UPS原理論文(自己)

1、ups原理與應(yīng)用由于應(yīng)用領(lǐng)域中關(guān)鍵設(shè)備的急劇增加，使得與電力質(zhì)量和可用性密切相關(guān)的 問題變得前所未有的重要了。配電系統(tǒng)中的干擾(間斷、停電、電壓跌落，等等) 會造成設(shè)備在運行屮的重大損失或帶來安全上的危險。為了避免重要設(shè)備在電能 質(zhì)量問題的騷擾下造成的損失，不間斷電源(ups)當(dāng)然地成為了電力保護(hù)系統(tǒng)中 解決方案的核心部分，它們提供高質(zhì)量、高可用性的電力，并且融入了既與電力 環(huán)境兼容、又與計算機(jī)環(huán)境兼容的先進(jìn)的通信系統(tǒng)。本文主要對ups的基本應(yīng)用原理做了一個分析講解，其中包括ups基本構(gòu) 式、基本技術(shù)指標(biāo)、pw系列ups的操作以及h常故障維護(hù)等內(nèi)容。第一章電網(wǎng)的質(zhì)量問題1.1國家電網(wǎng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)隨

2、著工業(yè)水平的不斷發(fā)展，生產(chǎn)屮的工業(yè)設(shè)備對供電可靠性的要求越來越 高。表1屮為國家對電網(wǎng)質(zhì)量定出的一個標(biāo)準(zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn)編號標(biāo)準(zhǔn)名稱允許限值說明gb 1252590供電電壓允許偏差(1) 35kv及以上為正負(fù)偏差之和不超過10%；(2) 10kv及以下三相供電為±7%：(3) 220v單相供電為+7%, -10%衡量點為供用電權(quán)分界處或電能計量點gb 23262000電壓波動和閃變電壓變動d的限值和變動頻度r (h-1)有關(guān)：當(dāng)rw1000時，對于低壓(lv)和中壓(mv), 41.25%4%； 對于高壓(hv), d=l. 0%3%；對于隨機(jī)不規(guī)則的變 動，d=2%(lv、mv)和d=1.5

3、%(hv),閃變限值如下表：此標(biāo)準(zhǔn)為gb 1232690修訂版(1) 衡量點為電網(wǎng)公共連接點(pcc):(2) pst每次測量周期lomin,取實測95%概率值; 幾每次測量周期2h,不得超標(biāo)；(3) 規(guī)定限值分三級處理原則；提供預(yù)測計算方法， 規(guī)定測量儀器并給出典型分析實例。系統(tǒng)電壓等級lvmvhvpst10. 9(1.0)0.8pit0.80.7(0. 8)0.6注1.括號中的值僅適用于所有用戶為同電壓級場合。2. pst為短時間閃變；pit為長時間閃變。gb/t 1454993公用電網(wǎng)諧波各級電壓諧波電壓限值(%)(1) 衡量點為pec,取實測95%概率值；(2) 對用戶允許產(chǎn)生的諧波電

4、流提供計算方法；(3) 對測量方法和測量儀器作出 基本規(guī)定；(4) 對同次諧波隨機(jī)性合成提供算法電壓(kv)thd奇次偶次0. 385426> 1043.21.635、6632.41.211021.60.8注1、220kv電網(wǎng)參照llokv執(zhí)行。2、表中thd為總諧波基變率gb/t 155431995二相電壓允許不平衡度(1) 正常允許2%。短時不超過4%；(2) 每個用戶一般不超過1.3%。(1) 各級電壓要求一樣；(2) 衡量點為pcc,取實測95%概率值或日累計超過 不超過72min ,且每30min中超標(biāo)不超過5min ；(3) 對測量方法和測量儀器作出基本規(guī)定；(4) 提供不平

5、衡度算法。gb/t159451995電力系統(tǒng)頻率允許偏差(1) 正常允許土0.2hz,根據(jù)系統(tǒng)容量可以放寬到士0.5hz;(2) 用戶沖擊引起的頻率變動一般不得超過士0.2hz。對測量儀器提出了基本要求1.2常見的電網(wǎng)干擾在電力供應(yīng)中，電網(wǎng)的干擾各式各樣并且時有發(fā)生。下面對各種干擾以及其 主耍起因、特征以及造成的后果做一個簡單地描述：（1）頻率波動造成頻率的不穩(wěn)定的原因主要有：發(fā)電機(jī)組的調(diào)整、發(fā)電機(jī)組的運行失調(diào)、 頻率不穩(wěn)定的電源。主要的擾動偏差為+5%、-6% （10s時間間隔的平均值）。 這些變化超出了某些儀表和計算機(jī)的容限范圍（通常為±1%）,因此，可能會 導(dǎo)致數(shù)據(jù)的錯誤或丟失

