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UPS的概念及UPS供电原理和UPS供电范围及容量计算

2015-5-20      浏览:

(一)UPS的概念
(二)不间断电源UPS供电原理 
(三)UPS电源的技术性能
(四)UPS供电方案设计
(五)网络机房可选发电技术
(六)UPS供电范围和容量估算

  (一)UPS的概念 
  普通定义:UninterruptablePowerSupply 
  专家认为:UPS应该为UnintenuptablePowerSystem,即是一个高可靠、高性能、高度自动化的供电中心。 
  UPS是UninterruptablePowerSupply的简称,也就是不间断电源。它的出现与最早应用,是为某些重要部门电网掉电时的持续供电提供保障。但是,电子信息产业与网络技术的迅速发展,对供电质量不断提出了更新更高的要求。据统计,在计算机故障中,有50一70%的原因是电源故障造成的。这些电源故障包括电网电压过压、欠压、瞬时跌落、失压和故障停电等由于电源环境、设备以及传输系统,乃至自然环境造成的各种干扰。在这些故障中,电网完全掉电仅占百分之几,在大城市以及供电环境较好的地区,应以几次/年计,但是在有代表性的场所,计算机遭受的电网和传输系统的干扰,幅度在几十伏的可达每日数次之多,所以UPS不再仅仅是为完全掉电提供后备电源的设备,而应为各种电源问题提供解决方案。 
  假设你是一个网络管理员或系统管理员,理解网络不间断并不难,然而很多情况下,没有意识到的电源问题可能会使你的系统出现各种无法解决的困难,甚至于崩溃。系统的可用性至关重要,而作为网络运行基础的电源的可靠性自然成为首先考虑的问题。同时,电源的智能监控与管理在网络经济时代不可或缺。单纯的提供不间断供电已经不能满足要求。 
  专家认为UPS可以改为UnintenuptablePowerSystem的简称,也就是说,UPS,特别是大中型UPS,它已经不仅仅是一台简单的不停电供电整机产品,随着UPS技术的发展和成熟,它将成为一个中型的或者说局部的高可靠、高性能、高度自动化的供电申心。它的功能应该包括我们传统概念上的以下环节和内容: 
  第一,主机运行高效、高可靠,能在各种复杂的电网环境下运行,输出能全面地高质量地满足各种负载的要求。 
  第二,有很强的可用性和可维护性,有高度智能化的自析功能状态显示、报警、状态记录和通讯功能,甚至有环境监测功能。 
  第三,有很强的网络保护功能,也就是说,它不仅向直接由它供电的硬件设备提供可靠的保护,还应该向它们所运行的软件提供保护,UPS可配置相应的电源监控软件,SNMP(网络管理协议)管理器,有远程管理能力,用户可执行UPS与网络管理平台之间的监控。

  (二)不间断电源UPS供电原理 
  它由整流器、逆变器、交流静态开关和蓄电池组组成。平时,市电经整流器变为直流,对蓄电池浮充电,同时经逆变器输出高质量的交流纯净的电源供重要负载,使其不受市电的电压、频率、谐波干扰。当市电因故停电时,系统自动切换到蓄电池组,蓄电池放电,经逆变器对重要设备供电。 
  UPS的不间断特性,体现在其转换时间工作程序上,当市电与逆变器进行切换时,其控制系统会适时地检测市电的同步范围,在市电不超限时,逆变器实现“先通后断”的供电,从而保证了供电系统的“不间断切换”。

  (三)UPS电源的技术性能 
  UPS电源的技术性能随使用要求的不同而不同,主要技术性能包括以下几个方面。 
  1.在线式 
  特点: 
  • 双逆变器 
  • 输出电性能指标高 
  • 输入端AC-DC变换器是整流电路,对电网产生严重的干扰公害 
  • 两个变换器始终在100%负载功率下工作,整机效率低,输出能力有局限,可靠性一般 
  • 市电-电池转换时,输出电压没有切换时间 
  功能说明 
  • 市电正常时,市电经过AC-DC和DC一AC两次变换后向负载供电 
  • DC一AC随时在监测并参与对输出电压的调整,是在线式工作 
  • 市电掉电后,电池通过DC一AC逆变器向负载继续供电 
  • 当负载过载或逆变器故障时,市电转旁路维持向负载供电 
  在线式原理 
  除了基本供电电路为电池逆变器电路外,基本原理图与后备式相同。无论交流输入电源是否正常,均通过逆变器电路提供电源输出。交流输入电源中断时不需要切换,不存在转为电池供电的切换时间。在电池逆变器出现故障或者逆变器内部失灵时,都需要切换为旁路供电。由于在正常工作情况下,整流器和逆变器都要消耗一定的功率,因此这种类型UPS的效率要比后备式低。无论是在线还是电池供电,在线式UPS的电源输出来自于逆变器,可以提供近乎理想化的电源,频率和电压的稳定性优于其它类型。 
  
