变电站用逆变电源UPS培训教程总结.docx
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变电站用逆变电源UPS培训教程总结
UPS教程
北京开元浩海科技发展有限公司
序言
UPS（UninterruptiblePowerSystem）-不间断电源系统，通常指的是交流电供电系统。
众所周知，UPS技术是随着现代信息技术的发展而逐渐发展和完善的。
但是，在交流供电过程中，还存在一些不利于电气设备的因素，诸如：
停电、瞬时断电、电压波动、电压浪涌冲击、尖峰脉冲干扰、波形畸变等。
对于传统的电器设备，如：
白炽灯、电动机，电视机、音响设备等，人们关心的主要是设备安全和长时间停电问题，而对于以秒为单位的停电或干扰，并不在意。
但对于以数字电路为基础的信息及计算机类产品来说，大于10ms的断电，会使运行的设备程序中断，数据丢失；电压浪涌的冲击、尖峰干扰等，会造成设备开关电源的损坏、数据错误；甚至电源零、地电压高，也会对数据传输造成障碍。
因而，对于现代信息设备而言，UPS除解决不停电的问题外，还要供给负载不间断的、稳定的、无干扰的、完全符合信息工程要求的绿色交流电。
所以现代的UPS，不再是单纯的不间断电源系统，而应当是电源保障系统。
一、简述UPS分类：
根据欧洲电信标准化协会（ETSI）UPS标准EN50091-3的规定，UPS（UninterruptiblePowerSystem）分为三类，即后备式（Passivestandby）、互动式（Lineinteractive）、在线双转换式（Doubleconversion）。
后备式UPS是指在市电正常情况下，市电（经过简单滤波、稳压）通过UPS直接供给负载。
当市电故障时，才由逆变器（电池组提供能源）向负载供电，因此UPS由市电转为逆变器供电时，会有一个大约几毫秒的中断时间：
在线双转换式UPS，也称纯在线式UPS。
是指在市电正常时，市电的交流电100%经整流器转换为直流电，这个直流经过逆变器变成交流后提供给负载。
因为能量经过交-直-交两次转换，故称为双转换。
当市电发生故障时，UPS通过电池组向逆变器提供能量，保持负载供电的连续性。
因而，无论市电情况如何，负载始终由逆变器供电。
从而可以充分保证UPS对负载高稳定、高质量、无中断的供电。
UPS输出的交流电，与输入的市电的电压没有关系，电压、频率都是完全隔离的。
互动式（Lineinteractive）UPS是介于后备式和在线双转换式UPS之间的一种产品，也称为三端口式UPS，他的基本结构和后备式UPS相似，但具有比后备式UPS更短的切换时间。
另外，APCSilcon系列UPS，是互动式UPS的变形，是采用Delta技术的补偿式UPS。
二、UPS基本结构和功能
在线式UPS，输入的是普通市电，输出的是高质量（稳定、无干扰）的交流电。
能量在从输入—输出的过程中，经过两次完全的转换。
第一次转换为交流直流，是在整流器（AC/DC）中完成的，整流器输入的是交流市电，输出的是直流电。
能量的第二次转换是直流—交流，是由逆变器（DC/AC）来完成的。
由IGBT（绝缘栅双极晶体管）组成的逆变桥电路，通过SPWM（正弦波脉宽调制）技术，将直流电转换成50HZ标准正弦波的交流电。
逆变器的交流输出，使用户得到一个充分保证的、稳定、无干扰的纯正弦波交流电源。
在能量的双转接过程中，市电供电中的所有干扰全部被消除。
