UPS入门知识介绍ppt课件.ppt
Uninterrupted Power System不间断供电系统,美国电力转换公司,今日议题,UPS 电源的市场情况 UPS 电源基本分类 UPS基本配置方式 设计/维护电源系统中的一些问题 行业新技术/发展方向 讨论,今日议题,UPS 电源的市场情况,UPS电源的发展历史,UPS电源的发展历史,1,第一代动态UPS电源,1946年，第一台电子计算机问世。UPS电源应运而生,UPS电源的发展历史,2,第二代动态UPS电源,UPS电源的发展历史,3,第一代静态UPS电源传统双变换UPS,UPS电源的发展历史,3,第一代静态UPS电源传统双变换UPS,在线式on Line,后备式off Line,在线式定义逆变器一直在工作，监视并参与对输出电压的调整，市电掉电时输出电压切换时间为零,UPS基本功能定义,后备式UPS,What is a UPS ?,定义，市电正常时，逆变器不工作，市电掉电时，逆变器工作,输 出电压存在切换时间,Input voltage,Output voltage,critical,UPS,在线式UPS,What is a UPS ?,Input voltage,Output voltage,定义，逆变器始终监视并参与对输出电压的调整，输入电压掉电时，输出电压不存在切换时间,Silcon DP300Eon-line,What is a UPS ?,静态UPS中的不同电路结构介绍,后备式： 结构简单、功率小、成本低、适合家用和低端商用系统在线互动式： 结构简单、功率中等、输出品质好、适合家用和商用系统三端口（在线）式： 非线性调整原理、大功率、商用系统、但输入特性差双变换在线式： 结构复杂、大功率、商业和工业应用、输入性能较差、输出能力稍低Delta 在线式： 结构复杂、大功率、商业和工业应用、输入输出性能优越,What is a UPS ?,后备式UPS,组成： 逆变器; 充电器; 智能调压机构;,UPS,What is a UPS ?,后备式UPS,特点： 单变换器; 输出电性能指标一般,但能满足负载要求; UPS不对电网产生附加干扰公害,可靠性高; 主要用在小功率UPS领域,功能： 市电正常时，UPS逆变器不工作，市电通过智能调压直接向负载供电，同时市电通过充电器给电池充电 市电掉电后，电池通过逆变器向负载供电 市电电池转换时，输出电压存在转换时间,What is a UPS ?,在线互动式UPS,特点： 单逆变器，可双向工作; 输出电性能指标一般，但能满足负载要求; UPS不对电网产生附加干扰公害; 可靠性高; 用于15KVA UPS,功能： 市电正常时，UPS逆变器工作在整流状态，向电池充电，市电通过智能调压直接向负载供电; 市电掉电后，逆变器转为逆变状态，电池通过逆变器向负载供电; 市电电池转换时，输出电压有转换时间，但小于后备式的转换时间,UPS,三端口(单变换)式UPS,组成： 单逆变器/充电器 线性变压器 静态旁路,三端口(单变换)式UPS,三端口(单变换)式UPS,特点： 在线式工作,输出电性能指标高 输入电路有50Hz工频电感，利用输入电压和电感电压的相移稳定输出电压，因此输入功率因数低 可靠性一般,功能： 市电正常时，逆变器随时在监视并参与对输出电压的调整，是在线式UPS 市电掉电后，电池通过逆变器(处于单向逆变状态)向负载供电 市电电池转换时，输出电压没有切换时间 逆变器故障时，市电转旁路向负载供电,传统双变换在线式UPS,特点： 双逆变器; 输出电性能指标高; 输入端ACDC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,功能： 市电正常时，市电经过ACDC和DCAC两次变换后向负载供电，DCAC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DCAC逆变器向负载继续供电 市电电池转换时，输出电压没有切换时间 当负载过载或逆变器故障时，市电转旁路维持向负载供电,Vin,Vout,UPS,特点： 双逆变器 输出电性能指标高 