6、。（2）間斷電源的間斷主要表現(xiàn)為電壓完全消失，且電壓消失的時間在10ms之內(nèi)，主 要可能是由于大氣條件、切換、故障、電網(wǎng)施工等原因引起。電壓的間斷可能會 導(dǎo)致運行故障和數(shù)據(jù)的丟失（計算機(jī)系統(tǒng)）或者生產(chǎn)屮斷（連續(xù)處理過程）。（3）停電停電事故在我們fi常生活中時有發(fā)生。它主要是由于大氣條件、切換、故障、 意外事故、電網(wǎng)施工的造成電壓在一個周期以上的完全消失。這樣會造成機(jī)器停 機(jī)并危及人身安全以及數(shù)據(jù)的丟失或生產(chǎn)中斷。（4）電壓跌落電壓的冇效值下降至低于額定值的90%以下（但大于0%）,并月.持續(xù) loms-lmin之內(nèi)恢復(fù)到大于90%。主要由負(fù)載波動造成。同樣也可能造成機(jī)器 停機(jī)、數(shù)據(jù)丟失等事故

7、。（5）欠電壓電壓下降持續(xù)兒分鐘到數(shù)天，造成數(shù)據(jù)等的丟失以及設(shè)備的老化停機(jī)。1.3 ups對于電網(wǎng)穩(wěn)定的重要作用隨著工業(yè)水平的不斷發(fā)展，生產(chǎn)中的工業(yè)設(shè)備對供電可靠性的要求越來越 高。然而，一般的供電方式很難滿足其要求。供電線路、供電設(shè)備以及供電系統(tǒng) 屮的任何器件的故障都可能導(dǎo)致電壓的不穩(wěn)定或者斷電。而這種臨時性的電圧不 穩(wěn)定或者停電，往往會對設(shè)備以及生產(chǎn)質(zhì)量造成很大的損害，甚至可能會造成人 員的傷亡。例如：敏感工業(yè)處理過程，其屮控制監(jiān)視系統(tǒng)屮的任何一個故障可能就可能導(dǎo)致停產(chǎn)；機(jī)場和醫(yī)院，設(shè)備的故障或不正常運行可能意味著嚴(yán)重的生命 威脅；我們海上石油生產(chǎn)過程中，如果斷電，大部分的控制系統(tǒng)將會而臨

8、失控的 危險，從而無法保障各個設(shè)備在安全可控的條件下運行，進(jìn)一步加大了安全事故 的發(fā)生率以及事故的危險性。為了保障電能質(zhì)量的不間斷性以及穩(wěn)定性，不間斷電源（ups）就成為了電 力保護(hù)系統(tǒng)中解決電源穩(wěn)定性方案中的核心部分。ups常常與其它的電源產(chǎn)品配套使用，例如：有源諧波調(diào)節(jié)器、靜態(tài)切換 開關(guān)、智能配電盤等等，它們組合在一起對敏感性電氣裝置屮而臨的各種電源保 護(hù)的問題提供了完整和有效的方案。也正因為這些電源產(chǎn)品的配套使用，使得 ups能夠提供高質(zhì)量、高可用性的電力供應(yīng)，并且同時融入了既能與電力環(huán)境兼 容、又能與計算機(jī)環(huán)境兼容。進(jìn)而被廣泛應(yīng)用于各大工業(yè)生產(chǎn)中，極大程度上的 保障了生產(chǎn)過程中人以及設(shè)

9、備的安全可控。近年來，因為ups系統(tǒng)故障導(dǎo)致機(jī)組停電的事故屢有發(fā)生，例如：2006年 1月28日，蘭州石化公司石油化工廠1臺ups控制板故障停電造成裂解裝置 停運，而后整個石化廠牛產(chǎn)停運，并因突然停車造成裂解氣壓縮機(jī)故障，損失重大。由此可見，ups在工業(yè)生產(chǎn)屮扮演著不可或缺的角色，尤其對于像油氣化工 這些重要的能源行業(yè)，因為工業(yè)自動化程度高，所以大量使用的dcs控制系統(tǒng) 及儀表系統(tǒng)等，而這些系統(tǒng)對電源的連續(xù)性要求特別高。因此，擁有一個穩(wěn)定的 電源系統(tǒng)對其生產(chǎn)意義非常重大。1.4 ups改善電能質(zhì)量ups （不間斷電源）是專門設(shè)計用來滿足敏感型負(fù)載供電需求的電力裝置。自 二i世紀(jì)七i年代首次推出

