第03章 系统分析.docx
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第03章系统分析
第三章
系统分析
UPS系统型号:
SDPSERIES
3.1主要特点2
3.2系统架构4
3.3整流器5
3.4逆变器6
3.5静态转换开关8
3.6维护旁路开关9
3.7外观和图片10
3.8前端面板11
3.9SDP系列电力专用UPS技术参数16
3.1主要特点
可靠的输入保护：
空气开关安装于各个输入回路中，假如逆变器或负载有异常现象引起开关跳闸时，可确保电源能不间断地经由其它回路继续传送。
输入浪涌电流保护：
输入端已安装了MOV（浪涌保护装置），因此，可有效防止因闪电、雷击或邻近高负载所产生的浪涌电流对UPS设备及其负载造成损坏。
有效抑制电磁波干扰：
为了符合国际EMC标准，本公司的设备中安装了EMI滤波器，因此，能有效降低电磁波干扰，同时保证连接于同一交流输入源的其它设备不受任何影响。
高效率的AC/DC设计：
因整流器使用相序控制技术（PhaseControlTechnology）来调整DCBUS电压，所以能最有效率保证了电源的洁净。
此外采用更佳更耐用的SCR组件，且输入端加装电感器（Inductor）可以避免交流电源波型变形。
高频的DC/AC设计：
逆变器使用高效IGBT模块，脉宽调制技术将直流电源转换为交流电源供负载使用，因此，虽然组件的数量减少了，但是可靠性却有效地得到提高；整个UPS的尺寸和重量大大减少，节省了空间及运输费用；在充分提升UPS品质的同时，也大大降低了设备的噪声。
输入/输出超隔离设计：
在UPS设备的输入及输出端分别设置的隔离变压器不仅可以解决低品质输入交流电源所造成的问题、有效消除漏地电流影响，而且使UPS设备便于和其它设备进行连接。
此外，这两组隔离变压器可以确保UPS设备及负载在雷击、闪电等危险的电气环境中持续高效率地工作。
即插即用设计：
电路被拆分开数个模块插放在UPS里，可以方便抽取、进行快速维修或容易找出问题，因此可称为即插即用模块。
冷启动功能：
本公司UPS设备可以在无市电的情况下启动，这就意味着，如果选配了蓄电池，则可通过蓄电池启动UPS设备（如果配用电厂提供直流电源，则通过该直流电源使UPS启动）。
同时由于设备中加装了限流电路，因此可以有效杜绝多数其它品牌UPS经常发生的问题，即当蓄电池直接连接于无电流通过的直流总线中时，瞬间浪涌电流容易对蓄电池端空气开关及直流电容造成损害。
防误操作人性化设计：
本公司UPS产品在设计上着重考虑如何避免由于误操作而对设备造成损害，因此在电路中加装了空气开关传感器、电源供给传感器等多种设备，因此，任何操作不当均不会对UPS造成损害。
超宽输入电压范围（380VAC/-20%~+20%）：
本公司UPS设备在设计上充分考虑了中国大陆某些地区的恶劣电网环境，为了进一步提升设备的安全性及可靠性，而使UPS输入市电的范围进一步加宽，同时，所有的输入组件都是经过特别挑选以适应极端的高压和大电流的冲击。
卓越的恶劣环境适应能力：
UPS设备的所有组件均为高效率和高安全级别的组件，可以在诸如恶劣的温度、湿度、一定高度的海拔或一定强度的地震等恶劣环境中正常工作。
并联电源设计：
静态开关电源采用并联方式连接，无论UPS发生任何状况，都不会影响到对负载的供电。
简便面板操作设计：
（上∕下∕执行）开关置于前盒面板，LCD显示控制开关可以方便触控；一些重要的逆变器开关，则隐藏在前门板后面，打开前门即可操作（须要用钥匙才可打开前门，若无钥匙时也可以藉由输入密码进入窗口操作逆变器开关），因此可以防止非相关人员轻易操纵UPS开关。
资料记录能力：
为了进一步提供使用者资料参考，每个不正常状况发生的资料及时间都会储存在UPS里，因此使用者能够清楚了解UPS发生的任何状况，即使在没有电源的情况下，储存在UPS里的资料也不会被清除掉。
超长平均间隔维修时间（MTBF）：
所有部件在装机前经过严格的筛选，所有部件均为降额使用，以确保设备高可靠、高效率运行。
根据美国军标MIL-HDBK-217E《电子设备可靠性预计》计算的MTBF值为250000小时。
紧急停机装置：
在危险情况，诸如短路现象、火灾或地震发生时，可借助紧急停机开关或烟雾侦测器（另行加装）来关闭逆变器，使输出端无交流电源，避免发生危险以减少灾害损失。
3.2系统架构