逆变器随时都交替工作在整流和逆变状态 对电网输入端不存在任何干扰公害 市电存在时，两逆变器都工作在轻载状态，效率高，输出能力强，可靠性高,功能： 市电正常时，市电经第一个逆变器线性补偿后向负载供电，两个逆变器随时在监视并参与对输出电压的调整，是在线工作; 逆变器(II)同时负责吸收负载电流的无功和谐波成份，保证输入电流为正弦波; 市电掉电后，电池通过逆变器(II)向负载供电; 市电电池转换时，输出电压没有切换时间; 负载过载或逆变器故障时，市电转旁路向负载供电,高频双向变换串并联补偿式Delta逆变式,各种结构形式UPS的区别,UPS的典型配置方式,单机配置双机/多机并联配置独立电池方式共用电池方式UPS与柴油发电机的组合配置双总线配置,单机形式,单机系统单线图,并机系统,1+1 或 N+1冗余并机系统提供高于单机系统的可靠性,并机系统单线图,共用电池组并联系统,共用电池组并联系统,与柴油发电机/第2路市电的配合,系统单线图,端到端电源保护系统, 实现99.999%的高可用性,UPS A3480KVA,Q3a,Q2a,+,-,PDUA11,spare1,spare2,XMER A, D-Y380/380V, 50HzK20,PDUA1,225KVA,MSB1,SBP1,UPS A3480KVA,Q3B,Q2B,+,-,PDUB11,spare1,spare2,XMER A, D-Y380/380V, 50HzK20,PDUB1,225KVA,MSB2,SBP2,.,B84B2B1,TVSS,B84B2B1,数据中心的双总线配电系统负载总量1600KVA,Source A,Source B,配电柜A1,配电柜B1,UPS A区, 4x400KVA,UPS B 4x400KVA,UPS输出柜A,UPS输出柜B,机架No.1,双母线冗余系统,采用两套具有冗余的能力UPS系统进行供电,双重母线冗余系统更高的可靠性要求，例如IDC数据中心可以满足单输入类负载、双输入负载的供电要求,UPS的配置形式,单电源负载分配,双总线供电系统的同步跟踪,UPS的配置与设计,根据负载特性合理选择UPS类型供电特点/频率敏感当地电网特点实际可用性需求决定了UPS配置形式可用性与可靠性电池结构配置电池配置柴油发电机与软启动其它附加装置的选择,负载功率的计算（确定UPS功率）几个概念线性、非线性负载相移、负载功率因数视在功率、有功功率、无功功率,机房供电容量设计,感性负载（滞后）,容性负载（超前）,时间 t 表示相应的相移角度，上例中的相移角度为 90o,电压,电流,电压,电流,t,t,相 移,视在功率 = 电压 x 电流 kVA有功功率 = 电压 x 电流 x PF（功率因数） kWPF = Power Factor = 有功功率 / 视在功率(视在功率)2 =(有功功率) 2 +(无功功率) 2,有功/无功、视在功率,关于负载功率因数, IT公司如是说.,HP HPNetserver, HP9000 L-Class,IBMNetfinity/5500 8500r, AS/400, RS6000,S390,CompaqProliant,DellPoweredge 4300/6300,EMCSymmetrix 3000/5000,所有这些IT设备, 输入功率因数已达到0.96或以上,根据负载特性选择UPS类型,供电特点计算机类负载后备、在线互动、双变换在线、Delta均可医疗、精密仪器、含有转动部件类双变换在线、Delta具有PFC校正功能的负载UPS输出应为正弦波频率敏感当地电网特点,确定UPS配置形式,实际可用性要求决定配置形式单机配置并机配置双总线,何为可用性,定义,怎样设计?MTBF-Mean Time Between Failure （平均无故障时间）MTTR-Mean Time To Repair（平均维护时间） MTBF MTBF+MTTR,A=,提高可用性的途径,MTBF Redundancy 冗余 MTBFMTTR Modularizing模块化 MTTRMTBFMTBF+MTTR( 5min/yr=? ),A=,提高可靠性的方法,注：MTBF数值来源于：MILHDBK217C