果是低电平则采用电池供电。
1.2.2 充放电管理电路
充放电管理电路如图3所示。
(1) 电池数量的设定:
MAX713提供可编程引脚PGM0和PGM1, 通过对这2个引脚采取不同的电压连接方式即可设置充电电池数量 (1～16节) 。由于采用24 V镍镉电池, 按照每节2 V计算, 可知所用电池数量为12节, 因此, PGM0连接BATT-、PGM1连接REF。
(2) 充电速率及时间的设定:
通过设置PGM2和PGM3引脚的编程电压可设定电池的充电速率和充电时间。MAX713最大允许快速充电时间为264 min, 因此, 其最小充电速率将不能低于充电电池容量的四分之一。快速充电电流可按以下公式计算:
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由于本设计中采用最大充电时间为264 min, 可以算出快速充电速率。设置PGM2、PGM3都与镍镉电池负极相连, 可使最大充电时间为264 min。
为了更好地测量电池电压及充电电流, 在电池的输出端串联了一个1 Ω电阻。图3中TEST4与MSP430F147的电压采集端P6.6相连。
1.2.3 切换电路
晶闸管在工作过程中, 阳极A和阴极K分别与电源和负载连接, 组成晶闸管主电路, 晶闸管的门极G与MSP430F147的控制引脚相连, 组成晶闸管控制电路。
如图4所示, P0与MSP430F147的P2.1引脚相连, 在矿用交流电供电时, 矿用交流电经AC/DC模块直接作为UPS输出 (即为DC24 V) , 当检测到矿用交流电断电时, MSP430F147立即置P2.0、P2.1引脚为高电平, 导通晶闸管, 启动电池供电;当矿用交流电再次通电后, 在交流电的作用下, AC/DC模块的24 V电压使晶闸管的阳、阴极压降接近于零, 晶闸管关断, 从而切断电池供电。
1.2.4 过放保护电路
矿用交流电故障时, 晶闸管导通, 由电池对外供电。为保证电池的正常使用, 放电时必须保证电池电压高于放电终止电压。放电终止电压是指蓄电池放电时允许的最低电压。如果电压低于放电终止电压, 则蓄电池继续放电, 电池两端电压会迅速下降, 形成深度放电, 这样, 极板上形成的生成物在正常充电时就不易再恢复, 从而影响电池的寿命[4]。本设计采用的镍镉电池的放电终止电压一般规定为1 V。因此, 为保护电池, 避免形成深度放电, 设计了过放保护电路, 如图5所示。其中P1端与MSP430F147的P2.0引脚相连, MSP430F147实时检测电池电压, 当电池电压高于放电终止电压时, P1端置高电平, 三极管Q3导通, 继电器J2的1、2脚闭合, 电池处于充电状态;当电池电压低于放电终止电压时, P2.0引脚置低电平, 三极管Q3截止, 继电器J2的1、2脚断开, 从而使电池断开, 避免深度放电。
为了测量UPS输出电压及输出电流, 在输出端串联了一个0.1 Ω的电阻, TEST2、TEST3端分别与MSP430F147的电压采集端P6.3、P6.4相连。
1.3 微控制单元设计
微控制单元采用MSP430F147单片机, 它是一款16位单片机, 具有集成度高、外围设备丰富、功耗低等优点, 非常适合在手持设备、由电池供电的设备中使用。MSP430F147在休眠条件下的工作电流只有0.8 μA, 就是在2.2 V、1 MHz条件下工作电流也只有280 μA。
图6为MSP430F147控制框图。
微控制单元的主要功能:
(1) 通过外部中断来检测供电状态, 当矿用交流电断开时控制切换电路使电池供电。
(2) 完成对电压电流的采集, 当矿用交流电正常时, 采集电池电量和输出电流;当交流电断开时, 采集电池电量、充电电流。
(3) 控制液晶显示芯片, 输出采集数据。
(4) 通过对电池电量的采集, 判断电池电量, 当电池电量低于1 V时控制过放保护电路, 切断电池供电, 运行结束。
2 直流UPS的软件设计
