电力电子装置(UPS)

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UPS的组成和设计
• 蓄电池组 • 整流器和PFC电路 • 逆变器 • 逆变、市电的切换电路 • 滤波电路 • 旁路控制电源和系统辅助电源 • 接地装置、保护和报警系统(自学)
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知识点3- UPS的组成 和设计
图4.8 不间断电源装置组成框图 15
蓄电池组
1、基本功能:UPS的蓄电池必须具有在短时间内输出大电流的特性,供电时间 能维持10分钟左右。 类型:HS型(经济型);AHH型(适合于低温工作);CS型(适用 于长时 间放电要求);M型(小型密封式)
双变换在线式UPS特点:
➢市电—电池转换时,可实现零切换时间; ➢供电品质高; ➢AC/DC变换器一般都带有功率因数校正功能,输入侧功率因数高; ➢带隔离变压器的称为工频机,不带隔离变压器的称为高频机; ➢结构复杂、成本高、效率低; 在线互动式UPS特点: ➢市电—电池转换时,输出电压有转换时间; ➢供电品质较低; ➢结构简单、成本低、效率高; Delta变换式UPS特点: 1、市电—电池转换时,可实现零切换时间; 2、供电品质高; 3、前端变换器功率等级较低; 4、结构较复杂、成本较高(低于双变换在线式UPS)、效率高; 12
一般电网供电时常见问题
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知识点1 UPS的功能
典型UPS结构图
市电正常时,UPS整流逆变给负载或者直接稳压后提供给负载, 同时向机内蓄电池充电;市电中断时,蓄电池逆变给负载供电。
不断电 高品质供电
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知识点2- UPS的类型 及工作原理
UPS一般分为以下四种类型
在线双变换式 (double conversion on line) 后备式 (passive standby) 在线互动式 (line-interactive) Delta变换式
以逆变器供电为主
2、双变换在线式UPS
3A3 UPS(15~120kVA)
容量 输入
输出
接线 电压 频率 功率因数 旁路电压范围 接线 电压 功率因数
15~120KVA
3Φ4W + G(三相四线 + 接地)
(204~520)VAC (三相/线电压) 40~70Hz ≥0.99
380×(1±15%)VAC
输入
电压
频率
输出 电池
电压
频率
电压/容量× 数量
备用时间
K 500系列
K 500 500VA/300W 162~268VAC (45~55)Hz ±1Hz
220(1±10%)VAC(电池模式下) 50Hz ± 1Hz
12V/7.2AH×1 >15分钟(1台PC+1台15英寸显示器)
充电时间 转换时间 操作环境
UPS中逆变器主电路实例
图4.10 有源功率因数校正及半桥逆变结构 4种工作状态: (1)上下管一起开通,电池电压经T4和T5为电感L1,L2储能; (2)上管通,下管断,电池电压经L1,T4,C4形成闭合回路,-BUS电容C4充电; (3)上管断,下管通,电池电压经L2,T5,C3形成闭合回路,+BUS电容C3充电; (4)上下管一起关断,BUS电容为负载放电。 29
充电操作时,要求蓄电池的充电电流不能过大,这就要求充电 器具有稳流和限流功能。其充电电流大小必须严格遵循产品说明书。
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密封免维护铅酸蓄电池
恒流充电为了恢复电池的电压; 恒压充电为了恢复电池的储能; 浮充电为了抑制自放电和保持储能
图4.9 UPS蓄电池典型充电过程 19
蓄电池组
4、UPS蓄电池容量的选择
(1)计算蓄电池最大放电电流:
P为UPS电源标称输出功率; 是UPS电源输出功率因数;一般为0.8;
η为逆变器的效率,一般为0.88~0.94; 为蓄电池临界放电电压(一般12V临界放电电压为10V)
(2) 根据温度和蓄电池后备工作时间,查放电特性表, 找到电池组放电速率值; (3)蓄电池标称容量:
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接地装置、保护和报警
➢接地装置 ⚫功能:安全,抗干扰; ⚫本质:正常事故以及雷击情况下,利用大地作为接地电流 回路的一个元件,从而将设备接地处固定为所允许的接地电 位; ⚫要求:减小接电电阻,接地处人和设备安全,接地可靠。 ⚫三种装置:机壳接地;逻辑接地;防雷接地。
➢保护是为了保证设备安全运行而采取的一些必要措施。 过载保护、过电压保护、欠电压保护、短路保护、过热
电力电子装置及控制
不间断电源UPS
( Uninterruptible Power System)
第4章 不间断电源UPS
( Uninterruptible Power System)