输出的交流电与输入的市电之间，除了能量之间的传递外，在频率、电压等参数上，输入与输出都是没有任何关系。
2.1整流器
整流器的作用是把交流市电转换为UPS内部直流，此直流除了要满足逆变器工作的需要外，在大功率UPS工作中，还担负着向电池组充电的任务。
UPS整流器可分为两类：
工频整流器（可控或不可控），高频整流器。
工频整流器的建立在普通整流二极管或可控硅的基础上，一般为桥式整流。
特点：
容量大，可靠行性高，工频（50Hz）工作，工作效率低，输入功率因数低，谐波电流大。
高频整流器是建立在BOOST（升压）电路基础上，工作频率高。
具有工作效率高，输入功率因数高，输入谐波电流小，体积小的优点，技术指标上具有明显的优势，高频整流器可以把输入功率因数从工频整流器的0.85左右提到0.95以上，输入电流波动从30％左右提到5％以下。
另一方面，BOOST电路本身是硬开关电路，在开关管开通瞬间，直流正负之间几乎是短路状态（电感量很小），在开关管关断的瞬间，又会遭遇电感储能电流的冲击。
因此，这个电路的可靠性较工频整流器要差。
可靠性较工频整流器低，目前超大容量不可作到。
2.2逆变器：
逆变器是UPS中一个非常重要的部分。
逆变器的功能是把UPS内部直流或者后备电池转换成稳定的交流（正弦波）输送给负载。
逆变器的性能和可靠性在很大程度上直接影响UPS。
目前在线式UPS逆变器主要分为两类：
2.2.1工频机的全桥逆变器
2.2.2高频机的半桥串联开关逆变器
2.3电池组
在整流器（AC/DC）和逆变器（DC/AC）中间联有蓄电池组。
蓄电池组是UPS中能量储备的重要环节。
没有蓄电池组的UPS，无法解决断电，交流输入过低等问题，只能起到稳压器的作用。
当输入市电正常时，蓄电池处于充电状态。
当输入市电断电或输入过低时，整流器输出直流将会消失或过低。
这时，蓄电池组立即输出直流，使逆变器的工作不受影响。
在这个过程中，逆变器的输出既不会有任何中断，也不会受到影响。
事物都是一分为二的，蓄电池组的重要性也正是体现在这里。
蓄电池在这个过程中，必须立即供出充足的能量，如果在此时，蓄电池不能立即供出充足的能量，逆变器势必出现中断或输出波型变形，造成严重后果。
所以，蓄电池组在UPS中是一个不容忽视的重要环节。
2.4静态旁路开关
UPS的交流输入和输出之间，装有一个双向可控硅器件构成的静态旁路开关，此开关是UPS的重要组成部分，因为它将UPS的平均无故障时间提高了近（5～7）倍。
下面详细介绍它的工作原理及过程。
2.4.1旁路开关是UPS系统正常供电的最后防线
当UPS逆变器出现故障时；当市电停电、电池能量被耗尽时；当UPS严重过载时……，这些时候，静态旁路开关就是UPS正常供电的最后一道防线。
静态旁路开关在过载150%时，可以连续工作，一般单次半周波浪涌可达数KA，这是对负载连续供电的最后支撑。
因而，保证逆变器-旁路之间顺畅转换，是UPS安全供电的重要环节。
2.4.2UPS逆变器旁路转换过程
UPS逆变器正常工作时，它跟踪旁路市电和旁路保持相位和频率一致，这时，旁路静态开关是关闭的，逆变器静态开关是开通的，负载由逆变器供电。
当UPS出现需要向静态旁路转换的情况时，静态旁路开关立即打开，此时静态旁路开关和逆变器静态旁路开关出现共同导通过程。
由于逆变器输出与旁路市电同
相位，同频率，静态开关的元器件可控硅本身具有单向导通特性，电流不可能发生倒流，因而两路供电不会出现短路现象。
此时，逆变器PWM波开始关断，逆变器供出的电压幅度迅速降低，逆变器的静态开关形成自然关断。