煤矿井下交换机用直流UPS利用MSP430F147的P1.3引脚作为中断口来监测矿用交流电是否掉电。如果掉电, 则启动中断子程序来处理。该UPS软件包括中断模块 (电源切换模块) 、过放保护模块、电压采集模块、液晶显示模块4个模块。其中, 主程序流程、中断程序流程、过放保护程序流程分别如图7、图8、图9所示[5]。
3 测试结果分析
为验证该UPS的可行性, 笔者对其进行了测试。测试结果表明, 该UPS电源功能基本上能实现, 但是在稳定性和精确性上还存在着一定问题。存在的问题及解决方法如下: (1) 在最初的程序设计中采用的是循环检测P1.3端口的电平, 这样就造成了当矿用交流电掉电后, 不能迅速检测到P1.3端口电压的变化, 导致启动电池供电不是太及时。把P1.3端口改为中断模式, 这样就可以做到P1.3端口电压的实时监测; (2) 在UPS模块硬件电路设计中, 晶闸管的控制端没有加电阻R12, 使晶闸管的控制端存在着静电, 导致矿用交流电重新供电时, 不能很好地切断电池供电, 在晶闸管的控制端接一个下拉电阻可解决该问题[6,7]。
4 结语
煤矿井下交换机用直流UPS采用MAX713电源管理芯片对电池进行智能充电;采用MSP430F147单片机作为微处理器, 利用外部中断方式监测矿用交流电掉电或出现故障状态, 当发现矿用交流电不能正常供电时对电路进行切换, 启动电池供电, 从而确保交换机可持续工作。
摘要：设计了一种煤矿井下交换机用直流不间断电源。该不间断电源采用MAX713电源管理芯片对镍镉电池进行智能充电;采用MSP430F147单片机作为微处理器, 利用外部中断方式监测矿用交流电的工作状态, 当发现矿用交流电不能正常供电时对电路进行切换, 启动镍镉电池供电, 从而保证交换机持续工作。测试结果表明, 该不间断电源具有一定的实用性。
关键词：矿用交换机,直流不间断电源,镍镉电池,充电,MSP430F147,MAX713
参考文献
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交流不间断电源 篇9
关键词：应急电源EPS,不间断电源UPS
1 应急电源EPS
EPS的中文意思为为“应急电源”, 是Emergency Power Supply的缩写。EPS应急电源是允许短时电源中断的应急电源装置。作为消防应急电源系统, 当建筑物发生火灾时, 为疏散照明和其它重要的一级供电负荷提供集中供电。在正常情况时, 由交流市电经过互投装置给重要负载供电, 当交流市电断电后, 互投装置将立即切换至逆变器供电, 供电时间由蓄电池的容量决定, 当市电电压恢复时, 应急电源将恢复为市电。目前EPS的主要应用领域是为各种建筑物和重要公共设施的消防应急照明和消防动力提供应急备用电源。同时在化工、冶金、污水处理、自动化生产线等工业领域、医院手术室和监护病房、大型场馆和超市等的正常照明等方面也有很多应用。随着EPS产品的技术进步、技术性能和可靠性的进一步完善, 以及人们安全防范意识的提高, 真正实现有效的末端切换EPS应急电源无法替代的消防必用产品, 它的应用会更加广泛。
2 不间断电源UPS
UPS的中文意思为“不间断电源”, 是“Uninterruptible Power Supply”的缩写。它可以保障计算机系统在停电之后继续工作一段时间以使用户能够紧急存盘, 使您不致因停电而影响工作或丢失数据。它在计算机系统和网络应用中, 主要起到两个作用:一是应急使用, 防止突然断电而影响正常工作, 给计算机造成损害;二是消除市电上的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电线噪声和频率偏移等“电源污染”, 改善电源质量, 为计算机系统提供高质量的电源。
3 EPS应急电源与UPS不间断电源的比较
3.1 EPS和UPS性能比较