10、以來，它的重要性與數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展保持著同步的 增長。ups是位于電力系統(tǒng)和敏感負(fù)載z間的電力裝置，它捉供的電力比電力系 統(tǒng)提供的電力可靠得多，并能滿足于敏感型負(fù)載對電力質(zhì)量和可用性方而的要 求。按照設(shè)計，雙轉(zhuǎn)換式靜態(tài)ups為負(fù)載捉供的正弦波電壓應(yīng)具冇：（1）高質(zhì)量，因為它是經(jīng)過再生和調(diào)節(jié)的（幅值±1%、頻率土 0.5%）；（2）排除了電力系統(tǒng)的所有騷擾（由于兩次電力形式的轉(zhuǎn)換），特別是市電 屮的間斷和停電（由于電池的存在）；第二章ups的原理ups主要由電池、充電器、逆變器、靜態(tài)開關(guān)、手動旁路維修開關(guān)組成。（1）整流一充電器由可控硅三相全控整流橋功率電路和相應(yīng)的控制電路組成。它將電

11、源1輸入 的交流電變換成直流電，供給電池組充電及逆變器的輸入。（2）逆變器由igbt逆 變功率電路和和應(yīng)的控制電路組成。它將整流一充電器輸入的 直流電變換為止弦交流電供給負(fù)載。（3）旁路靜態(tài)開關(guān)由反并聯(lián)的可控硅功率電路和相應(yīng)的控制電路組成。它實現(xiàn)負(fù)載在逆變器與 旁路電源2之間的不間斷切換。（4）電池電路：由可充電的電池組組成。將直流能量貯存在電池組中，當(dāng)電源1停 電或超 限時，向逆變器電路釋放能量，以對負(fù)載進(jìn)行后備式的供電。（5）手動旁路維修開關(guān)當(dāng)逆變器、整流器等ups故障需要停機(jī)維修時，就可以閉合旁路維修開關(guān), 隔離ups進(jìn)行檢修。2.1ups的工作原理這里，我們主要對一種最常用的方式：雙傳

12、換方式做一個介紹。其原理圖如 圖2.1所示：雙轉(zhuǎn)換式double conversion,又稱為在線式on-line。其主要 有三種運彳亍方式：(1)正常運行方式正常運行方式：提供給負(fù)載的所冇電力都經(jīng)過整流/充電器和逆變器的雙重 轉(zhuǎn)換(ac-dc-ac),雙轉(zhuǎn)換模式因此而得名。整流器/充電器對電池進(jìn)行浮充電 以保持電池處于滿充狀態(tài)圖2.2（2）電池后備運行方式市電停電或超限、電池放電工作方式：當(dāng)交流輸入電壓超出ups允許的容限范圍或市電中斷時，逆變器和電池?zé)o間斷地投入，繼續(xù)為負(fù)載供電。ups將持續(xù)運行直到電池放電時間終止，或在市電恢復(fù)正常時回到正常運行方式。圖2.3（3）旁路運行方式當(dāng)停止逆變器

13、時，負(fù)載可以無間斷地切換到旁路交流輸入（根據(jù)安裝方式的 不同由市電或后備電源供電）；引起旁路運行的原因可能是：ups內(nèi)部故障；負(fù) 載電流i舜變電流尖峰（沖擊電流或故障電流）;人為停止逆變器。圖2.4（4）維修運行方式ups維修時，通過手動的方式將負(fù)載無間斷地切換到維修旁路，這樣可以將ups的內(nèi)部進(jìn)行隔離，在不中斷負(fù)載的運行的情況下對ups進(jìn)行維護(hù)和維修。整流器/充電器，逆變器和靜態(tài)開關(guān)被關(guān)閉并從主電源隔離出來。電池被其 保護(hù)性斷路器隔離。圖2.5第三章麗水36j平臺ups簡介3.1 麗水3 6 - 1平臺ups我們平臺使用的ups是梅蘭日蘭公司galaxy 1000pw系列三進(jìn)單出單相 電源輸

