-
不间断电源系统
UPS
(Uninterruptable Power Supply)
一．
定义：
UPS
系统是连接在输入电源和负载之间，为重要负载提供不受
电网干扰、稳压、稳频的电力供
应的电源设备，在市电掉电后，
UPS
可继续给负载提供一段时间的供电，为通信、能源、化工、医疗
< br>等重要负载提供足够的后备时间。
二．
应用范围：
UPS
< br>系统适用于不间断用电场合，主要作为各种计算机机房的不间断电源系统，广泛应用于金
< br>融证券、邮电通信、政府机关、能源化工、交通运输等各行各业。
三．系统组成：
UPS
系统主要包括由整流模块
(REC)
和逆变模块
(INV)
组成的
AC-DC-AC
变换主回路、
由两组反
向并联的可控硅组成的旁路静态开关、维修旁路空开
Q3BP
、输出隔离变压器和静态开关、蓄电池组
以及输入
/
输出空开
Q1/Q5
等，如图
1
所示。
Q3BP
旁路输入
Q1
主路输入
Q2
静态开关
TR2
~
-
REC
-
KM
~
INV
Q5
UPS
输出
静态开关
蓄电池
图
1
UPS
原理框图
UPS
系统基本工作方式是主路交流
电源从空气断路器
Q1
输入，经过整流模块将交流电源变成
直流电源，完成
AC/DC
变换，一方面给
并接在直流母线上的蓄电池组进行浮充充电，另一方面向逆
变模块提供可靠的输入直流电
。逆变器进行
DC/AC
变换，将整流模块和蓄电池提供的直流
电源变换
成交流电源，经过隔离变压器输出。
UPS
系统应用实时处理和全数字控制技术，从主回路静态开关输
出稳定、
洁净、
不间断的交流电源。
输入电源也可以从
包含有静态开关的旁路回路向负载供电。
另外，
在要求负载电源
不停电而对
UPS
内部进行维修时，可使用维修旁路开关
Q3BP
。
四．工作原理
UL33
系列
UPS
单机系统主电路如图
2
所示。
TR1
AC2
Q1
A1
B1
C1
< br>FU1
KM1
L1
FU2
FU3
KA1
R
es
1
R
es2
Q2
A2
B1
C1
N2
< br>KM2
BP
BN
D
C1
D
C2
D
C3
Q3
BP
FU4
U
V
W
N
Q5
FU5
FU6
AC4
AC3
TR2
DZN
6
+
+
+
图
2
三进
三出
UPS
单机主电路原理图
主路输入电源从空气断路器
Q1
输入，通过熔
断器保护系统，经自耦变压器降压，通过输入电感
进入高频六管整流单元，高频整流
/
充电器将三相交流电变换为稳定的直流电源，同时实现功率因素<
/p>
校正；该部分电路采用分步式多重软启动功率回路和
DSP
实时处理的全数字控制技术，提高了系统
的抗冲击能力和直流母线电压
的稳定性，可减小蓄电池充电纹波，延长蓄电池的寿命。
蓄电
池通过接触器接入，
只有在直流母线电压达到一定阀值时接触器才能将蓄电池组与直流母
线
并联接通，蓄电池通过直流滤波电路向逆变器提供直流电源。
逆变器采用
DSP
实时处理的全数字矢
量控制技术，通过
SVPWM
调制六只
IGBT
功率开关器件，
把直流母线电源变换成三相交流。输出
经过△
/Z
0
变压器、静态开关、快速
熔断器、空气断路器等功
能单元，实现负载端与输入侧的隔离。
旁路输入电源从空气断路器
Q2
输入，
通过旁路静态开关的控制后输出。
双
DSP
和单片
MCU
组成全数字控制系
统，
为本机强大的功能提供了可靠保证。
通过控制旁路静
态开关和逆变器输出静态开关的通断状态可实现多种工作模式的切换，先进的电池管理可延长电
池寿
命，多种通信接口和管理软件为管理个性化提供了可能。
UPS
并机系统采用全数字、分散式在线并联。各台
UPS