可以看出，在这个过程中UPS负载的供电不会有任何中断。
反过来，由静态旁路恢复至逆变器的供电也是同样的一个过程。
从上述过程中可以看到，双静态开关在转换过程中起到至关重要的作用，尤其是逆变器静态开关，它把逆变器包括变压器的变化封闭在UPS内部，使负载不受任何不必要的干扰。
三、在线式UPS基本工作方式
在线式（双转换）UPS基本工作方式主要有：
单机工作方式、多机工作方式。
多机工作方式有：
串联备份、并联工作方式。
多机并联工作方式又分为：
并联冗余、并联增容以及并联热备份工作方式。
在并联工作方式基础上近年又结合STS技术发展了双总线工作方式。
下面对以上各种工作方式做一简要介绍。
3.1单机工作
这是UPS的基本工作方式，也是多机工作方式的基础。
目前单机工作方式可以达到的水平是：
平均无故障时间为：
15～40万小时，可用性为99.999%～99.9999%。
3.1.1单机组成
输入市电正常时,市电经过整流器将交流电转换为内部直流。
内部直流除了对电池组进行充电，同时为逆变器供电。
逆变器将直流电转换为高质量的交流电。
逆变器输出的交流电通过逆变器静态开关送到负载。
当整流器的输入市电发生故障时，整流器将没有直流输出。
这时电池组将为逆变器提供直流，使逆变器能持续向负载提供优质交流电流。
当逆变器出现故障或整流器的输入市电故障而电池组能量即将耗尽时，静态旁路开关开启，同时逆变器的静态开关关闭。
此时，由静态旁路输入市电不间断的向负载供电，这个转换过程是没有中断时间的，原因是逆变器输出的交流经过内部控制始终和静态旁路开关输入电源保持完全同步，逆变器静态开关和旁路静态开关又采取先开（开通旁路静态开关）后关（后关闭逆变器的静态开关）的操作过程，因而这个开关转换过程是没有中断的。
3.1.2单机工作方式的两种工作方案
单机工作方式可分为：
单输入电源和双输入电源两种方案。
3.1.2.1单输入电源
3.1.2.2双输入电源
3.1.2.3单输入电源和双输入电源两种方案比较
双输入电源方案:
由于静态旁路和整流器输入交流电源是由两路不同来源的市电供给，因而当输入市电Ⅰ发生故障时，如果此时电池组能量耗尽，UPS仍可由静态旁路将输入市电Ⅱ送到负载上，使负载不致停电。
而单电源输入方案，由于静态旁路和整流器输入是同一路市电电源，当市电电源故障时，整流器和旁路就同时失去了输入电源。
这时，一旦电池能量耗尽，UPS就只能停电。
但是，单电源供电方案，施工简单，在无法提供第二路可靠市电电源的情况下，也是一种选择。
3.2串联备份
在单机工作方式的介绍中，可以看到当UPS转到由静态旁路供电时，是由市电直接供电的。
这对于某些对供电质量要求极高的负载来说，是不能接受的，因而可以采用串联备份工作方式。
串联备份方式将UPSII输出接在UPSI的静态旁路输入上。
这样，UPSI的逆变器输出就会与UPSII的输出保持同步。
当UPSI的逆变器因各种条件停止工作时，UPSI的静态旁路将打开，由UPSII直接向负载供电。
这样，负载始终由UPS逆变器的优质电源供电。
3.2.1优点
a负载供电质量得到相当大的保证
b两个UPS市电输入可以由两路不同电源供电。
在供电不稳定的情况下，
因市电波动引起UPS故障的概率比单电源供电小得多
3.2.2缺点
A．UPS利用率低。
虽然配置了两台UPS但只能有一台UPS为负载供电。
两台UPS中，经常工作的是UPSI，UPSII处于空载备用状态。
B.UPS利用率较低.