知识点1 UPS的功能 知识点2 UPS的类型及工作原理 知识点3 UPS的组成和设计 知识点4 UPS同步锁相技术
150%<负载 0.5秒后跳旁路
± 240VDC(每组40颗 电池串联,中间引出一根中线)
15KVA
15KVA × 模块数

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3、在线互动式UPS
图4.5 在线互动式UPS原理图
市电正常时,UPS逆变器工作在整流状态,向电池充电,市电通过 智能调压直接向负载供电; 市电掉电后,逆变器转为逆变状态,电池通过逆变器向负载供电;
滤波电路
主要滤波电路类型: 1、交流输入滤波(整流器输入端)--滤谐波电流 2、直流电压滤波(整流器输出端)--滤交流分量 3、交流输出滤波(逆变器输出端)--滤谐波电压
n =
1 LC
0.1 2f s
= Lf =(0.5~0.8) RL
Cf
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旁路控制电源和系统辅助电源
旁路控制电源(市电)主要给静态开关的驱动装置供电。 系统辅助电源(开关电源)主要给控制检测电路、显示 部分等提供低压多路直流电源。
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逆变器:稳压稳频交流电源
1)、UPS对逆变器要求: • 输出电压稳定,稳压精度<+-2%; • 稳频精度达到+-0.5%; • 电压频率要在一定范围可调节; • 具有一定的过载能力,150%-30s,125%-1min; • 输出波形THD<5%; • 保护功能; • 启动平稳,运行可靠; • 快速暂态响应能力。
UPS的发展趋势
监控PC机
⚫ 数字化 ⚫ 绿色化 ⚫ 智能化 ⚫ 高频化 ⚫ 模块化
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UPS1
UPS2
A
B
C
D
E
F
G
H
SELECTED
ON -LI NE
集线器
UPS3
UPS4
多根并联母线
...
...
UPSn
网络监控
UPS1
UPS2
UPS3
UPS4
CAN总线网络
...
...
UPSn
知识点3- UPS的组成 和设计
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知识点1 UPS的功能
⚫定义:UPS (Uninterruptible Power Supply)是 指当交流输入电源(习惯称为市电)发生异常或断电 时,还能继续向负载供电,并能保证供电质量,使负 载供电不受影响的装置。
⚫ UPS广泛应用于各种对交流供电可靠性和供电质量 要求高的场合。
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知识点1 UPS的功能
3Φ4W + G
380×(1±2%)VAC 0.8
频率
过载容量 外接电池标称电压
模块功率/块 输出功率
可否接发电机
与输入同步(市电模式),当市电频率超出±8%时,输出频率50×(1±0.5%)Hz
50(1±0.5%)Hz(电池模式 )
110%<负载≤130% 10分钟后跳旁路; 130%<负载≤150% 1分钟后跳旁路;
保护、输入缺相或相序错误的保护、通讯异常保护 。
➢报警是给用户提供设备故障的示警信号。
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知识点4 UPS同步锁相技术
➢外同步:存在市电,且市电频率在限定范围内。 UPS逆变器频率与市电频率同步。
➢ 内同步:市电频率不在范围内或者掉电。 UPS逆变器频率与UPS内部的频率基准同步。
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UPS中逆变器主电路实例
图4.10 有源功率因数校正及半桥逆变结构 ➢正半周L1,T4,C3组成升压型功率因数校正电路。检测输入电压电流和+BUS 电压反馈来控制T4的开通关断实现功率因数校正; ➢负半周L2,T5,C4组成升压型功率因数校正电路。检测输入电压电流和-BUS 电压反馈来控制T5的开通关断实现功率因数校正。 28
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蓄电池组
2、基本性能指标 : • 容量 ---放电电流与放电时间的乘积来表示,单位为安时 (A·h)。 • 放电率---表示放电至终止电压的电流大小或时间快慢 • 放电电流---就是电池的输出电流,它除了用安培来表示外, 通常也用电池的容量乘以某个系数来表示。如对于6.5A·h的 电池,0.1C的放电电流的实际值为0.1×6.5=0.65A。 • 放电终止电压---表示电池不允许再放出电能时的电压,通常 为1.75V/单格。 • 自放电率---电池在不用时其内部放电电流
<10小时 ≤10ms 温度0℃~40℃,温度过20%~90%
外观尺寸(W×D×H) (mm×mm×mm)
重量(净重)Kg
