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第4章不间断电源总结,2023/3/28,电力电子装置及系统,第4章 不间断电源(UPS),4.2 UPS的组成和设计4.2.1蓄电池组蓄电池的种类、工作原理和性能指标蓄电池的充电和维护UPS蓄电池容量的选择4.2.2整流器和PFC电路整流器和充电器功率因数校正（PFC）4.2.3逆变器逆变器的作用和类型逆变器主电路结构选择和实例,2023/3/28,电力电子装置及系统,第4章 不间断电源(UPS),4.2.4 逆变、市电的切换4.2.5 滤波电路4.2.6 旁路控制电源和系统辅助电源4.2.7 接地、保护、报警4.3 UPS输出电压控制UPS输出波形控制UPS同步锁相技术UPS交流电压幅值的快速检测*4.4 UPS的模块化及串并联冗余技术,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.1.1概述,电网电压常见干扰类型,电网供电质量,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.1.1概述,UPS的定义(Uninterruptible Power Supply)UPS(Uninterruptible Power Supply)是一种含有储能的装置（通常蓄电池储能），以逆变器为主要组成部分的恒压、恒频电源设备，主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其他电力电子设备提供不间断、高质量的电力供应，以及作为机场、电站、医院等重要部门的备用电源。UPS的最基本要求：高质量、高可靠性 UPS的主要功能：1、后备功能 2、隔离功能 3、电压变换功能 4、频率变换功能,图4.1 典型UPS结构图,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.1.2 UPS的类型及其工作原理,UPS的分类：按有无机械运动分 动态型市电电动机飞轮储能交流发电机柴油发电机 静态型逆变器变压器蓄电池静态型UPS的分类 按输出功率分：小、中、大 按输出波形分：方波、梯形波、正弦波 按输出相数分：单相、三相 按逆变频率分：高频机、工频机 按电路结构分：后备式(Off-Line)在线式(On-Line)（双变换式、互动式、双变换电压补偿式）,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.1.2 UPS的类型及其工作原理,1、后备式（Off-Line)UPS特点：市电正常由市电直接供电优点：结构简单、效率高、输出能力强、可靠性高、成本低缺点：波形质量差、转换时间长、输入功率因数和输入电流谐波取决于负载性质,图4.2 后备式UPS系统结构图,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.1.2 UPS的类型及其工作原理,2、双变换在线式UPS特点：AC/DC/AC两次变换、逆变器供电为主优点：供电质量好、零转换时间缺点：效率低、成本高、对负载有限制（如过载能力、功率因数）,图4.3 双变换在线式UPS系统框图,UPS高频机,2023/3/28,电力电子装置及系统,3、在线互动式UPS特点：双向变换器、热备份、并联功率调整优点：市电利用率高、输出能力强、比后备式UPS切换时间短、增加了抗干扰能力、结构简单、成本低、可靠性高缺点：电压稳定度差、电能质量较差、输入功率因数和输入电流 谐波取决于负载性质,4.1.2 UPS的类型及其工作原理,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.1.2 UPS的类型及其工作原理,4、双变换电压补偿在线式UPS（Delta变换式UPS）,(a)主电路图,(b)系统框图,特点：串并联功率传输、双向变换优点：市电利用率高、功率因数校正、谐波电流抑制、零转换时间、效率高、输出能力强缺点：主电路和控制电路复杂,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.1.3 典型UPS的比较,典型UPS对电网的适应能力,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.1.3 典型UPS的比较,典型UPS的性能,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.1.4 UPS的发展方向,UPS的技术发展 静 态动 态 晶闸管I G B T 模 拟数 字 计算机多领域UPS的发展方向 1、控制系统的全数字化 2、主电路拓扑高频化和软开关技术 3、智能化、网络化 4、绿色化 5、模块化和冗余化 6、功能、结构、品种多样化,UPS的技术发展 静 态动 态 晶闸管I G B T 模 拟数 字 计算机多领域UPS的发展方向 1、控制系统的全数字化 2、主电路拓扑高频化和软开关技术 3、智能化、网络化 4、绿色化 5、模块化和冗余化 6、功能、结构、品种多样化,2023/3/28,电力电子装置及系统,返回,图4.4 UPS高频机系统结构图,2023/3/28,电力电子装置及系统,图4.7 高频隔离UPS系统结构框图,(b)高频链逆变形式UPS,(a)DC/DC高频隔离形式UPS,返回,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2 UPS的组成和设计,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.1 蓄电池组,1、蓄电池的种类及其要求UPS对蓄电池的要求：在短时间内满足输出电流的要求 保证供电维持时间铅酸蓄电池的种类：涂浆式高效铅电池：HS型经济（广泛使用）AHH型低温 覆盖式铅电池：CS型长放电时间 小型密封铅电池：M型密封式 免维护，广泛使用铅酸蓄电池的工作原理：充电时将电能转换成化学能，放电时将化学能转换成电能。