3.3并联热备份
上面介绍的串联备份工作方式，它在市电正常状态下总是由UPSI优先供电的，相当于UPSI为主机，UPSII为备机；只有主机（UPSI）逆变器停止工作，备机（UPSII）才会承担向负载供电的任务，所以这种方式主机、备机的转换是不方便的。
下面介绍一种主机、备机可以灵活转换的并联热备份工作方式
两台（或多台）UPS输出并联在一起，所有UPS通过内部通讯系统使输出处于同步状态。
但每台UPS的输出静态开关的状态是不同的。
通过设置，我们可以设定一台（或多台）UPS处于工作状态（主用），其它UPS处于备用状态。
当主用UPS出现故障时，备用UPS立即开通，使负载供电不中断。
在这种热备份工作状态中，主用UPS和备用UPS可随时通过命令进行转换。
这种工作方式便于对UPS设备进行维护和保养。
3.4并联冗余工作方式
UPS并联工作方式，基本的构成是：
两台（或以上）UPS输出并联在一起，各UPS之间通过一定的通讯和调控技术，使各台UPS的输出相位一致。
通过均流技术，使每台UPS承担的负载电流也保持一致。
四、电力UPS电源
4.1定义：
电力UPS电源是专为发电厂、变电站等电力行业设计，将变电站自备直流屏的220V、110V直流电逆变成AC220V/380V50Hz纯正弦波输出，供DCS、监控系统、自动化仪表，调度通信系统、微机系统等需要交流电的核心设备使用的UPS电源。
4.2作用
在电力系统中，DCS（分布式控制系统），监控系统、自动化仪表，调度通信系统、微机系统等核心设备对供电质量及可靠性要求非常高，需要专用UPS供电，这些负载绝大多数为单相负载。
4.3组成
电力UPS系统一般由电力UPS主机、旁路稳压柜、输出馈线柜等三部分组成（小功率时也可三合一）。
1、电力UPS主机柜：
输入输出隔离变压器、整流器、逆变器、静态旁路开关、旁路开关、逆止二极管；
2、旁路隔离稳压柜：
旁路隔离变压器、旁路稳压器、手动/旁路维修开关；
3、馈线柜：
回路分配单元、监测仪表、控制开关及信号指示等；
4.4电力UPS工作原理图
市电正常时，交流电经过隔离、整流滤波后通过逆变器提供稳定的交流电源给负载供电；若交流电输入异常或断电时，则由直流屏经逆止二极管供出直流电，逆变后输出给负载使用。
当直流屏欠压或断电时，静态开并切换到交流旁路供电。
4.5电力UPS分类
按照电力UPS电源容量分：
35KV站：
3-5KVA,单机工作，室外站如果没有直流系统或者站内直流容量较小，UPS自带后备蓄电池；
110KV站：
5KVA，单机工作
220KV站：
10KVA，双机分裂运行，有联络开关
五、维护
UPS内部的元器件除了冷却风扇在转动，其他都是静止的。
日常维护内容非常少，由于UPS的正常运行受环境影响较大，因此在日常维护中需注意保证满足UPS运行的环境要求。
5.1环境检查
1）环境清洁及装有空调；
2）有足够维修空间
3）室内温度22℃为宜，空调机的温度设定值，夏天可以设为24℃，冬天可以设定为20℃。
相对湿度控制在40%--65%较为合适，空调机的相对湿度设定为55%，让充电机/电池一年四季都处在恒温恒湿环境中运行。
4）严禁出现凝露现象。
5）检查充电机周围的散热空间，其距离后墙为600mm，顶部距上端为1000mm,左侧距墙为500mm。
除了保证变电站UPS基本运行环境，建议用户对以下检查内容进行记录，可使机器保持最佳的性能并预防将小问题转变成大故障。
5.2日常检查
1）检查控制面板：
确认所有LED指示正常，液晶屏显示的所有参数正常，面板上没有报警；
2）检查机柜内各风扇输出处无明显的高温；
3）有无异常噪声；
4）确认通风栅格无阻塞；
5）检查所有风机是否运行正常，确认有风从机内吹出。
注：
风扇在连续运转下的预期工作时间一般为20000—40000小时，在高温环境下使用风扇寿命会缩短。
5.3季度检查
1）测量并记录电池充电电压（如果有）；
2）测量并记录电池充电电流（如果有）；
3）测量并记录UPS三相输出电压；
4）测量并记录UPS输出各相电流，如果测量值与以前明显不同，记录下新增负载的大小、种类和位置，这有利于帮助分析是否会产生故障。
