绿色能源UPS不间断电源的原理与设计毕业论文设计.docx
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绿色能源UPS不间断电源的原理与设计毕业论文设计
毕
业
论
文
设
计
姓名:
苏秦
专业:
电气自动化
院系:
机电工程系
20XX年5月12日
绿色能源（UPS）不间断电源的原理与设计
第一章摘要………………………………………………5
关键词………………………………………………5
引言…………………………………………………5
1.1UPS电源的基本原理………………………………………5
1.2UPS的发展和分类………………………………………5
1.2.1UPS的发展……………………………………………6
1.2.2UPS的分类………………………………………………6
1.3电力保护系统中UPS的应用……………………………9
1.4本文选题的意义…………………………………………11
第二章怎样选择UPS电源………………………………………12
2.1ups参数的计算………………………………………14
2.2长延时ups蓄电池容量选择………………………………14
2.3根据电力环境选择………………………………………14
2.4根据负载设备选择………………………………………14
2.5根据地理环境选择………………………………………14
第三章UPS的结构………………………………………14
3.1整流部分…………………………………………………14
3.2滤波部分…………………………………………………17
3.3逆变部分…………………………………………………17
3.4网管功能智能部分……………………………………17
3.5各类UPS的优缺点……………………………………17
第四章UPS的安装………………………………………………20
4.1电缆线径的计算……………………………………………20
4.2UPS的串并联接……………………………………………
4.3UPS的放置……………………………………………22
4.4ups的常见故障及维护………………………………………………23
4.5浅谈EPS的概念………………………………………25
4.6脉宽调制………………………………………25
4.7谐波分析…………………………………………26
4.8UPS供电系统现状与发展趋势…………………………………27
4.6死区对逆变器输出电压影响分析………………………28
第五章电池充电环节…………………………………………
第六章结束语和展望…………………………………………
谢辞………………………………………………………………
参考文献…………………………………………………………
摘要：
本文简单介绍了UPS的原理、基本结构，针对电网供电质量问题，着重讲解了UPS电源不可或缺的作用，最后给出了几种几种ups连接方案及UPS供
电系统现状与发展趋势。
关键词：
UPS电力防护设备选型连接方案功率因数EPS蓄电池
引言
UPS（UninterruptiblePowerSupply）意为不间断电源系统，它能够为负载提供连续稳定高质量的电能。
随着机、精密仪器等用电设备的普及以及电信、银行、场馆、机场等重要场所对供电质量要求越来越高，UPS得到了广泛的应用，被称为电力系统的防护墙.已经逐步成为高可靠、高性能、高度自动化的局部供电中心。
（见书）在这种背景下，UPS（不间断电源）应运而生，并伴随电力电子技术的发展，不断推陈出新，在十数年间，不仅造就了一个崭新的产业，而且随着时间的推移更将有蓬勃的发展和灿烂的前景。
UPS电源的基本原理
第三章..
@几种类型UPS点结构框图
一般来讲，UPS由五大部分组成：
整流电路、储能机构、逆变电路、旁路开关电路及测控电路。
如图2.1所示：
1）整流器：
整流器是一个整流装置，简单的说就是将交流（AC）转化为直流（DC）的装置。
它有两个主要功能：
第一，将交流电（AC）变成直流电（DC），经滤波后供给负载，或者供给逆变器；第二，给蓄电池提供充电电压。
因此，它同时又起到一个充电器的作用；
2）蓄电池：
蓄电池是UPS用来作为储存电能的装置，它由若干个电池串联而成，其容量大小决定了其维持放电（供电）的时间。
其主要功能是：
１当市电正常时，将电能转换成化学能储存在电池内部。
２当市电故障时，将化学能转换成电能提供给逆变器或负载；
3）逆变器：
通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。
它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成；
4）静态开关：
静态开关又称静止开关，它是一种无触点开关，是用两个可控硅（SCR）反向并联组成的一种交流开关，其闭合和断开由逻辑控制器控制。
分为转换型和并机型两种。
转换型开关主要用于两路电源供电的系统，其作用是实现从一路到另一路的自动切换；并机型开关主要用于并联逆变器与市电或多台逆变器。
测控电路：
是UPS的大脑，监测输入电压、电流的水平和控制输出的电压和电流精度；设置和控制整流器、逆变器；控制储能机构的充放电；控制主回路与旁路之间的转换。
1,后备式UPS
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。
2,在线互动式UPS
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。
3,在线式UPS
特点:
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.