330×100×140 6.1
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2、双变换在线式UPS
图4.3双变换在线式UPS系统框图
市电正常时。。。 市电异常时。。。 旁路。。。 供电质量好、零切换时间;效率低,成本高
8
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蓄电池组
3、蓄电池的充电
➢初充电:新的蓄电池在安装完毕后,一般要进行一次较长时间的充 电,称为初充电。蓄电池的初充电电流大小应按说明书规定值,或 按额定容量的1/10取值。 ➢正常充电:蓄电池在放电终了后可进行再充电,称为正常充电;正 常充电时,一般采用分级定流充电方式。即在充电初期用较大电流、 充电一定时间后,改用较小电流,至充电后期改用更小电流。 ➢连续浮充制是指充电用的整流器和蓄电池以并联供电的工作方式运 行,相当于大电容。 ➢均衡充电是指在一定时间内应分别对电池组中的每个单元进行均衡 充电。
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蓄电池组
P107 例:
一台120kVA的UPS,后备工作时间为30min,临界放电电压为320V, 求所需电池组的标称容量
查放电特性曲线,此时需要电池组提供的放电速率为0.92C
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密封铅酸蓄电池的充放电特性
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典型蓄电池充电电路
ui
充电电压
充电电流
恒流
恒压
充电时间
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整流器和PFC电路
逆变、市电的切换电路
图4.11 UPS中常用的转换开关 30
逆变、市电的切换电路
图4.12 采用各种开关作为转换元件的UPS转换
(a)小容量在线式UPS切换 :供电中断,电弧产生; (b)具有互锁特性的双接触器UPS切换:互锁无弧,但是供电中断; (d)静态开关UPS切换:快,存在管压降;封锁一个,检测电流低于维持电流再打 开另一个脉冲; (c)采用混合式开关的UPS切换 :旁路向逆变转换时,继电器吸和时间比释放时间 长,避免断电,同时控制静态开关,不间断供电,要求并联的两个电压同频同相 31 位同幅度,避免环流。
⚫小容量UPS中两者分开(两套主电路:不控整流,充电器为开 关电源,多为恒压限流充电); ⚫大容量UPS中两者合二为一(控制电路复杂,一般采用三相全 控整流,恒流转恒压控制)。 3. PFC-改善电源输入功率因数(该技术2.4已讲)
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逆变器
1、逆变器在UPS中作用:负责将整流器输出的直流电压 或蓄电池存储的直流电转化为用户所需要的稳频稳压的交 流电源。(要求如下页) 2、逆变器输出电压类型:对小容量UPS而言,逆变器输 出多为方波或梯形波;对大容量UPS而言,逆变器输出多 为正弦波。 3、逆变器主电路结构:有推挽型、半桥型、全桥型等。
1、整流器在UPS中的应用:
整流成直流滤波后提供给逆变器;给蓄电池提供充电电压, 可起到充电器作用 要求:
➢输出电压可调节,以满足浮充和均充的作用; ➢稳压精度达到1%; ➢具有一定的过载能力; ➢输出纹波小于额定1%; ➢具有保护功能; ➢启动平稳,运行稳定可靠。
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整流器和PFC电路
2. 充电器和整流器: ⚫ 整流器为AC/DC装置,一般采用二极管全控或者晶闸管相控整 流 ⚫ 充电器为蓄电池充电装置
简单,成本低,可靠性高,效率可达到98%,热备份;输出质量差 10
4、Delta变换式UPS
图4.6 Delta变换UPS原理图
市电正常时,deltaU抵消谐波电压和补偿基波电压。 效率高,谐波低,但是复杂。
11Βιβλιοθήκη Baidu
典型UPS性能对比
后备式UPS特点: ➢市电—电池转换时,输出电压有转换时间(4-10ms); ➢供电品质不高; ➢结构简单、成本低、效率高;
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1、后备式UPS
图4.2 后备式UPS系统结构图
市电正常时,UPS逆变器不工作,充电器向电池充电,市电通过稳压向负
载供电,逆变器空载运行;
市电异常(含掉电)时,充电器停止工作,逆变器启动,电池通过逆变器
向负载供电;
市电—电池转换时,输出电压有转换时间
以市电供电为主
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1、后备式UPS
型号
额定容量
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