5）传动试验，保障UPS电源功能正常，每年至少应该传动两次。
3．年度检查
每年都应对机器进行彻底清洁并作以下检查：
1）首先按季度检查要求的内容进行检查；
2）关断UPS，将负载转到维修旁路供电；
3）断开UPS的市电输入开关和电池开关；
4）确信UPS整流器输入端（R1、S1和T1）、电池连接端、输出端（U4、V4、W4）
和旁路输入端（R4、S4和T4）没有电压；
5）打开ＵＰＳ门板和内部的保护盖板；
6）检查ＵＰＳ功率器件和辅助器件，特别注意以下几部分：
电容----检查漏液、变形等
磁性元件----检查过温痕迹、紧固程度及有无裂痕
电缆和连接端----检查电缆老化、磨损和过温痕迹，检查印刷电路板接头须牢固
印刷电路板----检查清洁度和完整性
7）用吸尘器吸去表面杂质，用低压空气吹去外部碎屑；
8）重新合上UPS的市电输入，按照UPS启动步骤启动UPS，将负载转到由逆变器供
电。
4．其他检查
1）输入/输出电缆绝缘外套和连接端检查：
建议作定期检查，这时需要将UPS完全断
电，检查周期最好不超过2年；
2）防雷检查：
防雷指示灯需要开启前门才能观察，因此建议按照周检方式进行。
但
是在多雷和潮湿季节需要按日检进行，特别是在设备附近发生雷击后都要观察，以便实时发现问题和及时维护。
七、故障诊断及处理
7.1UPS系统故障诊断
由于UPS的控制电路很复杂，因此要求维修人员对机器非常熟悉，维修时，以下内容仅适用于经过培训的工程师在处理报警时使用。
7.1.1故障诊断基础
一般来讲，UPS的故障大多数是突然发生的，这时UPS会突然关断或将负载转到旁路。
维护时作定期的记录十分重要，这样可以方便地看到UPS系统和负载特性的关系。
请注意记住以下条件：
UPS输出电压一般偏差不大于2%；
如果10小时内电池未放过电，电池充电电流不大于6A；
如果UPS显示值与计算值相差较大，应该检查一下原因，在诊断故障时往往需要知道主要负载的工作状况。
例如，发生故障时负载是否大于负载开关容量。
7.1.2故障诊断步骤
【状态记录】UPS出现故障后，在操作任何开关以前，应立即记录下液晶显示器指示，
蜂鸣器鸣叫声音，指示灯状态和UPS各个开关的位置。
【故障类型识别】记录完所有指示以后，参看故障信息说明表，查看不正常的指示灯，
如果不能确定故障的类型，请与供应商或技术支持工程师联系。
【错误记录】故障类型识别后，将结果送给供应商或技术支持工程师，用户反馈的信息对维修工作极其重要。
7.2故障信息的LED指示
7.2.1LED显示区
UPS的显示屏上的LED显示区的基本都有6个LED灯作为运行状态和故障的指示灯，红色亮表示故障。
●旁路灯：
红色亮表示旁路输入超出保护范围，黄色表示在工作，一般警告；
●整流灯：
红色亮表示整流器故障
●电池灯：
红色亮表示电池异常（如果有）
●逆变灯：
红色亮表示逆变器故障
●负载灯：
红灯亮表示本机过载
●告警灯：
红色亮表示UPS本身故障，橙色亮表示UPS外围条件异常
7.3故障信息的蜂鸣器指示
蜂鸣器的报警声为“隔2秒鸣叫1秒”时，系统有一般的告警或异常。
蜂鸣器的报警声为“长鸣声”时，系统有严重的告警。
7.4故障信息的液晶显示屏指示
UPS电源的大屏幕液晶显示屏可以故障信息，用户在使用过程中应当依据此表说明的产生原因，进行故障判断和定位，及时将故障情况记录，基本的报警信息不外乎
六、外置维修旁路使用
在检修或维修时，为维持对负载的不间断供电，站内电源屏上基本都设计了外置维修旁路，以供维修或者是更换UPS时对负载设备不间断的供电。
在检修过程中，如果需要不间断的改为外置维修旁路供电，严格按照按以下顺序关闭UPS。
UPS电源停机操作步骤如下：
1．按面板上的“逆变停机”按钮，关闭逆变器，系统转静态旁路供电；
2．依次断开只为UPS本身供电的交流输入开关，断开电池柜内的电池开关或者所内直流开关；
3．合上屏内的外置维修旁路开关；
4．然后依次断开旁路输入开关及UPS输出开关。
七、应用实例仅以厦门Protek电力UPS为例，说明如下：
7.1外型结构与功能说明:
7.1.1前面板指示灯符号说明
1.输入指示灯
:
市电供电输入指示。