由并机板引入并机逻辑信号和环流检测
信号
，可实现最多
8
台同型号
UPS
的直接并联。
UL33
系列
< br>UPS
电源能够实现
N+X
冗余
并联、扩容
并联及串联热备份等多种工作方式。在线并机方式不需增加任何辅助设备，<
/p>
可缩短停电时间甚至无需
断电，从而提高系统可靠性。
五．结构布局
如图<
/p>
3
和图
4
所示，
UPS
系统主要由
< br>整流模块
、
逆变模块
、
辅助电源
、
输入输出配电
、
监控系
统
、
并机控制、防雷和
EMI
系统
、
风扇制冷系统
、
输入输出隔离滤波
系统等组成。
1
：风扇
2
：整流模块
3
：两块辅助电源板
ULW2L61M5
4
：交流接触器
5
：电池输入接线端子
6
：手动维修空气断路器
Q3BP
7
：逆变模块
8
：配电板
ULK2L61R1
9
：
D
级防雷器
SPD12Z
10
：
输出空气断路器
Q5
11
：主路输入空气断路器
Q1
12
：旁路电源输入空气断路器
Q2
13
：操作键盘板
ULW2L61K1
14
：液晶显示屏
15
：并机板
ULW2L61M3
16
：监控板
ULW2L61U2
17
：地脚螺钉四个
图
3
20k/30k UPS
元器件布局图
1
：风扇
2
：整流模块
4
：交流接触器
3
：
软启动继电器
5
：两块辅助电源板
ULW2L61M5
7
：
霍尔电流传感器
9
：手动维修空气断路器
Q3BP
11
：
旁路电源输入空气断路器
Q2
13
：
快速熔断器
15
：
EMI
板
ULW2L61M4
6
：
D
级防雷器
SPD12Z
8
：电池输入接线端子
10
：
主路输入空气断路器
Q1
12
：
逆变模块
14
：
并机板
ULW2L61M3
16
：
磁环
17
：
输出空气断路器
Q5
19
：液晶显示屏
21
：
蓄电
池
EMI
板
18
：
操作键盘板
ULW2L61K1
20
：
监控板
ULW2L61U2
22
：
熔断器
NT00
23
：地脚螺钉四个
图
4
40k/60kV
A
UPS
元器件布局图
七．基本功能
1
．工作模式
1
．
1
正常工作模式
在主路市电正常时，<
/p>
UPS
一方面通过整流器、逆变器给负载在线提供高品质交流电源
；另一
方面通过整流器为电池充电，将能量储存在电池中。原理框图见图
5
。
交流电故障后由发电机
供电且发电机容量足够大时，称为智能发电机工作模式。
Bypass
Mains
~
-
-
~
output
图
5
正常工作模式
1
．
2
电池工作模式
当主路市电异常时，系统自动无间断地切换到电池工作模式，由电池逆变出用户所需的三相四
线交流电源向负载供电。市电恢复后系统自动无间断地恢复到正常工作模式。原理框图见图
6
。
图
6
电池工作模式
Bypass
Mains
~
-
-
~
output
1.3
旁路工作模式
旁路工作方式有两种，
一种能自动恢复到正常工作模式；
另一种需人工干预才能回到正
常工作模
式。
在逆变器过载延时时间
到、
逆变器受大负载冲击等情况下，
系统自动无间断切换到静态
旁路电源向负
载供电。在
UPS
恢复正
常后，系统自动恢复正常供电方式。
当用户关机，或主路市电
异常且电池储能耗尽，或发生严重故障等情况下，逆变器关闭，系统会停留
在旁路工作模
式。此后若需恢复到正常工作模式，则需要用户重新开机。原理框图见图
7
。
Bypass
Mains
~
-
-
~
output
图
7
旁路工作模式
1
．
4
ECO
工作模式
如果负载对电源的质量要求不是很高
(
如用户设备允许断电
达
20ms)
，而对系统的效率要求较高