and Reliablity Engineering ,1997年,冗余系统与MTBF的关系,假定单机（包括旁路）的可靠度P=0.98,则：双机并联不冗余：P=0.98x0.98=O.9604双机并联1+1冗余：P=1-(1-0.98 ) (1-0.98 )=0.9996三机并联2+1冗余：P=1-(1- 0.98x0.98) (1-0.98 )=0.99921三机并联1+2冗余：P=1-(1- 0.98x) (1-0.98 ) (1-0.98 ) =0.999998四机并联3+1冗余：P=1-(1- 0.98x0.98 x0.98) (1-0.98 )=0.998824四机并联2+2冗余：P=1-(1- 0.98x0.98 ) (1-0.98 ) (1-0.98 ) =0.9999842四机并联1+3冗余：P=1-(1- 0.98) (1-0.98 ) (1-0.98 ) (1-0.98 ) =0.9999991五机并联4+1冗余：P=1-(1- 0.98x0.98 x0.98 x0.98) (1-0.98 )=0.9922五机并联3+2冗余：P=1-(1- 0.98x0.98 x0.98 ) (1-0.98 ) (1-0.98 ) =0.99997五机并联2+3冗余：P=1-(1- 0.98x0.98 ) (1-0.98 ) (1-0.98 ) (1-0.98 ) =0.9999953五机并联1+4冗余：P=1-(1- 0.98) (1-0.98 ) (1-0.98 ) (1-0.98 ) (1-0.98 ) =0.9999999,冗余系统与可靠度的关系,系统的可靠性与停机时间的关系,决定电池后备时间的因素实际负载率UPS配置方式（是否冗余）市电路数及质量场地、承重其他后备电源（例如柴油发电机）,电池后备时间的合理选择,需要参数UPS功率、机型、直流工作电压负载量、功率因数备选电池参数恒电流/恒功率放电技术参数尺寸、重量、寿命,后备电池容量的确定,适用于后备时间要求1小时计算过程：根据实际负载量、功率因数、电池组单体数量求出电池单体放电功率,方法一：恒功率计算法,根据计算出的功率值查找电池放电功率表格，确定电池容量,单机电池放电功率：,例一：,方法一：恒功率计算法,已知参数：后备时间要求30分钟；4台480KVA UPS并机 负载功率：1280KW(1600KVA PF=0.8) UPS放电效率：0.95/50%负载 0.96/75%负载 0.967/100%负载；UPS电池组电池个数： 64节12V电池 直流电压2x384Vdc100AH/12V电池30分钟放电功率,电池放电功率参数：,可见选用GNB电池实际所需的容量为400AH，即每台UPS配置400AH的电池组（256节100AH/12V电池单体），合计1024节。,所需电池放组数：,适用于后备时间要求1小时计算过程：根据实际负载量、功率因数、电池组单体数量求出电池单体放电电流值,方法二：恒电流计算法,根据计算出的电流值查找电池放电电流表格，确定电池容量,单机电池放电电流：,例二：,方法二：恒电流计算法,已知参数：后备时间要求2小时；负载功率：80KW(100KVA PF=0.8) UPS放电效率：0.95/50%负载 0.96/75%负载 0.967/100%负载；UPS电池组电池个数： 64节12V电池 直流电压2x384Vdc100AH/12V电池120分钟放电电流,电池放电电流参数：,可见实际所需的容量为250-270AH，经济原则选取200AH的电池组（128节100AH/12V电池单体），合计128节。,所需电池放组数：,柴油发电机的配置与软启动,100 kW,Silcon DP300E,谐波 3%,1.3倍,100 kVA,LegacyUPS,谐波 30%,2-4倍,输入电流谐波的影响,CH 1:UPS 输入电压CH 2:UPS 输入电流,油机输出负载为纯电阻性负载,功率因数 为0.99，输出电流谐波成份3%,APC Silcon,Liebert 600T,MGE EPS6000,Powerwarw 9315,UPS软启动,软启动功能,UPS ： Silcon 480KVA/480KW油机 ： 625KVA/500KW 慢启动时间： 10秒，2HZ/S负载： 500kW，负载变化： 0100%油机频率变化： 0.25HZ,注意：输入电流逐渐加，经 过80-100ms后。