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UPS电源培训资料
中国石油天然气股份有限公司庆阳石化分公司
常压、催化、气分、聚丙烯三装置仪表
供电系统UPS电源系统
培训手册
西安安特电子有限公司
二○○六年九月十四日
目录
一、什么是UPS3
二、为什么要用UPS3
三、电力电源常发生哪些问题6
四、UPS解决了哪些电源干扰问题6
五、UPS原理图7
六、UPS工作方式8
七、UPS分类及主要技术9
八、UPS主要性能指标13
九、各种技术UPS电源对市电的不同解决能力15
十、UPS的容量如何计算15
十一、电池的维护和保养15
十二、如何选配UPS18
十三、使用UPS有哪些注意事项19
十四、电池的安时数是什么概念19
十五、UPS的蓄电池要定期加水吗20
十六、电池的寿命有多长20
十七、电池使用的注意事项有哪些20
十八、如何延长UPS的后备时间21
十九、UPS的供电方式21
二十、负载的选择22
二一、UPS监控软件的基本知识23
二二、UPS并联冗余方式的选择25
二三、用户选购UPS时注意的问题27
二四、工频机和高频机的区别29
一、什么是UPS
UPS（UninterruptiblePowerSystem），即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。
主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。
当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时,UPS立即将机内电池的电能,通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。
UPS作为保护性的电源设备，它的性能参数具有重要意义，应是用户选购时的考虑重点。
市电电压输入范围宽，则表明对市电的利用能力强（减少电池放电）。
输出电压、频率范围小，则表明对市电调整能力强，输出稳定。
波形畸变率用以衡量输出电压波形的稳定性,而电压稳定度则说明当UPS突然由零负载加到满负载时，输出电压的稳定性。
还有UPS的效率、功率因数、转换时间等都是表征UPS性能的重要参数，决定了对负载的保护能力和对市电的利用率。
性能越好，保护能力也越强，总的来说，离线式UPS对负载的保护最差，在线互动式略优之，在线式则几乎可以解决所有的常见电力问题。
当然成本也随着性能的增强而上升。
因此用户在选购UPS时，应根据负载对电力的要求程度及负载的重要性不同,而选取不同类型的UPS。
UPS不但直接用于计算机上，凡配有计算机的设备（如医学上的CT、供应站的仪表等）、雷达站、军事通讯系统、程控电话系统、外科手术室等，均使用UPS代替发电机作后备供电使用。
二、为什么要用UPS
有一个常见的错误概念，认为我们使用的市电，除了偶尔发生的断电事故，是连续而且恒定的，其实不然。
市电系统作为公共电网，上面连接了成千上万各种各样的负载，其中一些较大的感性、容性、开关电源等负载不仅从电网中获得电能，还会反过来对电网本身造成影响，恶化电网或局部电网的供电品质，造成市电电压波形畸变或频率漂移。
另外意外的自然和人为事故，如地震、雷击、输变电系统断路或短路，都会危害电力的正常供应，从而影响负载的正常工作。
根据电力专家的测试，电网中经常发生并且对电脑和精密仪器产生干扰或破坏的问题主要有以下八种：
1、电涌（powersurges）：
指输出电压有效值高于额定值110％，而且持续时间达一个或数个周期。
电涌主要是由于在电网上连接的大型电气设备关机时，电网因突然卸载而产生的高压。
2、高压尖脉冲（highvoltagespikes）：
指峰值达6000v，持续时间从万分之一秒至二分之一周期（10ms）的电压。
这主要由于雷击、电弧放电、静态放电或大型电气设备的开关操作而产生。
3、暂态过电压（switchingtransients）：
指峰值电压高达20000V，但持续时间界于百万分之一秒至万分之一秒的脉冲电压。
其主要原因及可能造成的破坏类似于高压尖脉冲，只是在解决方法上会有区别。