,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.1 蓄电池组,2、蓄电池的基本性能指标 蓄电池是用多个单体串联而成。每个单体的标称电压为2.0V：1）放电中止电压 蓄电池不允许再放电时的电压。通常1.75V/单体。2）容量 在充满电的情况下，采用一定的电流A（0.05C）进行恒流放电，放电至中止电压的时间H，所能释放的能量AH即蓄电池的容量。12V/6AH/20HR0.3A*20h/10.5V,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.1 蓄电池组,3）放电率：放电至中止电压的电流大小或时间快慢。表示：用电流来表示，用时间来表示 6AH0.3A20h4）放电电流：通常用蓄电池的容量（C）乘以某个系数来表示。C=6AH0.1C0.6A 0.25C=1.5A5）自放电率：蓄电池不用时的自放电。C/天 蓄电池长期不用时应定期给蓄电池充电。,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.1 蓄电池组,3、蓄电池的充电和维护：初始充电：时间长，充电电流要小 正常充电：分阶段不同电流充电方式，各个阶段充电电流逐渐减小，后期采用涓流充电。浮充：恒压充电（浮充电压与环境温度有关）均充：对每个单元进行均衡充电，消除各单元的不均衡状态。,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.1 蓄电池组,4、蓄电池的容量的选择：蓄电池容量可供使用的容量 影响可供使用的容量的因素：放电电流的大小 蓄电池温度（环境、放电电流大小、波形）蓄电池的实际储能 负载的类型和特性1）最大放电电流,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.1 蓄电池组,2）蓄电池的放电特性：,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.1 蓄电池组,例1：一台300KVA的UPS，功率因数0.8，效率0.9，要求蓄电池的后备工作时间24分钟，该电池组的临界放电电压为320V，求所需蓄电池组的标称容量。查蓄电池的放电曲线，得24分钟的放电速率为0.9C 实际放出的能量：333.3AH,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.1 蓄电池组,例2：一台120KVA的UPS，功率因数0.8，效率0.9，要求蓄电池的后备工作时间60分钟，该电池组的临界放电电压为320V，求所需蓄电池组的标称容量。查蓄电池的放电曲线，得60分钟的放电速率为0.5C 实际放出的能量：333.3AH,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.2整流器和PFC电路,1、整流器的作用 功能：为逆变器供电；为蓄电池供电 通常要求：电压要求：输出电压大小能调节 输出电压稳定，1%纹波要小，1%有一定的过载能力 保护和报警：过压、欠压、过载、短路、过热等 起动平稳，运行可靠2、整流器和充电器 整流器和充电器的关系：密切联系又不同 整流器带充电功能：稳压精度和稳流精度不高 充电器：稳压和稳流精度都很高,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.2整流器和PFC电路,大容量UPS：充电特点：充电电压高，充电电流大绝对误差可大 成本比例：控制电路成本比例很小控制可以复杂 主电路成本所占比例大主电路应简单 整流和充电可以统一 方式：整流器（整流和充电（恒流充电和浮充充电）小容量UPS：充电特点：充电电压低，充电电流小绝对误差小 成本比例：控制电路成本比例很大控制应简化 主电路成本所占比例小主电路可复杂 整流和充电需分离 方式：整流器充电器（恒压限流充电）,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.2整流器和PFC电路,3、功率因数校正电路 功率因数要高：谐波电流要小 无功能量要小 无功功率：基本无功谐波无功 功率因数：三相不控整流输出不加平波电感时功率因数不足0.8 三相不控整流输出加大的平波电感时功率因数可达到0.95,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.3逆变器,1、逆变器的作用 要求：输出电压波形：稳压：静态、动态 波形畸变率THD要小，单次谐波要小 恒频：静态、动态 电压频率可调 动态相应快（电压、频率）有一定的过载能力 保护报警功能：过压、欠压、过载、短路、过热等 启动平稳、运行可靠,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.3逆变器,2、逆变器的类型 方波、阶梯波、正弦波、PWM等3、逆变器主电路结构选择 主电路结构：全 桥：中大容量 半桥和推挽：小功率 电气 隔离功能：小容量UPS：不用或前级DC/DC隔离或高频链隔离 大容量UPS：输出接工频变压器隔离,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.3逆变器,4、UPS实例,图4.10 有源功率因数校正及半桥逆变结构,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.4 