才 达到稳定值,0-100 % 负载变化,100 %-0 负载变化,注意：输入电流逐渐减小， 经过80-100ms后。 才达到稳定值,Io,Io,Ii,负载突变过程波形,其它附件问题,输入滤波器6/12脉冲整流系统UPS输入功率校正电路输入/输出变压器隔离/输出防雷器件监控软件,各种电路结构UPS输入电流波形比较,各种电路结构形式对电网污染的比较,6脉冲整流器+无源滤波器 谐波次数（6n+1） 5th 7th 11th 13th 17th 19th 23th THD 谐波含量 32 3 8 3 4 3 2 30% 输入功率因数 10% 输入功率因数 0.95问题：1 增加附加滤波设备 2 只能对某些次数确定的谐波有效果（6脉冲整流器选用5次 谐波滤波器，12脉冲整流器选用11次滤波器） 3 经常出现振荡现象 4 输入存在较大的无功电流，增大系统配电设备,传统双变换UPS输入滤波,IGBT Based PFC 整流器,对UPS前面的配电系统无干扰 系统输入谐波电流THDI 0.99 100% 与柴油发电机匹配 在电气安装成本上节省高达20% 符合 IEC 61000-3-4关于谐波的国际标准,MGE 2000年新产品 Galaxy 3000系列产品采用IGBT整流器 Powerware 2000年新产品9340系列产品采用IGBT整流器 大部分的日本品牌UPS都已采用IGBT整流器 (例如Hitachi, Misubishi.) 华为技术通讯电源均采用同样PFC技术 APC申请专利的Delta变换UPS于1993年开始使用此种IGBT技术, 目前全世界已有1百万用户, 而中国大陆年均1000台Silcon装机量!,输入变压器,输出变压器,隔离变压器,隔离变压器的作用使供电系统与上一级隔离（相线、零线）具有一定的浪涌吸收能力、协波吸收能力无法实现对人员安全保护方面的功能无法隔离高频、差模干扰在大功率UPS系统中隔离变压器仅具有隔离功能解决零地电压问题解决中性线隔离问题吸收 3、5次协波,隔离变压器,使用隔离变压器的其他原因由于UPS结构不同，必须在输出端加装变压器，将逆变器输出进行升压采用全桥结构逆变器，必须使用变压器作为输出级为了提高输入功率因数、降低输入谐波电流，在输入级加装12脉冲整流，需要输入隔离变压器,全桥逆变器1、单组电池，单电压。2、需要变压器实现三相输出。3、三相互相影响。,半桥逆变器1、2组电池，双电压。2、直接输出，不需要变压器。3、三相互不影响。,N,全桥/半桥逆变器,具有其正隔离作用的UPS隔离变压器,电力电子设备高频化带来的好处有以下几个方面减小体积、重量，可明显地降低成本降低元器件损耗，提高工作效率有利于改善和增加新的控制功能，改善动态特性当工作频率超过音频时，可明显地降低工作噪声在结构上容易实现集成化和模块化，可有效提高设备的可用性,在UPS设备中去掉工频变压器是电路技术的一种进步,雷击的实质在微秒级内的瞬间高压、大电流冲击防雷器的标准IEC（国际电工委员会）推荐采用分区防雷理论防雷器可以分为B、C、D三级UPS不该作为防雷器使用一般UPS具有一定的防雷能力UPS前级应该安装B、C级防雷装置保护UPS,防雷措施的选择,UPS系统仅能够抵抗C/D级的雷击波对于高于C级的反雷要求，应在配电前端配置浪涌抑制、防雷装置不应忽略来自信号传输线路上的感应雷击不具有良好的地线，往往由于防雷设备引起地电位回击损坏设备,UPS本身并不具有防雷能力,良好的地线决定防雷击的效果接地方式接地电阻选择低残压类型防雷器220V/320V/1.6KV防止地电位回击,防雷措施的选择,零地电压的产生：配电距离负载不平衡造成零线电流高次电流谐波解决方式隔离变压器,零地电压的控制,UPS选配中的几个误区,负载需要不间断的供电双变换在线式就是最好的UPS的输出频率稳定度UPS的输入电压范围内置/外置维修旁路,计算机类（开关整流电源）负载的实际电流波形,从严格的意义上来说，不存在计算机用的不间断交流电源计算机类（开关整流电源）负载的输入电流中含有大量的谐波成分!,负载的实际电流波形,能量经过两次100%的变换，总效率低，约为85%-94%.