图3.1UPS架构示意图（仅标示核心部件）
UPS系统是由以下及部分组成：
-主电源输入无熔丝开关3Q1（InputBreaker）、
旁路电源输入无熔丝开关3Q3、3Q4（BypassBreaker）、
-电池输入无熔丝开关3Q2（BatteryInput）、
-输出无熔丝开关3Q5（OutputBreaker）、
-输入滤波板及保护电路（InputFilter&ProtectionNetwork）、
-整流器3A1（Rectifier）、
-逆变器3A2（Inverter）、
-静态开关3KM2、3KM3（StaticSwitch）、
-隔离变压器3T1、3T2（IsolationTransformer）
-输出滤波板（OutputFilter）等组成。
在正常市电输入下，交流电源被转换为直流电源供逆变器输出给负载（若选配充电器可在正常工作模式下同时对电池组充电），在市电中断时，可由用户提供的直流电源或者选配的蓄电池组提供电力供负载使用。
虽然UPS的工作原理和操作方法看似简单，但是要设计及制造出一台高可靠度、高安全性和高智能化的UPS同时又要满足顾客的需求，则不仅需要先进的技术、知识，而且需要经验的长期累积。
因此，为了进一步满足使用者及市场需求，本公司在高可靠度、高安全性和高智能化的UPS研发领域花费了多年的努力和大量的资金。
此外，如何选择一台最好并且最适合的UPS设备可以说是即困难又容易。
这取决于您是否知道这其中的关键所在，而首要的就是您所准备连接的负载容量。
通常，为了保证UPS的稳定性和今后可能的扩容，此外，为了适应未来有更大的电力需求，建议使用者购买为现有负载容量1.5倍的UPS，以方便日后增加负载使用。
当然，假如您希望在将来能大幅度增加负载，你也可以选择大于现有负载容量1.5倍UPS。
UPS的另一个重要特点就是高度的可靠性，其根本目的就是保护您所连接的负载，因此，UPS应该比市电更值得您信赖。
而品质差的UPS常有死机的问题，甚至比市电更频繁，故选择高效率与高可靠度之UPS以及拥有良好的技术维修服务的供货商是非常重要的。
3.3整流器
整流器的主要功能就是将交流电源转换为直流电源提供给逆变器，逆变器重新将直流电源转换为交流电源输出给负载。
图3.26脉冲控制整流器原理图
我们的设备中还加装了额外的低压及高压保护装置以提高可靠性并且在不正常状况发生时关闭整流器。
整流器中的组件均是经过特别的挑选以适应极端的高压和高电流冲击。
整流器在设计上也着重考虑允许超宽线电压输入（307～520VAC）以适应某些地方恶劣的电网环境。
容量40KVA以下UPS使用6脉冲（6-pulse）的全控整流器，并在前端加装一个电感器，可以增加效率、减少谐波和降低突波电流；控制电路可以把DCBUS稳压在1%内，软激活电路（大约20秒）和限流电路可以防止机器受过大的电流及瞬间的大电流影响。
另外，增加高电压和低电压保护电路可以增加UPS可靠度，并在电压不正常情况下自动关闭整流器；DCBUS可以调整，可以连接不同厂牌的电池；整流器组成的模块组件经过特别选择，可以承受较高的电压和电流，且整流器设计有更宽广的交流相电压输入范围（177~300VAC），能适合一些电源品质极差的地区。
图3.312脉冲控制整流器原理图
此外，为了增加整流器的电源效率及减少谐波电流，60KVA及以上的UPS使用12脉冲的全控整流器，另装有移相变压器，电压总谐波失真可以大大的减少并增加输入的功率因子；另增加输入电感器，虽然会提高成本但可以增强可靠度、降低输入功率和减少谐波电流，更能符合世界能源的需求，而且本机器又增加谐波滤波板可以降低谐波电流，亦可大大的减少电压总谐波失真；另外为了减少电压总谐波失真，特别是更大功率UPS，使用18脉冲的全控整流器，电压总谐波失真更可以降到最低。
当输入交流电中断或者整流器发生故障而没有直流电源输出给逆变器时，电厂提供的直流电源将为逆变器提供直流输入，并由逆变器提供给负载。
3.4逆变器
逆变器负责将整流器或者电厂直流屏提供的直流电转换为电压幅度和频率精确、稳定的交流电以满足现今先进的电力设备的需要。
图3.4单相逆变器
逆变器输出电压通过脉宽调制技术产生。
逆变器主要由IGBT、电感、电容、缓冲电路，控制电路和保护电路等组成。
它能将直流电转换为交流电供负载使用。
本公司UPS使用的IGBT技术可将频率转换至人类听觉范围之外，因此不存在噪音干扰。