EPS应急电源: (1) 工作目的:确保应急供电万无一失。 (2) 结构特点:可与消防联动, 机壳和导线阻燃措施, 有多路互投功能, 有防止高低温、湿热、盐雾、灰尘、震动及鼠咬等措施。 (3) 运行方式:离线运行方式。 (4) 节电:在电网正常时处于睡眠状态, 耗电不足0.1%, 无电网供电时, 其效率90%以上。 (5) 噪音:在电网供电正常时处于睡眠状态, 静置无噪音, 无电网供电时, 其噪音低于55d B。 (6) 寿命:只有在电网无电时才进行逆变工作, 使用寿命相对较长, 一般在20年以上。 (7) 价格:主机价格低。 (8) 负载适应性:适应电感性、阻性及综合性负载的设备, 适应负载能力强。 (9) 使用环境:可放置于地下室、配电室或竖井内, 可紧靠应急负荷使用场所就地设置, 减少供电线路。UPS不间断电源: (1) 工作目的:确保供电不间断和稳压。 (2) 结构特点:与消防无关, 无须阻燃措施, 无互投功能, 无须特殊措施。 (3) 运行方式:在线运行方式。 (4) 节电:在电网供电正常时也工作, 其效率仅8 0%~90%, 约有10%~20%的电能被消耗。 (5) 噪音:一直处于工作状态, 工作噪音一般为55d B~65d B。 (6) 寿命:UPS是只要开机就连续不间断工作, 寿命相对较短, 一般在8年以上。 (7) 价格:主机价格比较昂贵, 是同容量的EPS的1.5倍。 (8) 负载适应性:UPS适应计算机类电容性负载, 适应负载单一。 (9) 使用环境:对使用环境要求高, 只能放在计算机房或空调房内。
EPS与UPS两者均具有市电旁路及逆变电路, 其功能区别是:EPS仅具有持续供电功能, 一般对逆变切换时间要求不高 (特殊场合的应用具有一定要求) , 可有多路输出且对各路输出及单个蓄电池具有监控检测功能, 日常着重旁路供电, 市电停电时才转为逆变供电, 电能利用率高。而在线式UPS仅有一路总输出, 一般强调其三大功能: (A) 稳压稳频 (B) 对切换时间要求极高的不间断供电 (C) 净化市电, 日常着重整流/逆变的双变换电路供电, 逆变器故障或超载时才转为旁路供电, 电能利用率不高。
在国内, EPS主要用于消防行业的用电设备或其他供电质量要求不高的用电设备, 仅强调能持续供电这一功能, 而UPS一般用于精密仪器负载 (如电脑、服务器等IT业负载) 要求供电质量较高场合;极度强调逆变切换时间、输出电压、频率稳定性, 输出波型的纯正, 无各种干扰等。EPS是在UPS的基础上衍生出来的不同行业产品, 应用的使用时间相对较晚。
3.2 E P S和柴油发电机性能比较
在深圳地区一般采用的是环网供电, 不能满足双电源供电的要求, 因此在我们的设计中, 经常采用自备柴油发电机组作为第二电源, 从而满足各一、二级负荷及重要负荷的要求。但在我们设计柴油发电机房的时候, 需要考虑一系列的问题:柴油发电机房的大小, 机组的运输通道, 进、排风口及烟道的设置, 另外还须请环保公司对柴油发电机房进行专门的环保设计, 以使其产生噪声及排放的烟气达到要求。而且在做消防设计时, 因为柴油发电机组的存在, 须增加CO2气体灭火系统。因此, 每次在设计柴油发电机组时, 都得与各专业反复协调, 既要考虑建筑的美观, 又要满足柴油发电机组运行的要求。EPS应急电源灵活、方便, 一个工程可以根据需要集中设置, 或分散就地设置。 (1) 作为第二路电源, 就地设置EPS;此种方案适用于小型工程, 既不能从市政取得第二电源, 单独设置柴油发电机房又不经济, 因此最好采用此方法。例如一些小高层住宅, 地下室仅为设备房, 没有裙房, 但有生活泵、消防泵及电梯等, 按规范要求这些设备需要双电源供电, 且需末端切换。考虑到所需备用容量不大, 单独设置一台柴油发电机组不经济。这样就可以在地下室水泵房和顶层电梯机房各设一台EPS应急电源。此种方案还减少了因末端切换所需的电缆, 既经济又方便。 (2) 作为第二路电源与变电所相连;此种方案适用于较大工程, 各风机、水泵、电梯及其他消防设备的数量多, 单台设备用电量大, 采用此种方案比就地设置经济。我们既可以根据工程的不同情况选择不同的方案, 也可以在一个工程中既就地设置EPS应急电源, 又在变电所集中设置。