能量是单方向流动的。整流器逆变器均为单方向工作的变换器。,传统双变换UPS电源的不足,传统的三相可控硅整流器输入功率因数为0.8-0.85,输入谐波电流为25-33%. 如需要更好的输入参数，需要增加特殊的滤波器或12脉冲整流器 整流出来的直流母线电压低，480V. 目前部分40KVA以上的UPS也和大多数100KVA以上的传统双变换UPS还是采用可控硅整流器，,可控硅整流器的不足,直流电压工作范围在320-480V之间。只能采用三相全桥。 必需加输出变压器，否则无法工作。 过载能力差，150%， 10-30秒。 负载功率因数为0.7-0.8，其他负载要降容使用。,逆变器的不足,所有的UPS都不稳频,电池逆变供电的情况下，所有UPS都是稳频的由于采用内部晶振，可以达到同样高的频率稳定精度市电供电的情况下逆变器工作频率都必须跟踪市电频率只有传统双变换UPS的逆变器可以在自振频率下工作，使输出电压有较高的频率稳定度，但是，因为此时逆变器工作频率没有跟踪市电频率，一旦负载过载、逆变器故障、机内温度过高等故障发生，UPS只能停机而不能转旁路，实际上，所有的UPS在市电供电的情况下逆变器工作频率都必须跟踪市电频率，否则就是进入故障状态。市电时，UPS不应该工作于稳频的状态,UPS输入电压范围,输入电压可以是380V（1+30%）的UPS，是为了商业的目的而提出的，可并没有考虑到整流器失控的情况，万一整流器由于温度太高、位移电流太大或其它原因而变为普通整流器（这种情况并不罕见），这时的整流电压就可高达697V，可一举将电容击穿,滤波电容C的耐压高低就决定了输入电压的上限值,UPS输入电压范围,过低的电压下限：造成整流元件电流增大，发热增大，降低可靠性和寿命直流母线电压下降，使逆变器输出波形失真度增加，UPS能提供的峰值电流下降,整流桥的电流值就决定了输入电压的下限值,UPS旁路系统,主机已内置静态旁路开关外置维修旁路的作用：故障时的系统应急供电为UPS维修提供隔离通过与主机的通讯，避免误操作维修旁路开关实质是一组开关柜（大功率UPS系统中 ）由开关和母排组成可以由客户在配电系统中实现其主要功能,维修旁路的主要功能,维修旁路提供在UPS全面检修时，客户负载的不间断供电提供维护人员额外的安全性提供其他例如防止误操作、不间断并机增容,维修旁路的工作原理,必须与机内静态旁路开关配合使用实质上时一条备用供电通路,维修旁路开关的形式,内置式外置式,内置/外置维修旁路,内置维修旁路联线简单，适合于单机配置操作方便，便于实现连锁。无法满足不断电维修的要求，不能应用于并机系统中并机型维修旁路开关联线复杂，增加额外的成本型号复杂，增加额外的面积要求同样能够实现连锁可以实现冗余/增容维修旁路开关的选择应一步到位，以满足系统发展的需求需进行面积、承重校核满足用户不断电维修的要求，甚至在线换机,外置式维修旁路利大于弊！,与主流厂商平台的软件集成,数据中心的基建,远程电源分配控制器：Master Switch,一种通过网络远程控制的电源插座特别适合用于对网络设备的控制,MD5安全性能 多用户帐号 APC 标准WEB界面 顺序通电,MasterSwitch - 标准性能,请您的客户上网试用: ,为IT机房设计的机柜内电源分配单元,20A in, 16 NEMA 5-15 out (AP9221)16A in, 8 IEC C-13 out (AP9222),Master Switch特点:用户定制插座管理远程计算机控制电流监视可视化声光报警0 “U”空间占用单控制器可以级联4个插座,MasterSwitch 管理界面,MasterSwitch 管理界面,MasterSwitch 管理界面,THANK YOU!,欢迎与我们联系: 010-85299888 ext.6069 8008100160,