@ups解决电源干扰
●停电保护
●高低电压保护
●波形失真处理
●频率稳定
●电压稳定
●抑制横模噪声
●抑制共模噪声
●突波保护
●瞬时响应保护
●监控电源
@各技术UPS电源对市电的解决能力
@工业级UPS与商业级UPS的区别
考虑因素
工业级UPS（工厂）
商用UPS（IT）
环境
温度≥40℃
湿度≥95％
灰尘污染――通常污染严重，偶见腐蚀性气体污染
湿气――雨天防护
气候调节——温度、湿度精度调节器
灰尘污染——在写字楼及数据中心环境中灰尘污染很低
湿气——无
制冷
UPS系统可监控的内部后备风扇
机房制冷系统
操作
无后备设计
后备设计
工作寿命
＞10年至15年（根据配件可选用）
＜5年至10年（通常根据技术）
检查口
只有前置检查口，包括所有终端，小型机的着陆区非常重要
前置检查口，小型机的着陆区非常重要
运输
叉车或升降机
叉车或升降机
电池后备时间
60分钟至8个小时或者更多
10至30分钟
物理设计
金属外壳－NEMA12标准
薄金属外壳－NEMA1标准
绝缘
通常的触电绝缘必备
根据实际应用而定
EMI/RFI
工业级别
IT级别
通信
继电器触电必备
MODBUS协议，Profibus通信接口
完备的通信及报告能力均需必备
@UPS电源的智能化网管功能
<件书109>
第四章
@UPS的串并联接
∙摘要 文中分析了UPS的串并联冗余技术,并提出了两台不同型号UPS的三种安装改造方案,并结合配电结构实际情况,分析了三种方案的优点和缺点,最后选出了UPS最佳改造方案。
UPS作为电源保障,为负载提供高质量的不间断电源,在航空航天、卫星通信等重要领域大量应用。
目前我单位配有IPMBP225UPS一台,单机运行了十余年,由于设备陈旧,存在一定的风险性。
为了提高供电系统的安全性和可靠性,我单位决定对供电系统进行改造,新增一台UPS。
为了改造工作的顺利开展,本文分析了两台UPS的串并联冗余技术,并结合配电结构的实际情况,提出了三种改造技术方案,并详细分析了其优点和缺点,最后选出了最佳改造方案。
1 UPS的串并联冗余技术
在UPS的应用中,用户为了提高运行可靠性,往往要求几台UPS冗余连接。
UPS的冗余连接有串联和并联两种方式。
1.1 UPS的串联连接
任何具有旁路（BYPASS）的UPS都可以进行串联连接,两台UPS的串联连接的方式如图1所示。
图1 UPS串联连接
这种连接很方便,只需要将一台UPS（如UPS1）的BYPASS（BYPSS1）的输入与市电断开,并连接另一台UPS（如UPS2）的输出端,就构成了两台UPS的热备份冗余系统。
在正常情况下由UPS1向负载供电,而UPS2处于热备份空载运行;当UPS1故障时,UPS2投入运行接替UPS1继续给负载供电。
只有当UPS2因过载或逆变器故障时,才由两台UPS的旁路给负载提供市电。
1.2 UPS的并联连接
提高UPS供电系统可靠性的另一个方法是并联连接,但是UPS的并联连接并不像串联连接那样容易。
因为所有UPS的输出阻抗不可能相同,加之各逆变器的输出电压和市电电压锁相都具有正负误差,致使各个UPS的输出电压既有相位差又有幅值差,因此一般UPS直接并联是危险的,只有具有并联功能的UPS才能并联。
图2中将两个UPS并联,这种将两台UPS的输出直接并联,必须满足下列条件:
相位和幅值相同,以保证两个UPS之间无破坏性环流产生。
图2 UPS并联连接
为了满足上述条件,仅具备BYPASS结构的UPS就远远不够了,如果是不具备并联功能的UPS,就必须在原UPS的基础上增加并联柜或并联板,这样就必须增加投资。
并联连接的优点在于它不仅可以提高可靠性,而且过载、动态性能比串联方式好得多,且便于增容。
并联连接的方式有以下几种:
（1）主从并联
这种方式是并联系统中以一台UPS为主机,其他为从机。
从机在主机的控制下,从机中任意一台出现故障,均不影响系统的正常供电,但若主机出现故障则全系统瘫痪。
（2）无主从并联
并联系统中无主从之分,系统中任一台UPS既是主机也是从机,哪台先开哪台就是主机,而后开机的都是从机。
一旦主机故障停机,系统自动选择作为从机运行的另一台UPS接替主机的工作,保持供电不间断。