总之, EPS应急电源的应用非常方便、灵活。EPS既可以采用类同于柴油发电机的配电方案, 也可对一些应急负荷要求较高的场所, 在配电末端设置EPS, 这样就可以避免像柴油发电机由于正常线路故障而不能启动的情况。对应急照明, 目前采用较多的是独立供电式系统, 即每个应急照明灯具自带蓄电池作为备用电源。建议采用集中供电式系统, 在每层配电小室设专用的EPS装置, 用于应急照明的供电, 应急照明灯具本身不带蓄电池, 正常照明电源故障时, 由EPS集中供电。应急电源EPS (指三相应急电源) 可以部分地代替柴油发电机。凡用于应急供电的场合均可以用EPS代之, 但如需长的时间供电则EPS有一定的困难, 还是用柴油发电机有优势。所以EPS定位为应急电源, 而柴油发电机通常为备用电源。如果备用容量达到200k W以上采用柴油发电机比较合理, 相反200k W以下的采用EPS。
参考文献
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交流不间断电源 篇10
关于数据中心的节能技术众多,本篇侧重于从数据中心不间断电源的角度来对数据中心节能做些探讨。
1 传统UPS和DPS)间的比较
传统UPS:传统UPS根据供电方式可分为在线式(ON-LINE)、后备式(或称离线式,OFF-LINE/BACK-UP)及在线交互式(LINE-INTERACTIVE)三类。UPS通常又分为工频机和高频机两种。
分布式电源系统DPS (Distributed Power System)是近两年出现的新兴技术,主要是小容量的UPS及配套蓄电池能设在机架中,可不需建设电力室,提高机柜利用率。系统具备高密度一体化的特性,集成电源模块、锂电电池储能模块、检测模块、监控模块,为机架负载提供了一体化供电综合解决方案。DPS产品和DPS配电系统架构分别如图1和图2所示。
DPS配电系统的工作原理:DPS分散供电针对每一个机架单独提供后备电源,同时采用磷酸铁锂电池直接作为服务器后备电源。正常情况下,市电直通,模块向服务器输出交流电;当电网断电时,DPS通过转换开关切换到电池状态,后备电池开始工作,给服务器供电。
1.1 DPS系统的特点
(1) DPS电源系统配置
DPS系统分为交流型和直流型,每架配置1台DPS系统,可根据数据机架功耗和备用电需求选择相应的DPS类型及容量。
(2)高密度一体化
1)电源电池一体化,单机架独立供备电系统。
2)标准3U高度,体积小、重量轻。
3)可实现快速安装部署,方便建设、扩容。
(3) DPS系统输入输出
DPS系统为双路相互独立的输入输出系统,可实现真正两路市电输入输出。两套独立的电源系统可为双电源负载提供两路独立稳定的电力供给,每一路均可以独立承担起全部负载容量。
在设备列头设置交流列头柜,列头柜由市电供电,列头柜输出2路220V交流电至DPS系统输入端,输出可有12V/48V/240V/336V等选择。
(4)占地面积
DPS系统安装在数据机柜中,无需单独设置电力室,提高了机房的容积率。
(5)承重
DPS设备一般最大容量为6kVA,重量不超过60kg,满足机柜托架安装要求,同时满足普通网络机房承重要求,可有效降低IDC机房土建中额外的承重建设要求及成本。
(6)负载分配
DPS系统负责单独机架,不存在功耗分配的问题。
(7)扩容性
DPS系统扩容比较灵活,可根据后期设备的交、直流供电类型以及设备功耗直接进行扩容配置。
(8)维护性
DPS系统具备在线更换功能,在保证负载设备供电不中断的情况下,可在短时间内完成单台设备的更换。
(9)主设备支持
DPS系统为常规供电方式,支持所有厂家的设备。
(10)集中监控
DPS设备具备多种监控方式,可在设备层、上位机、异地终端形成多层面的立体监控系统,可通过串口/SNMP形式输出全部监控数据。通过监控汇聚、传输网络,将监控信息在异地终端进行解析呈现,实现全部DPS系统的异地集中监控。
1.2 DPS分散式供电与传统在线式UPS节能能力分析