14、岀型設(shè)備。額定功率32kw,容量（視在功率）40kva共兩臺。主要給平 臺屮控、通訊報房、火氣系統(tǒng)、電網(wǎng)跳閘保護(hù)回路等重要設(shè)備供電?？谇捌脚_2 臺ups都在使用共同帶載，采用單機(jī)并聯(lián)冗余在線運行的方式，輸出交流230v 和115v兩種電壓等級供用戶使用。我們平臺ups系統(tǒng)包括一臺主電源進(jìn)線隔離變壓器柜、兩臺ups柜、一臺 旁路電源柜、一臺配電輸出柜、一套蓄電池組組成。galaxy 1000pw不間斷電源（ups）主要性能：1 電壓穩(wěn)定（穩(wěn)態(tài)條件下為±0.5%,在負(fù)載由0%躍增至100%或由100%躍 減至0%的i瞬變條件下為±2%）；2.頻率穩(wěn)定（沒有電源2（mains2）

15、時為土0.05hz）；或者與電源2的頻率在±0.5hz到±2.0hz的范圍內(nèi)同步；3在電池供電期間（30分鐘）沒有任何間斷和中斷；4 在各種系統(tǒng)配置情況下帶線性負(fù)載時的失真度小于1.5%（線電壓）；5帶80%的峰值因數(shù)高達(dá)3.0的非線性負(fù)載時的失真度小于2%（線電壓）;如下圖所示，為平臺ups的單機(jī)簡圖:jl fq f 1負(fù)a電入路輸琴-一圖3.1其屮，q1：整流器輸入開關(guān)；qf1：電池電路保護(hù)開關(guān)；q4s：電源2或 靜態(tài)旁路輸入開關(guān)；q5n：逆變器輸出開關(guān);q3bp：手動維修旁路開關(guān)我們平臺ups釆用直接并聯(lián)在線運行方式；冇兩臺單機(jī)型ups組成，共同 帶載一臺出現(xiàn)故障檢修

16、，另一臺繼續(xù)運行向負(fù)載供電，提高了系統(tǒng)的可靠性。 每臺ups具有各口的靜態(tài)旁路，實現(xiàn)了并聯(lián)冗余和并聯(lián)增容。優(yōu)點：并聯(lián)簡單，不增大占地而積，價格適當(dāng)，負(fù)載均分。缺點：兩臺ups的旁路必須是同一路電源；簡圖如圖3.2所不:充電器圖323.3 靜態(tài)開關(guān)原理為防止切換吋間造成瞬間供電屮斷并產(chǎn)生繼電器觸點拉弧打火等現(xiàn)象，在大 功率ups供電系統(tǒng)及切換過程中，采用靜態(tài)開關(guān)作為切換元件。ups供屯系統(tǒng)中常用的兩種連接方式，即轉(zhuǎn)換型和并機(jī)型。目前單機(jī)型的ups靜態(tài)開關(guān)i般采用轉(zhuǎn)換型，而可并機(jī)ups的靜態(tài)開關(guān)有的采用并機(jī)型。圖33在上圖中，繼電器作為逆變的切換開關(guān)，交流旁路用靜態(tài)開關(guān)作為切換器件。在由交流旁路供

17、電切換為逆變器供電吋，先吸合繼電器然后封鎖晶閘管的觸發(fā)信號，此時由交流旁路和逆變器并聯(lián)向負(fù)載供電，當(dāng)晶閘管支路電流為0時，晶閘 管關(guān)斷而斷開市電供電電路；當(dāng)由逆變器供電切換為交流旁路供電時，在發(fā)出繼電器關(guān)斷信號的同時，觸 發(fā)晶閘管導(dǎo)通，由于晶閘管導(dǎo)通時間為us級，而繼電器釋放時間較長，因此也 存在同時供電的情況。圖3.4在圖(b)中，交流旁路與逆變器都采用靜態(tài)開關(guān)作為切換開關(guān)。當(dāng)執(zhí)行切換 吋，封鎖脈沖并檢測流過靜態(tài)開關(guān)的電流，當(dāng)電流為零吋觸發(fā)另一靜態(tài)開關(guān)的晶 閘管，實行二者的轉(zhuǎn)換。在采用并聯(lián)供電的系統(tǒng)中，當(dāng)電壓處于正半周或負(fù)半周吋，同吋觸發(fā)處于正 向陽極電壓的兩個晶閘管使之導(dǎo)通，由于晶閘管電流