4、电压下陷（powersags）：
指市电电压有效值介于额定值的80％至85％之间的低压状态，并且持续时间达一个到数个周期。
大型设备开机，大型电动机启动，或大型电力变压器接入都可能造成这种问题。
5、电线噪声（electricallinenoise）：
系指射频干扰（RFI）和电磁干扰（EFI）以及其它各种高频干扰。
马达的运行、继电器的动作、马达控制器的工作、广播发射、微波辐射、以及电气风暴等，都会引起线噪声干扰。
6、频率偏移（frequencyvariation）：
系指市电频率的变化超过3Hz以上。
这主要由应急发电机的不稳定运行，或由频率不稳定的电源供电所致。
7、持续低电压（brownout）指市电电压有效值低于额定值，并且持续较长时间。
其产生原因包括：
大型设备启动和应用、主电力线切换、启动大型电动机、线路过载。
8、市电中断（powerfai1）：
指市电中断并且持续至少两个周期到数小时的情况。
其产生原因有：
线路上的断路器跳闸、市电供应中断、电网故障。
现在全世界各国的大众供应系统都是交流电源，一个理想的交流电源，应该满足以下五个条件：
1.频率稳定
2.电压稳定（土5%内）
3.不含谐波失真（<5%）
4.没有噪声干扰（符合IEEE587,FCC,CE等标准规定）
5.低输出阻抗。
大家可以想象，今天如果未使用不间断电源系统，那么当市电发生异常，将造成计算机死机，甚至造成硬件故障，到时维修费将不可预期；硬件的故障可花钱消灾，但是存在硬盘中的资料呢？
那可是有钱也买不到，所以为您的设备添购不断电系统，就如同买保险一样，有备无患；UPS系统并不是只有当停电时才有动作的，前面所提到的市电异常，包含了市电电压过低、过高、突波、噪声等，足以影响设备正常运作的电源品质，因此UPS的重要性可见一斑。
三、电力电源常发生哪些问题
四、UPS解决了哪些电源干扰问题
1.停电保护---一瞬间停电时立即由UPS将电池直流电源转换成交流电继续供电。
2.高低电压保护---一市电电压过高或过低时UPS内建稳压器（AVR）将做适当的调整,使市电的电压保持在可使用的范围,若电压过低或过高超过可使用范围,UPS将电池直流电源转换成交流电继续供电,以保护用户设备。
3.波形失真处理---一由于电力经由输配电线路传送至客户端,各种机器设备的使用,往往造成市电电压波形的失真,因为波形失真将产生谐波干扰设备且会使电力系统变压器温度升高,一般要求失真率<5%,一般UPS设计失真率<3%。
4.频率稳定---一市电频率分为50Hz/60Hz两种,所谓频率就是每一秒变动的周期,50Hz就是每秒50周次,台湾市电的频率是60Hz,大陆是50Hz.发电机运转时受到客户端用电量的突然变化造成转速的变动将使转换出来的电力频率飘移不定,UPS转换的电力可提供稳定的频率。
5.电压稳定---一市电电压易受电力输送线路品质的影响,离变电所较近的用户电压较高约130~120V,离变电所较远的用户电压较低约100~90V,电压太高或太低会使用户设备缩寿命,严重时会烧毁设备,使用在线式UPS可提供稳定的电压电源,电压变动不到2V,可延长设备寿命及保护设备。
6.抑制横模噪声---一横模噪声产生在火线与中性线之间。
7.抑制共模噪声---一共模噪声产生在火线/中性线与地线之间。
8.突波保护---一般UPS会加装突波吸收器或尖端放电设计吸收突波,以保护用户设备。
9.瞬时响应保护---市电受干扰时有时会造成电压凸出或下陷或瞬间压降使用在线式UPS可提供稳定的电压,使电压变动不到2V,可延长设备寿命及保护设备。
10.监控电源---配合UPS的智能型通讯接口及监控软件可纪录市电电压频率停电时间及次数来达到电源的监控,并可安排UPS定时开关机的时间表来节约能源。
五、UPS原理图
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
在线互动式
在线式
Delta逆变器
六、UPS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。
极低的维护率，MTTR为15分钟，极大地提高UPS可用性