（3）限流并联系统
把系统中所有的输出并联连接,但每台UPS必须有可靠的限流功能,即在任何情况下都保证把该UPS的输出电流限制在额定值内,这种方法仅限于单相电源。
2 不同型号UPS的安装方案
2.1 串联连接
IPMBP225UPS作为主用UPS,台达（GES-NT100k）UPS作为备用UPS,其输入端接在IPMBP225UPS的旁路上。
正常情况下IPMBP225UPS工作,当IPMBP225UPS发生故障时自动转为静态旁路,此时由备用UPS通过主用UPS的静态旁路为负载提供不间断的电源。
在实际改造中,引电缆至备用UPS市电主输入,将IPMBP225UPS的旁路输入电缆拆除并连接在台达（GES-NT100k）UPS的输出端。
串联方案示意图如图3所示。
图3 不同型号UPS串联方案示意图
优点:
（1）安装简单,无需调试,不增加额外电路,因而可靠性高,不增加购置成本。
（2）只有单台UPS供电,因而逆变效率高,节约能源（备机是空载运行,消耗功率很小）。
（3）对UPS要求不高。
缺点:
（1）在主用机的静态旁路故障时,将可能中断整个系统对负载的供电,备份失效。
（2）备机长期空载,不易发现故障。
（3）备机的蓄电池将长期处于浮充状态,电池无法放电,影响电池寿命。
（4）当切换时备机从空载转至满载运行,整流器及逆变器将受到大电流冲击而较易损坏。
（5）利用率低。
2.2 并联连接
IPMBP255UPS和台达GES-NT100kUPS其功率和生产厂家不同,不支持一般的并联功能,必须在两台UPS输出端加一个并联柜才能实现并联（见图4）。
正常工作状态下主机为台达UPS,当主用UPS发生故障时,由并联柜自动转到备用UPS上,由IPMBP225UPS带全部负载。
但此种方案成本太高,一个并联柜的价格为几十万元,实用性不强。
图4 两台不同型号UPS并联方案示意图
优点:
（1）可以实现自动转换,可靠性较高。
（2）安装方便。
缺点:
（1）增加额外电路,增加购置成本。
（2）并联柜故障时,备份失效。
（3）当备用的IPMUPS淘汰不用时,并联柜将闲置。
2.3 分别带负载连接方案
两台UPS分别带负载,当一台UPS发生故障,通过转换可以实现另一台在不间断供电的情况下带全部负载。
分别带负载连接方案如图5所示,两台UPS主路、旁路均接在同一个母排上,这样它们的输入电压的相位和幅度均一致。
以IPMBP225UPS主用,转换成台达UPS满载运行为例,简单叙述转换过程:
此时S1、S3、K1、K2闭合,S2断开。
首先将IPMBP225UPS转为维护旁路工作,然后将台达UPS也转为维护旁路工作,闭合S2,断开S1,此时台达UPS维护旁路（市电）满载运行,将台达UPS转为主路工作,转换完成。
图5 分带负载方案示意图
此种连接方案不必增加新的设备,只需将配电柜简单改造就能完成。
在台达UPS安装完毕后还可以让其不带负载运行一段时间,以测试其工作性能。
优点:
（1）对UPS无要求,安装简单,无需调试,不增加额外电路,不增加购置成本。
（2）可以实现增容的要求。
（3）可以实现一台UPS带满载,另一台停机,便于维护。
（4）两台UPS分担负载,利用率高。
缺点:
（1）当一台UPS发生故障时,另一台UPS不能自动投入,必须通过手动切换,因而可靠性较低。
（2）切换时需人工操作,对操作人员的水平要求较高。
通过上述分析和我单位配电结构的实际情况,采用第一种技术方案,组成串联系统,这样施工简单且不用增加购置成本。
在IPMBP225UPS淘汰后可再购买一台新的台达（GES-NT100k）UPS,组成并联系统,使我站UPS系统更加安全可靠。
@浅谈UPS和EPS的区别
EPS应急电源[2]是根据消防设施、应急照明、事故照明等一级负荷供电设备需要而组成的电源设备。
产品由互投装置、自动充电机、逆变电源及蓄电池组等组成。
在交流电网正常时经过互投装置给重要负载供电。
当交流电网断电后，互投装置将会立即投切至逆变电源供电。
当电网电压恢复时，应急电源[1]又将恢复为电网供电。
应急电源在停电时，能在不同场合为各种用电设备供电。
它适用范围广、负载适应性强、安装方便、效率高。
采用集中供电的应急电源可克服其他供电方式的诸多缺点。