(1)传统的UPS系统采用N+1冗余方式配置,设备冗余量大,系统内部能量经两次转换,利用效率相对较低,系统自损功率约为系统功率的8%。而DPS系统由于采用后备式工作原理,其系统自损基本可以忽略不计,因此节约了大量电能。
(2)DPS系统自身散热较少,且不需要单独建设电力室,因此,节约了电力室空调的耗电及二氧化碳的排放。
(3)DPS产品重量较轻,不需要对机房承重提出单独要求,在大楼建设初期节约了钢筋及混凝土用量,间接做到节能减排。
(4)DPS分散式供电自低压室至交流分配屏到列头柜,缩短了电缆路径,节约了蓄电池至UPS间的电力电缆,减少了电力传输线路上电能的损耗。
(5)DPS系统采用磷酸铁锂电池,其转换效率约为95%,而传统的UPS系统采用的铅酸蓄电池转换效率约为80%。因此,磷酸铁锂电池更加节能。
(6)磷酸铁锂电池相对于传统的铅酸电池,无酸雾溢出,不会对环境造成污染,非常环保。
DPS系统采用磷酸铁锂电池作为储能介质,旨在IDC机房中发挥磷酸铁锂电池在节能减排方面的优势,为IDC电源及储能领域提供新的模式。磷酸铁锂电池在IDC备电场景应用中,节能优势主要表现为以下三点:
(1)配置容量少
IDC机房的电源后备时间多为20～60min,对于储能电池属于1C～3C放电,在此放电倍率下,传统铅酸电池的放电能力减弱,实际放电容量大幅降低,需要2倍以上于正常配置的容量才能满足IDC机房的备电需要。而磷酸铁锂电池因其优秀的倍率放电能力,在1C～3C场景下放电效率均高于0.9,无需明显扩容使用。以30min备电要求为例,铁锂电池配置容量是铅酸电池配置容量的48.7%。
(2)转换效率高
磷酸铁锂电池在能量转化效率方面高达95%,而传统铅酸电池的能量转化效率仅为80%,高于铅酸电池15%。在同样的备电时间下(30min),结合铁锂电池倍率放电能力的优势(配置容量为铅酸电池的48.7%),铁锂电池的充电耗能是铅酸电池的41.2%,在IDC应用场景下充电耗能方面节能减排优势更加明显。
(3)自放电率低
磷酸铁锂电池的月自放电率仅为2%,相比传统铅酸电池4%的月自放电率,节省了2%的能量自损耗。在IDC场景应用下,结合倍率放电及转换效率的优势,铁锂电池在长期浮充耗能方面仅为铅酸电池的25.6%,大幅减少长期运营耗能。
1.3 DPS分散式供电与传统在线式UPS供电整体优势分析
(1) DPS供电分散至每个机柜,若出现故障,影响范围较传统UPS系统减少很多,安全性更高。
(2) DPS产品重量较轻,对建筑结构没有特殊要求,适用于各类通信机房。
(3) DPS产品由于采用后备式工作方式,且仅进行一次逆变,相对于UPS系统,减少了系统自损功耗,节约了大量电能,长期使用,电费节约非常可观。
(4)DPS系统对温度要求不高,工作温度范围较宽,自身散热较少,减少了空调的配置数量,节约了投资,减少了空调耗电。
(5)磷酸铁锂电池相对于传统的铅酸蓄电池转换效率高,自放电率低,体积小,重量轻,无污染。
(6)DPS系统安装方便,建设周期较短。且可进行分批建设,根据用户服务器进场时间分批开启设备,减少系统空载时间。
1.4 DPS的不足及小结
虽然DPS系统在系统整体效率、安全性、节能、占地面积等方面有着多项优势,但由于该技术市场应用时间较短,设备安全性、可靠性还有待时间的进一步考验,其主要不足如下:
(1)由于DPS单个模块目前市场上最大仅6kVA,对于功耗较大的机柜区,无法满足其使用需求。
(2)DPS设备重量不超过60kg,如果用这样的方法给高密度机柜(>5KW)机柜供电,那么每个机柜都要增加近60kg,机房的承重提高。所以DPS不适合高热密度机房。
(3)由于DPS模块设在机柜中,对于维护人员的要求会非常高,且维护人员必须进入机房区域方可操作,对于维护和使用操作人员要求分开作业的客户不愿意这样混在一起。
(4)由于DPS模块及蓄电池均设在机柜内,会有大量的电缆,对于桥架的需求也较大。
(5)由于蓄电池也设在机柜内,一般后备时间仅15分钟,无法满足需要更长后备时间客户的需求。