本公司UPS采用电压限制电路以保证电压在1%范围内变化。
特别的补偿电路也被安装以消除输出波形失真。
逆变器的每一个组件均能接受大范围电压输入（165VDC～285VDC），因此输出波形可以保持在整个输入电压范围内保持为正弦波。
此外，由于动态反馈电路的存在，逆变器甚至可以在连接非线性负载的情况下保持正弦波输出。
本系列UPS采用各相独立的逆变器设计，有各自独立的反馈电路，这虽然会增加成本但当连接100%不平衡负载并且负载连接至相邻相位时，输出电压不受任何影响并且始终保持高度的精确性。
此外IGBT在最佳状况下工作可以保持最高效率，这样有助于将客户的电费减少至最少范围。
通常，UPS出现故障大多是逆变器损坏，因此，我们增加了冗余保护电路以保护逆变器，增加了缓冲电路以抑制尖锋、干扰及噪声，并且采用高规格和高质量的组件、半导体熔丝和良好的通风设备等等。
每个步骤均是为了保证逆变器能够稳定、高效地工作。
同时，逆变器也可以承受一定量的过载和由负载产生的高峰值电流的冲击，因此，平均故障间隔时间（MTBF）远远超出了您的构想。
3.5静态转换开关
图3.5静态开关（单相）
静态转换开关由逆变和旁路动作触点及辅助SCR构成，它可以在极短的时间将负载由备用电源供给转为由逆变器供给，或由逆变器供给转换为备用电源供给，静态逆变切换时间对于UPS而言是非常重要的。
由于在控制电路中增加了检测电路，因此可以完成零时间静态切换。
而检测逻辑主要用于控制静态开关何时进行转换。
例如，当正常操作模式下输出短路时，UPS设备将检测到短路状况并在超出逆变器承受时间时让其停止工作，而静态开关不会立即转换至备用旁路，因此备用旁路空气开关不会损坏；但是一旦过载情况出现，UPS将在超过逆变器承受范围时让其停止工作，然后将负载转换至由备用旁路供电，这是因为静态开关承受过载的能力强于逆变器。
同样，旁路输入电压和频率也决定了静态逆变切换以通过提供合适的电能来保护负载。
此外本机采用双CPU来监控静态逆变切换是否成功。
◎逆变器至旁路切换条件
a）旁路的电压及频率在承受极限以内，同时逆变器的频率和相位与旁路保持同步
b）在过载或者逆变器故障的情况下，UPS转换至旁路模式。
c）如果情况a）没有发生，而以下情况出现时
――逆变器在过载情况下连续工作（取决于负载过载的大小）
――逆变器发生故障的情况下停止工作。
◎旁路至逆变器切换条件
a）当逆变器的电压和频率处于承受极限以内并且和旁路保持同步，UPS将自动切换为逆变器工作模式。
b）当承受的过载量仍然超出承受极限时，逆变器工作模式将不会启动，并且UPS仍然转换回旁路工作模式。
c）UPS重新转换至逆变器工作模式将取决于逆变器。
逆变器的启动开关必须被按下。
逆变器将重新开始启动，并且在经过10秒钟后重新建立输出。
3.6维护旁路开关
同其它型号的UPS不一样的是，出于方便角度的考虑，本公司UPS已经把维护旁路开关安装在UPS内部。
在正常工作模式下，它是断开的；仅当需要进行设备维护或者维修时才接通。
为了保障维护人员的安全，在维修UPS内部时，要切断所有的电源才能触碰UPS内部组件进行维护工作。
假如在正常工作情况下，激活旁路空气开关，逆变器会自动停止，负载自动转换由备用电源供应，防止交流电源直接和逆变器相连。
此外，请不要在维护旁路开关断开之前将逆变器激活。
维护旁路开关之操作程序：
首先关闭逆变器，静态开关自动在无任何输出中断的情况下转换至由备用旁路输出电能供负载使用，然后再接通闭合维修旁路空气开关，接着切断备用电源空气开关和整流器空气开关，以使负载无中断地由维修旁路提供电能供应。
3.7外观和图片
图3.7.0单柜体立体图图3.7.1双柜体立体图
图3.7.2三柜体立体图
3.8前端面板
前面板放置于电路板箱体上面，UPS所有的状态可在面板上一目了然，并设有开关按键来控制和设定UPS，面板各点功能介绍如下：
Ａ：
LCD显示：
LCD显示现在状态和过往历史资料。
UPS的参数、现在时间、逆变器、蜂鸣器也可以透过LCD来设定，LCD内有背光LED让画面清晰明亮。
当上∕下∕确认键三分钟后没有被按，LCD内的背光LED马上熄灭，可以节省电源，当上∕下∕确认键其中任意一键被按下，LCD内的背光LED马上恢复光亮。
Ｂ：
状态LED：
24个LED表示UPS目前的状况，可以提供给使用者最新的讯息。
当有不正常情况发生，这些LED就会亮起。