  图中电路各环节功能如下:
  整流器:该整流器为AC-DC单向变换,当市电存在时;它完成对电池的充电,并通过逆变器向负载供电。
  逆变器:该逆变器为DC-AC单向逆变,当市电存在时,它从整流器取得功率后再送到输出端,并保证向负载提供高质量的电源,当市电掉电时,由电池通过逆变器向负载供电旁路开关:平时处在断电状态,当主电路发生故障,或者当负载有冲击性(例如启动负载时)时,逆变器停止输出,旁路开关接通,由电网直接向负载供电,旁路开关多为智能型的功率容量很强的无触点开关。
  双逆变在线式UPS的性能特点如下:
  因为不管市电有无,负载的全部功率都由逆变器输出,所以可以向负载提供高质量的电源,例如输出电压稳定精度、频率稳定度、输出电压动态响应、波形失真度等指标,都是比较高的市电掉电时,输出电压不受任何影响,没有转换时间,因为无论市电有无,全部负载功率都由逆变器供出,UPS的功率余量有限,输出能力不理想,所以对负载提出限制条件,例如输出电流峰值系数(一般只达到3:1)、过载能力:输出功率因数一般为0.8。整流电路对电网形成电流谐波干扰,输出功率因数低,谐波电流成份在30%左右,而输入功率因数只有0.8左右,在市电存在时,由于两个逆变器都承担100%的负载功率,所以整机效率低,80KVA以下的UPS为80%左右,80KVA的可达85-90%,100KVA以下的可达90-92%。
  所以在线式能够确保输出高可靠性、高质量电源。在DSP数字控制技术、数字并联技术、网络监控技术、电池管理技术、电源保护技术等方面技术先进,性能可靠。
  2.高效数字功率器件PIGBT技术
  采用先进的高效数字功率器件PIGBT作为逆变功率器件,其性能及可靠性高于上一代的功率器件IGBT,提高了逆变器的可靠性和处理速度,其逆变效率高达98%~99%,热功耗极低。谐波分量小于1.5%,使输出波形更好,对负载或接地系统等不会造成干扰。
  3.DSP技术和SMD电气集成模块
  采用数字控制技术取代传统的模拟控制。DSP数据处理技术的处理速度是传统微处理器的12倍,并使硬件线路更为简化、可靠性更高、瞬态反映能力更强。电路板采用仿真设计和表面安装焊接技术,使整机散热性好,可靠性更高。
  4.电池保护功能
  安全防护电池包括2、6、12V的通用型、深放电型、高比能型、快速充电型、循环耐久型等系列蓄电池产品。电池具有充放电的实时监测、过流及限流保护功能,可防止用户因电池过放电而造成电池永久性损害,防止过充电而造成电池寿命的减短;欠压预警功能可及时通知用户进行相关处理,以免造成大的损失;控制系统可通过设置定期电池自检功能,及时发现故障电池,避免系统故障造成的危害,并可实现在线更换电池。
  5.灵活可靠的并联技术
  采用数字模块式环路直接并联技术,能够有效的抑制并机中的环流,可以在UPS不断电的情况下实现并机扩容或维修,可以实现不同功率的UPS直接并联。
  6.通信及监控功能
  较强的通信联网功能是指UPS可以采用于接点、JBUS或SITEMONITOR软件,实现远程监控及模拟控制或集中遥测遥控。可以利用Intranet、Internet来监控UPS,每个UPS在网络中有自己的IP地址,可以通过WEB测览器来监控,采用的协议可以是TCP/IP、SNMP、HTTP和JAVA。
  7.高可靠性
  UPS单机平均无故障时间都在MTBF>35万h,并获得ISO9001国际质量标准证书,干扰标准等证书。
  8.散热系统
  机房UPS是最大的噪声源,采用冗余式智能风扇调速散热系统,则微处理器可以依据内部温度及输出功率大小,自动调节风扇的转速,以达到降低噪声、延长风扇寿命及节省能源的目的。
  9.控制和诊断监控系统
  智能化UPS应具有专家系统故障诊断软件。当UPS某一部分出现异常后,该系统能迅速对故障进行诊断、推理,判明故障部位,通过显示器给操作者或维修工程师指示,判明故障性质,以便快速修复。同时还可自动记录信息,生成信息档案,便于用户更好使用。
  10.其他
  除了上述功能外,还有主/从容错双处理器并行控制技术、过载能力和抗短路保护功能、UPS的非线性带载能力、多种启动方式、多种输入/输出模式、宽电压输入、可靠的旁路转换系统、绿色环保、正面维修、雷电保护等,是针对不同产品所具有的不同功能。此外,大容量的UPS配12脉冲整流器,能够进一步降低输入谐波分量;内置输出隔离变压器,采用零线及火线均隔离的隔离技术,可以进一步提高对负载的保护,有效地隔离零线的干扰,提高UPS系统的适应性等,都是UPS产品近几年来的先进实用技术。