目前,该技术仅在北京地区的电信运营商试用了1～2年,运行状况较为良好。但相信在不久的将来,随着国家对节能的制度更加完善,要求更加严格,客户对机柜利用率的要求等,该技术一定会有较好的应用。
2 UPS和240V直流供电系统之间的比较
2.1 高压直流240V的概述
高压直流供电系统是相对于传统通信用一48V低电压直流供电系统而言的,所以从本质上讲其实还是属于低压供电系统,只是在直流供电系统中属于较高电压等级。
240V标准的提出主要是因为该电压等级的产品目前在国内运营商尤其是电信系统中应用较为广泛。究其原因,首先是电信运营商对节能比较重视,第二,他们敢于尝试采用新技术来达到提高供电可靠性和节能目的,再则现在电信系统所采用的服务器等设备均支持240V直流供电。
2.2 高压直流240V与传统UPS的对比
传统UPS系统的工作原理如图3所示。传统UPS系统需先经过交流/直流变换,再经过直流/交流变换的两个过程。其存在的问题如下:
(1)为解决单个UPS电源可靠性不高的问题,一般采用多个UPS并联冗余方式供电,大大增加了用户的成本。
(2)系统中存在两个谐波源,对电网和系统本身形成干扰、降低输入功率因数和利用率等。
(3)蓄电池位于UPS输入端,当UPS电源本身出现故障时,蓄电池的作用无法发挥。
(4)UPS电源中交流到直流的逆变环节是系统中成本最高、可靠性最低、耗能也最高的环节。
(5)UPS系统的效率较低、维护复杂、占地面积大。
1)高耗能:单机效率一般在60～0%,1+1并机冗余系统约为50%。
2)可靠性低:冗余技术可以使其UPS设备本身的可靠性大为提高。但就整个UPS供电系统而言,有很多不可备份的系统单点故障点,比如同步并机板、静态开关、输出切换开关等,这些单点故障点都可能导致整个通信系统“掉电”瘫痪。
3)维护、扩容难度大:UPS扩容涉及到电源的频率、电压、相序、相位、波形等问题,不像直流电源系统扩容只关注电压一个参数,所以每一次UPS在线扩容都是一次巨大的风险操作,甚至可能因为UPS制造商产品更新换代使得UPS扩容不可能,使得UPS单台故障时没有设备替换。
高压直流240V系统结构如图4所示,其工作原理如图5所示。
从图4和图5可以看出,能源仅经过AC/DC一次变换,不存在谐波电路,系统的输出采用直流系统总输出屏加电源头柜的二级配电架构,且其备用电源为电池,能直接保护负载,其负载供电可靠性取决于电池可靠性。而传统UPS其整流器输出接蓄电池组,蓄电池不能直接保护负载,负载供电可靠性取决于UPS系统可靠性。
2.3 240V高压直流系统的特点
(1)可靠性高
采用直流供电,蓄电池可以作为电源直接并联在负载端,当停电时,蓄电池的电能可以直接供给负载,确保供电的不间断。
不存在相位、相序、频率需同步的问题,系统结构简单很多,可靠性大大提高。
交流UPS系统虽然可以用提高冗余度来提高安全系数,但是由于涉及到同步问题,每个模块之间必须相互通信来保持同步,所以还是存在并机板的单点故障问题。而直流模块没有这些问题,即使脱离控制模块,只要保持输出电压稳定,也能并联输出电能。
(2)工作效率提高
直流电源模块的效率一般都在92%以上,即使模块使用率在40%,效率也可以达到91%。
(3)扩容维护方便
采用模块化结构,支持热插拔,只要预留好机架位置,维护扩容是非常方便的,而不必像UPS故障只能等待厂家人员到达。
(4)不存在“零地”电压等不明问题的干扰
因为是直流输入没有零线,因此也就不存在“零地”电压,避免了一些不明的故障,维护部门也无需再费时费力去地解决“零地”电压的问题。
2.4 传统UPS与高压直流240V工作效率对比(图6)
2.5 结论
(1) 240V直流系统供电与UPS交流供电相比,克服了UPS逆变器故障、并机控制设备故障等中断供电的隐患,系统简单可靠,操作、维护、扩容、改造方便。
(2)高频开关电源效率比UPS效率高,直流供电系统配置冗余比UPS配置冗余低,所以240V直流供电系统能耗低,比UPS供电系统节电25%以上。