七、UPS分类及主要技术
从其发展历史来说，UPS经历了两个阶段:
旋转式UPS和静态变换式UPS。
旋转式UPS由整流器、电池、直流电动机、柴（汽）油机、飞轮和发电机组成。
在市电供电情况下，电动机带动飞轮和发电机给负载供电；当断电后，由于飞轮的惯性作用，会继续带动发电机的转子旋转，从而使发电机能持续给负载提供电源（电能-动能-电能），起到缓冲的作用，同时启动柴（汽）油机。
当油机转速与发电机转速相同时，油机离全器与发电机相连，完成从市电到油机的转换。
这是UPS的较早形式，尽管其维护简单，也比较稳定，但系统庞大，操作不便，而且效率低，噪声大，电力品质不高，技术条件的限制迫使人们不得不采用这种最简单的解决方案。
随着电脑网络、医疗器械和精密仪器的不断涌现和大量应用，旋转式UPS已难以满足要求。
因此随着电力电子技术的发展，另一种形式的UPS---静态变换式UPS便应运而生了，这是我们目前最常见到的UPS类型。
从技术上讲，静态式UPS分为三类：
离线式（OFFLINE）、在线式（ONLINE）和在线互动式（ONLINEINTERACTIVE）。
一般来说，这种UPS主要有两种工作状态，分别工作于不同的市电环境下。
当市电正常时，（指UPS可以接受、认可的电压幅值、频率和波形比负载接受的范围要大），由市电通过UPS给负载供电。
UPS对市电进行滤波、稳压和稳频调整后，提供给负载更加稳定和洁净的电源。
同时，UPS通过充电器把电能转变为化学能储存在电池中。
当UPS侦测到市电异常时，切换到电池供电，通过逆变器（INVERTER）把化学能转变为交流电能，供给负载，以保证对负载的不间断电力供应。
这种UPS还有一种旁路（BYPASS）工作状态，它在刚开机或机器故障时，可以把输入经高频滤波后直接输出，保障对负载的供电。
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。
后备式框图
在线互动式UPS在市电正常时直接由市电向负载供电，当市电偏低或偏高时，通过UPS内部稳压线路稳压后输出，当市电异常或停电时，通过转换开关转为电池逆变供电。
其特点是：
有较宽的输入电压范围，噪音低，体积小等特点，但同样存在切换时间。
在线互动式框图
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。
在线式框图
UPS按照输出容量大小划分为小容量3KVA以下，中小容量3KVA~10KVA，中大容量10KVA以上。
UPS按输入/输出方式可分为三类：
单相输入/单相输出、三相输入/单相输出、三相输入/三相输出。
单相电是指由一根火线、一根零线和一根地线组成的供电系统；三相电是由三根火线、一根零线和一根地线组成的供电系统，其中两根火线之间的电压（即线电压）为380V，而火线与零线之间的电压（即相电压）为220V。
对于用户来说，三相供电其市电配电和负载配电容易，每一相都承当一部分负载电流，因而中、大功率UPS多采用三相输入/单相输出或三相输入/三相输出的供电方式。
智能型UPS是当今UPS的一大发展趋势，随着UPS在网络系统上应用，网络管理者强调整个网络系统为保护对象，希望整个网络系统在供电系统出现故障时，仍然可以继续工作而不中断。
因此UPS内部配置微处理器使之智能化是UPS的新趋势，UPS内部硬件与软件的结合，大幅度提高了UPS的功能，可以监控UPS的运行工作状态，如：
UPS输出电压频率，电网电压频率、电池状态以及故障记录等。
还可以通过软件对电池进行检测、自动放电充电，以及遥控开关机等。
网络管理者就可以根据信息资料分析供电质量，依据实际情况采取相应的措施。
当UPS检测出供电电网中断时，UPS自动切换到电池供电，在电池供电能力不足时立即通知服务器做关机的准备工作并在电池耗尽前自行关机。
智能型UPS通过接口与计算机进行通讯，从而使网络管理员能够监控UPS，因此其管理软件的功能就显得极其重要。
3、标准型和长效型
除了以上三类，根据后备时间，UPS还可分为标准机和长效机。
标准机用内置电池，后备供电时间较短，一般在5-15分钟。
长效机则可根据用户需要，增大电池容量配置，延长后备时间。