减少不必要的电能浪费。
在应急事故、照明等用电场所，它与转换效率较低且长期连续运行的UPS不间断电源相比较，具有更高的性能价格比。
EPS应急电源主要用于建筑物发生火情或其他紧急情况下为应急照明等各种灯具（含单进单出型金属卤素灯、钠灯）提供集中供电的应急电源装置。
EPS与UPS的差别
（1）我国EPS的发展是起源于电网突发故障时，为确保电力保障和消防联动的需要，它能即时提供逃生照明和消防应急，保护用户生命或身体免受伤害，其产品技术要求受公安部消防认证监督，并接受安装现场消防验收。
而UPS只是用来保护用户设备或业务免受经济损失，其产品技术要求受信息产业部认证。
两者适用的安全规范明显不同，因而具有不同的价值观。
（2）EPS和UPS均能提供两路选择输出供电，UPS为保证供电优质，是选择逆变优先；而EPS是为保证节能，是选择市电优先。
当然两者在整流/充电器和逆变器的设计指标上是有差异的。
（3）UPS由于是在线式使用，出现故障可以及时报警，并有市电作后备保障，使用者能及时掌握故障并排除故障，不会对事故造成更大的损失。
而EPS是离线式使用，是最后一道供电保障，因而其可靠性设计要求更高，不能简单理解为后备式UPS，否则就把EPS的重要性一笔勾销了。
如果EPS在市电故障时，不能通过蓄电池应急供电，则EPS如同虚设，造成的后果将不堪设想。
（4）UPS供电对象是计算机及网络设备，负载性质（输入功率因数）差别不大，所以国标规定UPS输出功因为0.8。
而EPS供电对象则是电力保障及消防安全，负载性质为感性、容性及整流式非线性负载兼而有之，其输出功率因数就不能设定为0.8（EPS国标将规定其数值），而且有些负载是停市电后才投入工作的，因而要求EPS能提供很大的冲击电流，EPS需要输出动态特性要好，抗过载能力更强。
因此EPS与UPS各组成部分的技术设计指标分配是不同的。
高谐波含量、低功率因数的危害
大量谐波电流涌入电网后，会使线路的附加损耗增加，引起线路过热加速绝缘介质的老化，导致绝缘破损。
另外谐波电流通过电网时会产生有功损耗，对电网的运行很不利。
另外，电网中设置的并联电容器的容抗会随着谐波次数的增加而减小，因而会使电容器过电流发热导致绝缘击穿的故障增多。
电力系统存在分布电容和功率因数补偿电容器，谐波电流有可能激发局部串联谐振或并联谐振，直接破坏整个系统的安全运行。
当选用柴油发电机组与UPS匹配使用时，UPS向柴油发电机组反射的大量高次谐波，特别是5次和11次谐波会对柴油发电机组产生严重的危害，使柴油发电机组的效率大大降低。
大量的谐波会使用电设备运转不正常或者不能正常操作；谐波同时会干扰通信系统、降低信号的传输质量、破坏信号的正常传递，甚至损坏通信设备。
功率因数低会使电网的电压下降，电气设备得不到充分得利用，大量的无功电流在线路上流动占用了线路资源降低了线路传输有功电流的能力，增加附加损耗，降低发电、输电及用户设备的效率。
理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。
谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的能耐电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还没有引起足够的重视。
近三四十年来，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。
谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面。
（1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。
（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。
谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。
谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。