(3)通信用240V直流供电系统在工程建设、维护上优于UPS系统,建设成本可降低20%以上。
(4)虽然240V直流供电系统有着种种优点,由于240V直流供电系统仅在电信运营商应用较多且已形成自己的行业标准,但政企、金融等行业对240V直流系统的认知度较低,同时由于政企行业的普通服务器设备有些不支持240V直流供电,所以在这些行业还没有采用,他们还是采取传统的UPS系统。随着技术的发展,相信未来可以大范围推广选择240V直流供电系统作为不间断供电电源,以达到更加节能的目标。
3 传统UPS和模块化UPS的比较
二者之间的比较见表1。由于模块化UPS模块之间能实现相互冗余备份,其占地面积小,整机效率高,可根据用户所需实际负载进行配置,可实现更为节能的效果。
4 结束语
交流不间断电源 篇11
1. UPS介绍
不间断电源UPS (Uninterruptible Power Supply) 不仅在输入电源中断时可立即供应电力, 在电源输入正常时, 也可对品质不良的电源进行稳压、稳频、抑制浪涌、滤除噪声、防雷击、净化电源、避免高频干扰等以提供使用者稳定纯净的电源, 在工业中应用广泛。但如果没有掌握UPS系统的选型、安装调试、使用维护的要点, 则会使UPS性能下降、寿命缩短, 甚至损坏。
UPS可分成离线式、在线式、在线交互式3种。离线式不断电系统, 又称后备式, 平常市电走旁边的一条路径 (俗称旁路) 直接供电给负载, 只有停电时, 才由蓄电池经逆变器转换为交流电源提供给负载电力。在线式UPS就是平常由逆变器输出给负载电力, 只有UPS故障、过载或过热时才会转为旁路输出给负载。在线交互式UPS平常由旁路输出给负载, 逆变器此时作为充电器。当断电时逆变器则将电池能量转为交流电输出给负载。
2. UPS系统工作原理
2.1 整流器将交流电转换为直流电压。
2.2 直流转换器为一功率因数校正的倍压式升压转换器, 校正交流输入电流与输入电压同步;并稳定地将电压提升至约400VDC输出。此控制电路, 使输入电流能同步输入电压, 并且使UPS能承受更宽范围的输入电压。
2.3 逆变器将直流电压转换成交流电压输出, 并且与输入市电同步, 本逆变器为一半桥电路。
2.4 静态旁路电路可选择旁路输出或逆变器输出作为UPS输出的开关, 逆变器关闭时以旁路输出。
2.5 充电器可接受市电做输入而转换, 适合对电池充电的直流电压, 使电池保持在充满状态。各机种内部充电器之最大充电电流约为2.6A。
2.6 控制电路是侦测各部分控制电路运作。
2.7 手动旁路开关是用来隔离UPS的整流器、充电器、逆变器和静态开关, 交流市电直接经手动旁路开关及输出断路器供电给负载, 以便对UPS做维修保养。
2.8 输出隔离变压器提供电气隔离和多重输出电压。当UPS开机时, 由输入交流电源经滤波器后分成2路输出, 其中1路输出送至交流变直流转换器 (AC/DC) , 转换成直流电后再送给半桥式直流变交流逆变器 (DC/AC) , 呈交流输出;另1路作为旁通路径。一般而言, 开机后UPS会进行内部自我诊断, 若一切正常, 旁通开关会选择逆变器输出, 此种输出称为在线式模式输出。当输入市电断电时, 整流器与充电器即不工作, 而直流转换器工作, 将蓄电池的电压转换至逆变器的输入端, 再转换为交流输出, 即电池模式输出。
3. UPS选型与安装调试要点
UPS装备及配件在出厂前都举行过严格的检查和试验, 装备抵达现场后, 用户应做以下几项安装前的准备事情。
3.1 大型UPS对场地、环境的要求
3.1.1 装备就位场地应该是“工业类型”的硬质洋灰型的
水平地面, 如果采用防静电活动地板, 则需要在考虑到地板的平均负荷量的基础上, 还要按照UPS的重量来设计制作供安装装备的托架。对于多数大型UPS来说, 其规范机型的电缆为下进下出型。UPS机柜的透风的进气口位于机柜的正面或者侧面, 发泄口在机柜的上部或者后面。为此, 在安装UPS时, 要求用户事先准备好电缆敷设地沟。地沟的深度为40cm摆布。当用户采用桥架电缆敷设时, 应选用电缆为上进上出型的机型。