这24种状态如下：
INVERTERON－逆变器运转中
INVERTERSS－备用电源静态开关切断，逆变器静态开关激活，输出负载由逆变器供应。
SHORTCIRCUIT－UPS输出短路。
FUSE／OVERTEMPSD－保险丝断掉或温度太高，导致逆变器锁机。
INVERTERFAILSHUTDOWN－逆变器输出电压异常，导致逆变器锁机。
BYPASSONSHUTDOWN－当逆变器执行中，旁路无熔丝开关激活，导致逆变器锁机。
HIGHDCSHUTDOWN－当逆变器执行中，直流电压太高，导致逆变器锁机。
OVERLOADSHUTDOWN－输出负载超过逆变器额定范围，导致逆变器锁机，减少一些负载，经过7秒后UPS重新激活。
70%LOAD－UPS连接超过70%额定负载。
110%LOAD－UPS连接超过110%额定负载。
125%LOAD－UPS连接超过125%额定负载。
150%LOAD－UPS连接超过150%额定负载。
RESERVEACFAIL－交流备用电源电压超过范围。
RESERVEFREQFAIL－交流备用电源频率超过范围。
BATTERYLOW－直流电源（或电池电压），低于180VDC，已经接近低电池锁机。
BATTERYLOWSHUTDOWN－直流电源（或电池电压），低于165VDC（低于逆变器可接受的直流电压），导致逆变器锁机。
RECTACFAIL－整流器交流输入电压超过范围。
ROTATIONERROR－整流器交流输入相序不正确。
RECTIFIERSHUTDOWN－直流电源太高（超过295VDC），导致整流器锁机，当异常状况排除，30秒后自动激活。
HIGHDC－直流电压超过285VDC，UPS限压功能激活，电压不会再往上升。
BOOSTCHARGE－电池均充电。
BATTERYTEST－电池自动测试。
EMERGENTSTOP－紧急停止开关突然激活，导致逆变器锁机。
DATALINE－LED闪烁，表示通讯接口在传送资料或接收讯息。
Ｃ：
警告LED：
当有不正常情形发生时警告LED将亮着，使用者可以清楚看见LED所表示的错误信息。
当回复到正常状态LED就会熄灭。
各个LED所表示如下：
RECTACFAIL－整流器交流输入不正常，因为交流电源大小超过范围或相序错误，导致整流器锁机。
RESERVEFAIL－备用电源交流输入不正常，因为交流电源大小超过范围或频率超过范围。
FUSE／TEMP－逆变器保险丝断掉或温度过高。
OVERLOAD－输出负载超过110%，125%或150%。
HIGHDC－直流电压超过285VDC，LED将会亮起。
BATLOW－直流电压低于180VDC，LED将会亮起。
BATLOWSTOP－直流电压低于165VDC，逆变器禁止激活，LED将会亮起。
FAULT－不正常情况发生，像超载、短路、高直流电压、保险丝烧断／温度过高、旁路无熔丝开关开启或突发性停止，导致逆变器锁机。
这些LED放置在透明窗口后面，使用者不须打开门板就能清楚的看到灯号显示。
Ｄ、蜂鸣器鸣叫：
Ｅ．旁路LED︰当维护旁路无熔丝开关激活这个LED就会亮起。
当维护旁路无熔丝开关激活时，逆变器无法激活，此时若逆变器在正常运转中也会立即停止。
Ｆ．备用电源LED︰当备用电源无熔丝开关激活，输出电源由备用电源供应，这个LED就会亮起。
Ｇ．整流器LED︰当整流器在正常情况下工作这个LED就会亮起。
这表示整流器输入电源正常，相序正确，整流器无熔丝开关激活，以及DCBUS电压正常。
Ｈ．停电LED︰当UPS在停电状态下这个LED就会亮起，亦可用来指示电池测试结果。
假如电池测试不通过，即使在未停电的状态下此LED会闪烁着直到使用者更换电池。
Ｉ．逆变器LED︰当逆变器开关激活这个LED就会亮起。
这个LED表示逆变器是否在运转中。
Ｊ．逆变器静态开关LED︰当逆变器静态开关转为激活并且备用电源静态开关转为切断，这个LED就会亮起，负载电源由逆变器提供，通常激活逆变器开关约7秒后这个LED才亮起。
Ｋ．备用电源静态开关LED︰当备用电源静态开关激活并且逆变器的静态开关转为切断，这个LED就会亮起，然后负载电源由备用电源供应，备用电源静态开关和逆变器静态开关不会同时导通，所以逆变器静态开关LED和备用电源静态开关LED也不会同时亮起。
Ｌ．输出LED︰当输出端子有交流电源这个LED亮起。
这是一个很重要的显示，使用者可以看出有没有交流输出。
