UPS的基础知识教学文稿.doc

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UPS的基本知识
一、UPS的概况
1、UPS的概念
Uninteruptible Power System的英文字首简称为UPS，即我们所说的不间断电源系统，依照字面上的解释即为电力系统停止供电时，在极短的时间内取代原有的电力设备，继续供电给负载系统使用。
其工作原理：首先在正常时利用整流装置将交流输入整流成直流电力，然后一路对蓄电池充电，一路籍以将直流电力供给逆变器，逆变器将直流电力转换成稳定的交流电力输出经静态开关装置供给负载使用。当输入电力中断时，由储存在蓄电池内的直流电力供应逆变器工作转换成交流电力供负载使用。待市电完成供电准备后，才停止由蓄电池输出转换。
二、UPS的组成概要
依UPS内部构造可分为：电池组、充电器、逆变器及静态开关。
1、电池组
UPS所用的电池种类相当多，其差别在于极板材质、构造及电解液成份的不同，目前广泛UPS采用的为铅酸免加水电池，其优点在于重量轻、寿命长。电池容量单位为安培/小时（Ah），数值越大则表示电池的容量越大，一般UPS标准放电时间在满载状态下最长不超过15分钟，若使用者欲延长放电时间则需另外加长效型充电电路来使用，由于电池为UPS市电中断后的电力来源，故其电池的品质及可靠度是不容忽视的，所以电池的品牌亦是选择UPS的指标，最好能尽量选世界知名品牌。
2、充电器
电池充电器经由变压器与市电隔离，对电池充电及提供逆变器电力，此电源需有足够的容量，但又必需有一定限流装置电路来保护电池的寿命，一般而言，对已耗尽电力的电池进行充电，将花费其放电时间常数的 8～10倍才能回充至额定压的80％，故标准型小容量在线式每放一次电需8小时以上的充电时间才能恢复电力。
3、静态开关
静态开关可由两个单向可控硅组成，以可控硅的高速开关特性来补偿输出继电器触点跳接时间，使AC与INV转换时，转换时间小于5ms，因为继电器的跳接时间不能满足UPS负载的要求（电脑允许断电的最短时间小于6ms）。
4、逆变器
逆变器是一种电力转换电路，它所担任的工作是将直流电源转换成一般的交流电，在UPS领域内利用整流器将交流电力整流成直流电力，然后再经逆变器转换成交流电力，即所谓的AC-DC-AC，使输出电源更为纯净，其具备如下功能：
（1）反转：将整流器及电池组所供应的 直流电源换成交流电源，波形失真小于5％。
（2）稳定：保持交流输出电压再负载能接受之范围内（2％），频率漂移则0.5％。
（3）限制：本身具有过电流感，当超载时用于保护自身和负载。
三、UPS的作用和特点
1、UPS的作用
（1）市电中断的情况下，能利用自身所带的蓄电池通过逆变电路将直流电转换为220V交流电给计算机及网络系统供电，保证计算机及网络系统能正常运转。
（2）对市电有稳压作用，能在电网电压波动时稳定电压。
（3）能抑制电网的电力谐波干扰、电压瞬间跌落、高压浪涌、电压波形畸变、电磁干扰等电力污染，为计算机及其它设备提供电压稳定、波形纯正的电力供给，保证计算机及网络系统的正常工作和数据不受干扰。
2、UPS的特点
（1）高可靠性
系统应具有能提供连续提供高质量的UPS逆变电源的供电能力。这就意味着，在UPS供电系统的运行中，既不允许出现任何瞬间供电中断／停电事故，也不允许出现由普通的市电经交流旁路直接向用户负载供电的情况。为此，要求UPS供电系统应满足如下要求：
——允许在UPS逆变电源连续供电的条件下，执行不停电的维护和检修操作。
——万一在用户设备端出现短路故障时，应将故障的影响缩小到尽可能小的范围。
（2）高抗干扰性
UPS供电系统能使互联网设备获得高“可利用率”，并可为其创造优良的运行环境。大量的运行实践表明：电源干扰问题是造成互联网设备的“可利用率”下降的重要原因之一。在此需说明的是：电源干扰不仅来源于普通的市电电网，它还来源于设计不完善的UPS本身及用户的互联网设备本身。这是因为配置在IDC和MDC机房内的服务器、磁盘阵列机和交换机等均内置有开关电源，这种整流滤波型非线性负载会向UPS供电系统反射3～23次低次谐波干扰，可能带来降低话音质量的恶果。实践证明，过大和过频地出现电源干扰，轻者会导致互联网的传输速率下降，网络服务器的数据丢包率增大等隐性故障，从而导致互联网设备被迫进入“降额使用”状态，严重时会导致网络瘫痪。
由此可见，高速信息网络技术的迅猛发展，对UPS 供电系统所能提供的电源质量提出更为严格的要求。
（3）具有防雷击、抗高能浪涌的功能
雷击、闪电及电网上的高能浪涌严重威胁UPS系统和计算机网络的安全。如无相应的保护措施，将造成UPS系统及计算机网络的硬件和软件的损坏。UPS应具有这方面的保护电路，其指标应符合国家及国际安规标准。
（4）过载能力强
由于计算机等负载属于整流型负载，在启动时往往有较大的瞬态冲击电流，如果UPS的过载能力弱，有可能造成严重后果导致系统不能正常安全运行。
（5）智能化监控
在UPS和计算机/网络之间建立起双向通信监控管理功能。利用监控软件监控管理UPS的运行、操作。当市电中断或UPS电池低电位时，监控软件可做到将计算机中的数据自动安全存盘、系统安全关机然后关闭UPS，避免因电力突然中断而造成操作系统的损坏和数据资料的损失，以实现数据的完整性保护。
四、UPS的分类
1、按工作方式分
（1）后备式（OFF-LINE或STAND-BY）UPS
当市电正常时由市电给负载设备供电，并给蓄电池浮动充电。当市电电压波动超过规定值时时启动逆变电路将电池的直流电转换为稳定的交流电输出，给负载供电。后备式UPS平时由于是由市电直接给负载供电，所以无法消除市电电网上存在的浪涌、尖峰、频率漂移等电气污染，而且容量比较小。但是它的技术简单，成本较低，价格相对低廉，用于许多对电压稳定性要求不高的场合。
（2）在线式（ON-LINE）UPS
在线式UPS一直使其逆变器处于工作状态，市电正常时它是首先通过电路将市电交流电转换为直流电，再通过逆变器将直流电转换为正弦波交流电给负载供电，在供电情况下还能对输出进行稳压及防止电磁干扰，而且还通过充电电路给蓄电池浮动充电。当停电时，则使用电池的直流电，所以逆变器不存在切换时间，所以适用于对电源有较高要求的场合。
（3）在线互动式（HYBRID）UPS
这是一种智能化的UPS，除具有在线式UPS的功能外，还可以自动侦测市电的电压，可以提供高精度的正弦波交流电输出。在线互动式UPS 还具有与计算机进行通讯的功能，有的还可以连接互联网，可以通过网络对UPS 进行管理，而且可以根据计算机及网络系统的工作状况自动调整UPS本身的工作状况和输出状况，并且在UPS 出现故障时，可以通知计算机系统，启动冗余的备用电源，所以称之为智能型UPS。一般用于网络系统中的服务器、路由器和大型骨干网的交换机以及部分工作站等对电源要求较高的场合。它将大大提高计算机系统的可靠性。
2、按输入输出分
（1）单相输入单相输出（单进单出）
应用于10KVA 以下，后备式、在线交互式、在线式等小容量；
（2）三相输入单相输出（三进单出）
应用于10KVA以上在线式；
（3）三相输入三相输出（三进三出）
应用于20KVA以上在线式大容量。
3、按功能分
可分为普通UPS、工业UPS、电力专用UPS、通信专用UPS。