3.1.2 UPS供电系统应安装在具有透风杰出、凉爽、湿度不高和具有无尘前提的清洁空气的运行环境中。
尽管一般的UPS所允许的温度范围为0℃~40℃之间。然而, 如果前提允许, 应将环境温度节制在35℃以下。UPS厂家推荐的事情温度为20℃~25℃。湿度节制在50%摆布为好。此外, 在UPS运行的房间里不应储存安放易燃、易爆或者具有腐蚀性的气体或者液体的物品。
3.1.3 严禁将UPS安装在具有金属导电性的尘埃的事情环境中, 不然会导致装备产生短路故障。
也不宜将UPS安放在靠近热源处。
3.1.4 不管所配的UPS蓄干电池组是否配有带温度补偿的充电器。
为了确保蓄干电池组的使用寿命, 应该将蓄干电池房的温度节制在20℃~25℃之间。
3.1.5 UPS的摆布侧必然要保有50mm的空间, 后面有100mm空间, 以保证UPS透风杰出。
UPS前面应有足够的操作空间。通过实践证明, UPS最好不要靠墙安装, UPS与墙之间要留有1m摆布的距离, 以便于UPS的维修。
3.2 大型UPS的安装技术参数
输出功率 (KVA) 30406080120200300400;交流输入电源380/400/415V, +10%, -15%;最大输入电流 (A) (满载+干电池浮充电流) 6280120150230390570765;标称输出电流 (A) 435787122183305456609;带定额负载时的功耗 (KW) 2.23.24.35.67.512.41722;透风量 (m3/h) 512800112018002600350055006160。基于这些缘故, 用户应按照自己所选用的UPS的标称输出功率 (KVA) 及差别蓄干电池组的临界放电电压值来估算有可能流过蓄干电池电力电缆的最大电流值。对于上述差别蓄干电池组的标称临界放电电压值为:
30×12V蓄干电池组为300V;
32×12V蓄干电池组为320V;
33×12V蓄干电池组为330V;
5×12V蓄干电池组为350V;
40×12V蓄干电池组为400V;
48×12V蓄干电池组为480V。
3.3 设备品牌及配线选择
在设备选择上, 应尽量选用专业厂家生产的产品, 这样不但设备技术指标有保证, 专业厂家的售后服务也很有保障。在选购UPS电源时主要考虑到设备的输入输出电压范围、输出频率范围、旁路逆变零切换、抗浪涌突波、高频干扰以及谐波失真等能力。在选择使用高频机型时, 对计算机及其它光电网络设备造成的影响也不可忽视。其次是合理地选择UPS电源连接配线, 因电池工作电流之大, 如选择线径太细, 容易发热氧化引发事故, 可选用容量足够的多股铜芯线或铝线。
4. UPS使用要点
4.1 UPS不宜带载开机和关机
没有延迟启动功能的UPS, 带载开机很容易在启动的瞬间, 烧毁逆变器的末级驱动元件。因为刚开启时, 控制电路的工作还未进入稳定状态, 启动瞬间会产生较大的浪涌电流, 对UPS的末级驱动元件而言, 更是如此。当负载中包含有电感性负载时, 带载关机也同样可能引起末级驱动元件的损坏。因此, 不能带载开机和关机。
4.2 示波器观察UPS注意要点
UPS逆变器正常运行时, 禁止用示波器观察控制电路波形。UPS的核心部件是逆变器, 逆变器运行时, 请不要用示波器或其他测试工具观察控制电路的波形。因为测试时, 尽管特别小心, 也很难避免表笔与临近点相碰, 更难防止因表笔接上后引起电路工作状态的变化。一旦电路工作异常, 就有导致末级驱动元件烧毁的危险。在维修中已发现过多次人为烧毁逆变器的现象。有的是属于维修经验不足, 有的是为了学习, 观察电路波形而引起的。
4.3 后备式UPS不能加大市电输入保险丝容量
后备式UPS在逆变器供电时, 一般都没有过载和短路自动保护功能, 但在市电时, 一般靠输入交流保险担当过载保护任务, 所以用户不可轻易地加大市电输入保险丝的容量;否则, 一旦UPS输出发生短路事故时, 有可能出现输入保险烧不断, 印制板上的印制线却被烧毁的危险。
5. 结语