（3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述
（1）和
（2）的危害大大增加，甚至引起严重事故。
（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。
（5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。
@UPS供电系统现状与发展趋势
功率MOSFET以及IGBT的问世为UPS开拓出一条光辉灿烂之路，使UPS技术步入崭新的时代——全数字化时代。
首先，UPS的输入部分取消了用于与市电隔离的工频变压器或为降压用的自耦变压器，而采用SPWM技术实现
整流高频化（AC/DC）。
一方面减少直流侧滤波器尺寸，改善直流侧调节性能，提高市电电压允许变化范围；另一方面在控制技术中采用数字信号处理器DSP控制，使输入电流正弦化，并与市电电压相同，从而实现UPS高输入功率因数（PF约为1），消除对市电的谐波“污染”，大幅度减少无功损耗，明显降低了运行成本，达到环保的目的。
其次，取消了UPS逆变器中的工频变压器，用高频变压器来实现UPS与市电的隔离，而UPS的输出级采用SPWM变换方式（不用变压器直接逆变）输出工频电压。
逆变器中的功率MOSFET或IGBT工作频率在20kHz以上，因此输出滤波器小而简单，而且输出的正弦波非常光滑。
对于UPS内部的蓄电池组采取高频变化降压方式（DC/DC）充电，当市电停电，UPS转换为蓄电池，给逆变器供电时亦采取高频变换降压方式（DC/DC）实现。
在逆变器控制电路中采用正弦波直接反馈技术，使其调节高速化，远远优于传统模式模拟反馈技术，再加上小的输出滤波器和20kHz以上的SPWM调制，使UPS动态相应特性非常好。
在逆变器保护电路中采用性能优良的过流保护技术，使逆变器不仅具有较强的过载能力，允许100％负载不平衡（指三相逆变器），而且具有强有力的自身保护。
也正是在上述条件保证下，抛弃了传统式逆变器输出变压器，不仅噪音低而且效率高。
全数字化UPS是新一代UPS，它具有高质量、高可靠、高指标、多功能等特点。
21世纪初，全球UPS技术将向着多功能的方向发展。
使其全系列产品的功率范围从12kVA拓展到300kVA，全面满足客户的需求，提供包括特殊环境下的关键应用系统所需的中央电源保护功能，内置式DCexpert电池监察系统，能够高准确地提供运行时间和电池状况，避免因突如其来的故障导致数据丢失，其指示的电池运行时间误差仅为±3％。
内置式数字化Token-Ring网络采用数字信号处理专利算法，有效地解决并行系统之间的相互沟通问题，并采用有效的设计将产品的元件数量减至最低程度，以减少故障机会，成为业界首家提供99.99%可用性的并行冗余系统。
新推出的RemoteNotify选件在大部分情况下能够自行诊断故障，并且随即解决问题。
如果遇到重大故障，可以就用户预测的190多种故障情况，自动向传呼机或个人电脑发出最多长达40个字的求助信息。
RemoteNotify可以向两个不同的电话号码发出呼叫，并且最多可以重拨256次，以确保信息可以顺利传达，而网络管理人员则可通过拨号进入系统内部检查UPS的全面运行情况。
智能化UPS
UPS的智能化包括系统运行状态自动识别和控制、系统故障自诊断、蓄电池自动监测管理、智能化内部信息监测与显示等。
UPS的异地远程监控包括系统专用远程监控控制盘、RS232/485通信口与监控PC间的交互控制、将UPS系统作为网络的一个节点的网络交互控制等。
UPS的智能化主要通过系统的控制软件实现。
在系统运行状态识别与控制方面，通过内部传感器和状态逻辑及识别系统所处的运行状态，判定系统运行程序和运行是否正常，主要包括以下几个方面:
·根据负载被切换到旁路的时间和次数以及切换时的输入输出参数等，判定系统的运行模式即旁路运行还是主机运行、充电运行还是放电运行。
·根据系统运行的状态参数识别外部指令，决定执行外部指令的方式，包括系统功能和运行参数的调整。
·快速准确地判定系统的故
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