逆变、市电的切换电路,4.2.4、逆变、市电的切换电路 作用：保证负载供电的连续性 保护UPS和负载 切换开关：机械电磁开关、静电开关、混合式开关,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.4 逆变、市电的切换电路,1、机械电磁开关 主要有：继电器、接触器（吸合时间比释放时间长）小容量UPS中应用 优点：结构简单、自动互锁、损耗小 缺点：切换时间长，会产生供电中断，易产生电弧，存在扰动 改进措施：采用双继电器实现互锁,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.4 逆变、市电的切换电路,2、静态开关 半导体开关 切换过程：关断已处于导通的晶闸管检测负载电流 电流过零时开通原处于关断的晶闸管 优点：供电不中断、不存在环流、缺点：存在导通损耗,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.4 逆变、市电的切换电路,2、混合式开关 机械开关静态开关 要求：逆变器波形与市电波形同频、同相、同幅 优点：供电不中断、损耗小 缺点：对逆变器要求高、不能实现快速关断、有环流,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.5 滤波电路,4.2.5 滤波电路 差模信号和共模信号 差模滤波和共模滤波滤波器的设置：交流输入滤波 整流直流电压滤波 交流输出滤波器LC交流输出滤波器的参数设计：LC大：优点：系统输出波形越好 缺点：体积大、重量大、成本高、相位滞后严重、稳定性差 LC小：优点：体积小、重量轻、成本低 缺点：谐波含量高,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.5 滤波电路,LC的要求：能有效滤掉高次谐波，对基波没有影响 L过大：优点：电流纹波小、稳定性提高、动态相应慢 缺点：体积大、重量重、电压损失大,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.6旁路控制电源和系统辅助电源4.2.7接地装置、保护和报警系统,4.2.6旁路控制电源和系统辅助电源4.2.7接地装置、保护和报警系统 1、接地装置 接地的目的：固定设备的电位，保障设备和人身安全 1）机壳接地 目的：保护设备和人身安全 2）逻辑接地 目的：减轻或消除电源本身或外部电磁干扰对控制电路的影响，避免因逻辑地和机壳以及其他元器件因电位差及其变化而导致设备故障。3）防雷接地 目的：避免雷击而损坏设备,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.7接地装置、保护和报警系统,2、保护和报警系统1）过载保护 过载不能太大、过载时间不能太长2）过压保护 输入输出交流过电压、整流直流过电压、器件的过电压3）欠压保护 电压过低输出电压过低、电流过大、各辅助电源不正常4）短路保护 短路电流大器件和电缆发热严重器件损坏、绝缘破坏5）过热保护 风道不通、风机故障、环境温度过高元器件损坏、绝缘破坏,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.7接地装置、保护和报警系统,6）蓄电池保护,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.7接地装置、保护和报警系统,6）蓄电池保护 保护方法：液面检测、温度检测,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.2.7接地装置、保护和报警系统,7）三相输入型UPS输入电压异常保护 缺相：整流后电压低、逆变输出电压低，控制电路不正常、系统发热严重 相序错：无法实现逆变器和市电的同步无法切换,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.3 UPS输出电压控制,4.3.1 UPS输出电压波形控制4.3.2 UPS同步锁相技术同步的意义：保证逆变器与市电的频率、相位一致，有效防止因频率、相位的不一致而导致的环流以及对负载产生过大冲击。市电存在时的同步要求：频率：逆变器频率随市电频率变化而变化，保证同频 相位：逆变器相位与市电同相市电故障时：同步由逆变器自身给定，恒频。,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.3.2 UPS同步锁相技术,1、锁相环的工作原理锁相环的工作过程：同步过程、跟踪过程、捕捉过程和暂态过程。,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.3.2 UPS同步锁相技术,2、传统的锁相环设计,50HZ,49.5HZ,50.5HZ,同步跟踪,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.3.2 UPS同步锁相技术,3、数字锁相环设计模拟锁相环：电路复杂、稳定性不高、相应速度慢、精度不高数字锁相环：电路简单、控制灵活、精度高、可靠性好市电相位检测：,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.3.2 UPS同步锁相技术,3、数字锁相环设计,图4.16 相差检测示意图,2023/3/28,电力电子装置及系统,图4.17 数字锁相环控制框图,2023/3/28,电力电子装置及系统,4.3.3 UPS交流电压幅值的快速检测,图4.19 交流电压幅值检测原理框图,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,