五、UPS电源的工作原理
UPS主要分为两大类三种形式：一类是后备式，另一类是在线式，还有一种介于两者之间的在线互动式。这是在线式UPS的原理图,主要由整流器、逆变器、静态转换开关和后备电池组成.输出的交流电源是经过逆变器重新产生,其电压、波形频率由UPS本身控制，具有稳压、稳频、净化和不间断等功能。

后备式

在线式

在线互动式

工作方式：

正常运行方式
　不断电系统的供电原理是当市电正常时，机器会将市电的交流电转换为直流电，而后对电池充电，以备电力中断时使用；这里跟各位强调的是不断电系统并不是停电时才会动作，像是遇到电压过低或过高、瞬间突波等，足以影响设备正常运转的电力品质时，不断电系统均会动作，提供设备稳定且干净的电力。
　　当市电正常供电时，市电经滤波回路后，分为两个回路同时动作，其一是经由充电回路对电池组充电，另一个则是经整流回路，作为逆变器的输入，再经过逆变器的转换提供电力给负载使用；由此可知，在线式不断电系统的输出完全由逆变器来供应，因此不论市电电力品质如何，其输出均是稳定而不受任何影响。

电池工作方式
　一旦市电发生异常时，将储存于电池中的直流电转换为交流电，此时逆变器的输入改由电池组来供应，逆变器持续提供电力，供给负载继续使用，达到不断电的功能。不断电系统的电力来源是电池，而电池的容量是有限的，因此不断电系统不会像市电一般无限制的供应，所以不论多大容量的不断电系统，在其满载的的状态下，其所供电的时间必定有限，若要延长放电时间，须购买长时间型不断电系统。

旁路运行方式
当在线式UPS超载、旁路命令（手动或自动）、逆变器过热或机器故障，UPS一般将逆变输出转为旁路输出,即由市电直接供电。由于旁路时，UPS输出频率相位需与市电频率相位相同,因而采用锁相同步技术确保UPS输出与市电同步。旁路开关双向可控硅并联工作方式，解决了旁路切换时间问题，真正做到了不间断切换，控制电路复杂，一般应用在中大功率UPS上。如果在过载时,必须人为减少负载，否则旁路短路器会自动切断输出。

旁路维护方式
　当UPS进行检修时，通过手动旁路保证负载设备的正常供电,当维修操作完成后，重新启动UPS， UPS 转为正常运行。

几种UPS电源的动作方式

　后备式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为电池逆变供电。其特点是：结构简单，体积小，成本低，但输入电压范围窄，输出电压稳定精度差，有切换时间，且输出波形一般为方波。

在线式UPS在市电正常时，由市电进行整流提供直流电压给逆变器工作,由逆变器向负载提供交流电，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。其特点是，有极宽的输入电压范围，无切换时间且输出电压稳定精度高，特别适合对电源要求较高的场合，但是成本较高。目前，功率大于3KVA的UPS几乎都是在线式UPS。

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