但这要求更大的充电器来满足电池充电电流和充电时间性的需要，因此厂商在设计时会放大充电器容量或加装并联的充电器。
从备用时间来分，UPS可分为长效型和标准型两种。
一般来说，标准机机内带有电池组，在停电后可维持较短时间的供电（一般不超过25分钟）；长效机机内不带电池，但增加了充电器，用户可以根据自身需要配接多组电池以延长供电时间。
∙支持SNMPMIB2通讯协定：
支持标准数据库格式。
∙多服务器关闭：
同时关闭多个服务器。
∙关闭程序支持多种平台的服务器：
安全关闭程序支持多个平台，并有很强可扩展性。
八、UPS主要性能指标
硬件性能指标主要有：
■工作方式：
在线、在线交互、后备
■输入电压范围：
即保证UPS不转入电池逆变供电的市电电压范围。
在此电压范围内，逆变器（负载）电流由市电提供，而不是电池提供。
输入电压范围越宽，UPS电池放电的可能性越小，故电池的寿命就相对延长。
的输入电压
■输入频率范围：
即UPS能自动跟踪市电、保持同步的频率范围。
当切换旁路时，UPS能自动跟踪市电、保持同步可避免因输入输出相位差开甚至反相，引起逆变器模块电源和交流旁路电源间出现大的环流电源而损害UPS。
■输入功率因数：
指UPS输入端的功率因数。
输入功率因数越高，UPS所吸收的无功功率越小，因而对市电电网的干扰就越小。
一般UPS只能达到0.9左右。
■输出功率因数：
指UPS输出端的功率因数。
如果有非计算机负载，越大则带载能力越强。
一般UPS为0.8左右。
■过载能力：
越大，表示逆变器能力越好。
■切换时间：
由于计算机开关电源，在10ms的间隔时间能保证计算机的输出，因此一般要求UPS切换时间小于10ms，对于在线UPS切换时间为0。
■输出电压稳定度：
指UPS输出电压的稳定程度。
输出电压稳定程度越高，UPS输出电压的波动范围越小，也就是电压精度越高。
大部分UPS的电压稳定度大于5%。
■输出电压失真度：
即UPS输出波形中所含的谐波分量所占的比率。
常见的波形失真有：
削顶、毛刺、畸变等。
失真度越小，对负载可能造成的干扰或破坏就越小。
■负载峰值因数：
指UPS输出所能达到的峰值电流与平均电流之比。
一般峰值因数越高，UPS所能承受的负载冲击电流越大。
■三相不平衡能力：
对于三进三出的UPS来说，若出现三相的每一相电流不一致，就会造成输出电压的不平衡。
具有100%负载不平衡能力的UPS，表示该UPS允许一相输出带满载，而其他两相空载。
■冷启动功能：
在无市电或不接市电的情况下，直接用电池组所提供的直流电压启动UPS的功能。
■旁路功能：
指UPS超载或逆变器发生故障时，通过控制开关转换至市电供电，也就是旁路供电。
■接发电机功能：
发电机的输出波形一般失真度较高，且频率波动范围很大。
因此，UPS必须具有良好的跟踪发电机频率的性能，保持与发电机同步工作，并且保持质量较高的输出波形和稳定的输出电压。
■电池管理水平：
由于电池在UPS整机成本所占比重较大，特别长延时UPS中更占1/3以上，而且电池故障在UPS故障率中也占70%以上。
所以电池管理水平的高低直接关系到UPS的使用。
■整机效率：
①效率低会造成UPS本身功耗大、易老化。
②效率低还会造成电池供电时间变短。
监控软件：
软件性能指标主要分保护、监测和管理（控制）三个层次。
详见以下章节的介绍
九、各种技术UPS电源对市电的不同解决能力
市电问题
后备式UPS
在线互动UPS
真在线UPS
浪涌
无法解决
有限解决
完全解决
高压尖脉冲
无法解决
有限解决
完全解决
波形下陷
有限解决
有限解决
完全解决
电子干扰
有限解决
有限解决
完全解决
频率漂移
无法解决
有限解决
完全解决
持续的高压或低压
完全解决
完全解决
完全解决
高压瞬态
无法解决
有限解决
完全解决
断电
完全解决
完全解决
完全解决
一十、UPS的容量如何计算
目前市面所贩售的不间断电源系统（UPS）多以VA为产品的容量单位。
V是电压，A是电流，V*A就等于功率，也就是不间断电源系统的容量。
举例来说，一部425VA的不间断电源系统若其输出电压为110V，则其产品可供应之最大电流为3.86，超过此电流就表示超载（Overload）。