Ｍ．上移键︰它是LCD控制键，当UPS的资料或命令要重新设定，它可以移动光标往上一个项目到所选择的项目，或向上更改数字／属性。
Ｎ．下移键︰它是LCD控制键，当UPS的资料或命令要重新设定，它可以移动光标往下一个项目到所选择的项目，或向下更改数字／属性。
Ｏ．执行键︰它是LCD控制键，它可以往后翻页也可以确定选择数字／属性／项目。
Ｐ．逆变器激活开关︰它是逆变器激活开关，当此键和逆变器控制开关（Q）键同时按下，逆变器为激活。
Ｑ．逆变器控制开关︰它是逆变器控制开关，当此键和逆变器激活键（P）同时按下，逆变器被激活；当此键和逆变器切断键（R）同时按下，逆变器被切断；双按键的设计可以防止误按，因此这键也可称作是一个防止错误键。
Ｒ．逆变器切断开关︰它是逆变器切断开关，当此键和逆变器控制开关（Q）键同时按下，逆变器被切断。
3.9SDP系列电力专用UPS技术参数
基本技术规格表
KVA
10
15
20
30
40
50
60
80
100
120
160
整流器
输入电压
380/400/415V
输入电压范围
-20%~+30%
输入频率
50/60Hz±7%
输入功率因数
0.9
正常输入电流（A）
18
17
16
27
26
25
36
34
33
54
51
49
72
68
66
90
86
82
108
103
99
144
137
132
180
171
165
216
205
198
288
274
264
最大输入电流（A）
23
21
20
34
32
31
45
43
41
68
64
61
90
85
83
113
107
103
136
129
124
180
171
165
225
214
206
270
256
248
360
343
330
软激活
15%～100%:
15sec
效率
99%
稳压率
±2V
限电流（A）
27
26
24
41
39
38
54
51
50
81
77
74
108
102
99
135
129
123
162
155
149
216
206
198
270
257
248
324
308
297
432
411
396
纹波电压
0.5%
逆变器
直流输入范围
165～270VDC/83～135VDC
波形
正弦波
输出电压
220/230/240V1PHASE
输出功率因数
0.8
100%负载稳压率
±1%
锁相频率范围
45～55Hz/55～65Hz
输出频率
（正常开机情况）
50/60Hz±0.01%
电压总谐波失真（线性负载）
<2%
超载状态
≤110%
连续
110～125%
10min
125～150%
1min
≥150%
10sec
100%负载效率
92%
92%
93%
93%
93%
93%
93%
94%
94%
94%
94%
最大输出保护电流（A）
132
193
260
390
520
650
780
1044
1308
1560
2088
静态旁路
电压范围
±15%（LINETONEUTRAL）
频率范围
45～55Hz/55～65Hz
效率
99.5%
KVA
10
15
20
30
40
50
60
80
100
120
160
转换时间：
市电->逆变器
≤0.4ms
逆变器->市电
≤0.4ms
手动旁路
采用电子安全装置，不中断
隔离输出
隔离
整机特性
整机效率
89%
89%
90%
90%
90%
91%
91%
91%
91.5%
92%
92.5%
工作环境：
温度
-10～40℃（32-104℉）
湿度（20℃时）
0%-90%（不凝结）
高度
<1500M海平面以上
最大热释放（KW）
0.65
0.95
1.3
1.9
2.6
3.0
3.5
4.6
5.5
6.5
9.0
重量（kg）
350
460
500
730
900
1060
1200
1500
2000
2500
3000
高度（mm）
1800
深度（mm）
800
宽度（mm）
600
1200
1800
噪音
<65dBA（离箱体正面一米处）
规范：
-CE
符合
-EN50091-1，-2
符合
-FCCCLASSA
符合
保护电路：
短路保护
整流器，备用电源，旁路开关
雷击保护
MOV
EMC滤波
输入&输出
输出隔离
输入&输出&旁路全隔离
LCD资料显示
有
指示&警告：
LED，LCD，蜂鸣器
有
干接点
有
电池激活
有
升级会员 