2.旁路指示灯
:
市电供电输出指示。
3.输出指示灯
:
逆变器供电输出指示。
4.电池能量指示灯
:
此灯亮起表示电池能量即将耗尽。
5.负载过载指示灯
:
表示用户用电量超过UPS额定容量显示。
6.故障指示灯
:
UPS故障指示。
7.LCD液晶显示器:
显示数字信号，如电压、频率、功率、UPS状况等等。
（1）ACBAT
（2）.INPUTVOLTAGE（5）.OUTPUTFREQUENCY
（3）.OUTPUTVOLTAGE（6）.BATTERYVOLTAGE
（4）.INPUTFREQUENCY（7）.OUTPUTPOWER
8.LCD显示画面切换键。
9.UPS开关机循环按键：
按下开关机循环按键后，UPS逆变器开始激活，约20秒后转换成UPS逆变器供电输出，UPS由内部供电装置提供纯净的交流输出电源。
再按一下开关机循环按键后，可将UPS逆变器关机，改由市电旁路供电。
此键主要作为UPS日常开关机使用。
7.1.2外观说明：
图二：
5K/VA主机正面外观图
10.散热排风孔：
本排风孔与本机其它小长椭圆形通风孔，皆需保持通风流畅。
11.风扇抽风孔：
UPS散热风扇。
12.DB-9通讯接口插座：
UPS与计算机通讯的标准接口。
5KVA主机背面外观图
13.断路器：
控制市电与电池输入开关。
14.UPS输入输出配电端子台：
UPS输入输出电源接线端子、接地端子及电池输入输出接线端子。
15.干接点接线端子：
提供干接点信号输出。
7.2操作程序:
7.2.1.开机前准备工作：
为使UPS能正常无误运转，开机前请确认下列事项：
1.确认后板上电源开关置于OFF处，前面板开关机循环按键置于OFF处。
2.对安装地点，（如图四~十）所示再确认一次。
3.用手摇动输入电源线，看看是否有松动情形，如有则再锁紧。
4.负载不接。
5.用电表检查输入电压是否合乎UPS所需。
7.2.2.第一次开机操作程序：
在确认上列事项无误后，请依下列方法开机（请参考图一）：
1.请先将后板上电源开关『无熔丝断路器（NFB）』往上扳为ON。
前面板输入指示灯与旁路指示灯同时亮起，如下图。
2.将前面板开关机循环按键开关，按下，如下图。
前面板输入指示灯与旁路指示灯持续明亮，LCD显示市电正常，电池正常，由市电经旁路供电输出。
3.经过20秒后前面板输入指示灯明亮，旁路指示灯熄灭，输出指示灯明亮，LCD显示市电（AC）正常（OK），电池（BAT）正常（OK），由UPS逆变器（INVERTER）供电输出（OUTPUT），如下图。
4.切断UPS市电输入电源，市电指示灯熄灭，LCD显示市电（AC）断电（LOSS），电池（BAT）正常（OK），由UPS逆变器（INVERTER）供电输出（OUTPUT），如下图。
UPS每隔1秒发出鸣叫声，表示UPS目前是使用电池组供电运转。
5.恢复UPS市电输入电源，市电指示灯亮起，按下LCD显示循环切换按钮切换显示项目，检查显示值是否正常，即完成第一次开机程序，请测量输出电压是否为你所需后，可把负载接至UPS输出端，正式启用由UPS提供的纯净电源。
6.接上负载，按下LCD显示循环切换按钮切换显示项目至输出功率显示百分比%，如果显示值>100%，请去除不重要的负载，使显示值<100%。
B.日常开关机操作程序：
日常使用中如欲开机或关机，请依下列方法操作：
1.UPS日常关机时，按下位于前面板UPS开关机循环按键即可关机。
此时UPS处于旁路状态，输出由市电供电且电池处于充电状态。
2.UPS日常开机时，按下UPS开关机循环按键即可激活。
C.长时间不用开关机操作程序：
1.如超过10天不使用UPS时，请先按下位于前面板UPS开关机循环按键关机后，再将位于后板的所有电源开关，往下扳为OFF。
7.3.状况处理:
（一）符号代表意义如下：
点亮熄灭闪烁蜂鸣器蜂鸣器蜂鸣器蜂鸣器
连续鸣叫每隔4秒每隔1秒不鸣叫
[注]:
指示灯若闪烁，闪烁的周期与蜂鸣器鸣叫声同步。
（二）.UPS运转状况显示及不正常时之处理方式:
请对照UPS面板
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