另一种表示功率的方法是W，W表示实功，VA表示虚功。
两者之间的差别就是功率因子。
功率因子之多寡并无标准，一般为0.6到0.8，若为0.5则产品设计不佳，用户在选购不断电系统时，会考虑此数字。
十一、电池的维护和保养
一：
UPS常用电池的种类，影响电池寿命的因素，不同种类电池的优点和缺点：
在UPS应用中的电池共有三种：
包括开放型液体铅酸电池，免维护电池，镍铬电池。
现UPS厂家所配的电池一般为免维护电池，下面以免维护电池为主介绍三种电池的特点：
1：
开放型液体铅酸电池：
此类电池按结构可分为8-10年，15-20年寿命两种。
由于此电池硫酸电解会产生腐蚀性气体，此类电池必须安装在通风并远离精密电子设备的房间，且电池房应铺设防腐蚀瓷砖。
由于蒸发的原因，开放电池需定期测量比重，加酸加水。
此电池可忍受高温高压和深放电。
电池房应禁烟并用开放型电池架。
此电池充电后不能运输，因而必须在现场安装后充电初充电一般需55-90小时。
正常每节电压为2V，初充电电压为2.6-2.7v。
2：
免维护电池：
又名阀控式密封铅酸蓄电池，在使用和维护中需遵循下列原则：
A：
密封电池可允许的运行范围为15度-50度，但5度-35度之内使用可延长电池寿命。
在零下15度以下电池化学成分将发生变化而不能充电。
在20度到25度范围内使用将获得最高寿命.电池在低温运行将获得长寿命但较低容量，在高温运行将获得较高容量但短寿命。
B：
电池寿命和温度的关系可参考如下规则，温度超过摄氏25度后，每高8.3度电池寿命将减一半。
C：
免维护电池的设计浮充电压为2.3V/节。
12V的电池为13.8V。
CSB公司建议每节2.25-2.3V。
在120节电池串联的情况下，温度高于摄氏25度后，温度每升高一度浮充电压应下调3MV。
同样温度每升高一度为避免充电不足电压应上调3MV。
放电终止电压在满负荷（<30分钟）情况下为1.67V每节。
在低放电率情况下（小电流长时间放电）要升高至1.7V-1.8V每节，APCSYMMETRA可根据负载量调节充电电压。
D:
放电结束后电池若在72小时内没有再次充电。
硫酸盐将附着在极板上绝缘充电，而损坏电池。
E：
电池在浮充或均充时，电池内部产生的气体在负极板电解成水，从而保持电池的容量且不必外加水。
但电池极板的腐蚀将减低电池容量。
F：
电池隔板寿命在环境温度为30-40度时仅为5-6个月。
长时间存放的电池每6个月必须充电一次。
电池必须存放在干燥凉爽的环境。
在20度的环境下免维护电池的自放电率为3-4%每个月，并随温度变化。
G：
免维护电池都配有安全阀，当电池内部气压升高到一定程度时安全阀可自动排除过剩气体，在内部气压恢复时安全阀会自动恢复。
H：
电池的周期寿命（充放电次数寿命）取决于放电率，放电深度，和恢复性充电的方式，其中最重要的因素是放电深度。
在放电率和时间一定时，放电深度越浅，电池周期寿命越长。
免维护电池在25度100%深放电情况下周期寿命约为200次。
I：
电池在到达寿命时表现为容量衰减，内部短路，外壳变形，极板腐蚀，开路电压降低。
J：
IEEE定义电池寿命结束为容量不足标称容量AH的80%。
标称容量和实际后备时间非线性关系，容量减低20%相应后备时间会减低很多。
一些UPS厂家定义电池的寿命终止为容量降至标称容量的50-60%。
K：
绝对禁止不同容量和不同厂家的电池混用，否则会降低电池寿命。
L：
若两组电池并联使用，应保证电池连线，汇流排阻抗相同。
M：
免维护电池意味着可以不用加液，但定期检查外壳有无裂缝，电解液有无渗漏等仍为必要的。
3：
镍铬电池：
此类电池不同于铅酸电池，电解时产生氢和氧而不产生腐蚀性气体，因而可安装在电子设备的旁边。
且水的消耗很少，一般不需维护。
正常寿命为20-25年。
远比前面提到的电池昂贵。
初始安装的费用约为铅酸电池的三倍。
并不会因环境温度高而影响电池寿命，也不会因环境温度低而影响电池容量。
一般每节电压为1.2V，UPS因应用此类电池需设计较高的充电器电压。
二：
优点和缺点：
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