18、為零吋關(guān)斷使反向并聯(lián)的兩 只晶閘管切換導(dǎo)通，使之并聯(lián)負(fù)載供電。3 .4 ups與市電切換條件ups在正常運行情況下都是由逆變器產(chǎn)生的交流電給負(fù)載供電但由于逆變 器是由igbt組成,igbt木身的過載能力是有限的対于較小的過載(<=1.6in),逆變 器是可以承受的,但對于較大的過載或是某一部分負(fù)載的短路則是不能承受的。但ups木身又是一種電源，它不能象一般負(fù)載那樣一旦過載就保護(hù)停電，這樣 就失去電源意義了所以通常是在較大過載發(fā)生的時候?qū)⒇?fù)載從逆變器切換到旁 路市電上供電因為市電的內(nèi)阻較小,可以允許充分大的電流，提供足夠的承受時 間使過載部分的電路開關(guān)跳閘斷電以保護(hù)其它路的負(fù)載能繼續(xù)工作。

19、為保證逆變器向市電的切換或反向是不間斷的，逆變器就應(yīng)與市電進(jìn)行為保 證逆變器向市電的切換或反向是不間斷的，逆變器就應(yīng)與市電進(jìn)行重迭切換（overlap）.由于兩個正弦交流電進(jìn)行重迭是有條件的，必須是電壓幅值、頻率、相 位在切換過程屮始終保持一致,否則任意一個參數(shù)的差別都會造成切換瞬間的電 位差形成兩個電源之間的環(huán)流如果電位較大,則環(huán)流也較大，勢必引起逆變器 的嚴(yán)重過載，甚至損壞逆變器的功率器件.因此,逆變器與電源2之間進(jìn)行不間斷切換的條件是電壓幅值、頻率、相位 必須一致.而電源2（靜態(tài)旁路電源）是市電的電網(wǎng)電壓，它受當(dāng)?shù)毓╇娗闆r及負(fù)載特性 的影響，幅值、頻率、相位（波形）時時刻刻都在變化為了保

20、證在隨機(jī)的任意時刻， 逆變器與電源2之間的切換總能成功，逆變器產(chǎn)生的正弦波就應(yīng)與電源2同步，即 每時每刻都隨著電源2的變化而變化但如果電源2變化的范圍過大，逆變器提供 的電源質(zhì)量和精度就較差，不能被負(fù)載所接受，因此根據(jù)一般計算機(jī)類負(fù)載的要求, 將這種變化范圍定義在：電壓幅值:土 10% 額定電壓（380v,400v,415 v）,即 au w10%頻率幅度:±0.5%±4%額定頻率（50hz或60hz）（可按用戶耍求設(shè)定）， 即厶fw0.5%±4%相位差:土3°，即w3°當(dāng)電源2（靜態(tài)旁路電源）電壓滿足上述條件時，就可以實現(xiàn)逆變器和電源2 z

21、間的不間斷切換（即重迭切換）;當(dāng)電源2不滿足上述條件時，則逆變器和電源2之 間的切換是有間斷的（這個間斷設(shè)計為800毫秒，以避免形成切換環(huán)流）或禁止切 換因此上述的三個條件就稱z為切換條件3 .5 ups常用的技術(shù)指標(biāo)（1）旁路交流輸入旁路輸入電壓匕：380v ±10%旁路輸入頻率f2： 50hz ±10%輸入范圍越寬，要求負(fù)載的輸入范圍也越寬。短路電流isc2： xxka表示靜態(tài)旁路的短路承受能力，對下線的保護(hù)裝置很重要，給出下游故障電 路開關(guān)動作跳閘時間，以免彩響下游其他負(fù)載的正常使用。(2 ) ups交流輸出穩(wěn)態(tài)輸出電壓：380v±0.5%到±3%輸出電壓越精確，對計算機(jī)的供電越穩(wěn)定，但iec標(biāo)準(zhǔn)僅耍求小于5%,計算機(jī) 即可接受。同步跟蹤速率：0.5hz/秒到2hz/秒。同步速率越快，輸岀電壓的波動也越大，冇利于熱備份聯(lián)結(jié)；同步速率越慢, 對輸出電壓的波動也越小，有利于直接并聯(lián)。動態(tài)響應(yīng)：±5%,恢復(fù)時間10