时，可通过设置让系统工作在“
ECO
工作方式”
。这种方式下，旁路电源正常时系统通过静态旁路给
负载供电，
主路通过整流器给电池充电；当旁路电源断电或超出允许范围时，
UPS<
/p>
会自动将负载切换
到由主路或电池逆变器供电
(
间断时间＜
15ms
＝。当旁路
电源恢复正常后（在允许范围内）
，系统会自
动地恢复到
ECO
工作模式，从而大大提高了系统的效率。原理框图见图
8
。
Bypass
Mains
~
-
-
~
output
图
8
ECO
工作模式
1
．
5
维修工作模式
需要对
UPS
系统及电池等进行全面检修或设备故障需维修
时，
可以通过闭合维护开关
Q3BP
，
将
负载转向维修旁路直接供电，以实现对
UPS
不停电维护。维修时需要断开
UPS
< br>内部的主路输入、旁
路输入电源和电池输入开关以及输出开关，实现
UPS
内部不带电而对负载仍然维持供电的维修工作
模式。原理框图见图
9
。
Bypass
Mains
~
-
-
~
output
图
9
维修工作模式
1
．
6
联合供电工作模式
柴油发电机组与蓄电池联合供电模式。
当市电无法供电，
柴油发电机组输出功率又不满足负荷需
求时，蓄电池会自动辅助供电，实现联合供电模
式。联合供电时间应当服从电池管理系统的设置。原
理框图见图
10
。
Bypass
Mains
~
-
-
~
output
图
10
联合供电工作模式
1
．
7
并机工作模式
多台
UPS(
最多
8
台
)
在冗余并机或增容并联的工作方式时，
各台
UPS
之间自动均分负载，
如果其
中一台
UPS
出现故障
，该台
UPS
自动退出运行，剩余
UP
S
均分负载；如果系统过载，则整个
UPS
系统转旁路运行。并机工作又有正常工作模式、电池工作模式、旁路供电模式、维修工作模式和联合
供电模式等多种工作模式。
1
．
8
多种电源输入方式
UPS
系统主路输入和旁路输入可以是同一路电源也可以是两路不同的电源。输
入连接方式见图
11
图
12
。
Mains
~
-
-
~
output
Bypass
Mains
~
-
-
~
output
图
3-7
一路电源输入方式
图
3-8
两路电源输入方式
2
电池管理：
2
．
1
常规电池管理功能
电池管理系统可以
实现多种常规电池管理功能，
主要有自动均浮充转换控制、
电池
预告警关机、
定
期自动维护、手动电池自检等功能。
2
．
2
电池故障检测
< br>电池故障检测是通过放电法来实现在线检测的，
控制电池在某些确定的功率下放电
，
并测试停止放
电时电池端电压，
用所
得端电压值与该种型号新电池同样放电情况下的端电压相比较，
以确定其容量衰
减比率，容量衰减超过某一设定比率时提示更换电池。
2
．
3
预测电池放电后备时间
预测电池放电
后备时间，
以新电池恒功率放电曲线以及电池检测所得电池容量衰减比率为依据，
通
过实时计算和监测电池的容量，实现电池在任何状态下对当时负载放
电的后备时间预测和显示。
3
告警和保护
UPS
< br>系统具有多种告警方式，可通过声、光、
LCD
、干接点
以及网络传输方式对当前发生的告
警进行及时、准确的告警和详细提示，在提高系统可靠
性的同时，帮助维护人员准确快速地定位及排
除故障。
根据显示方式可以将告警信息分为提示性弹出告警和已发生告警两类，
提示性弹出告警用于提
示用户，
防止用户因进行某种操作而导致
危险，
已发生告警主要是指已经发生且当前仍然存在的
UPS<
/p>
告警信息。
通过设置历史记录查看范围
可通过
LCD
查看最近
1
～
30
天或全部的历史记录信息，监控系统
在
UPS
中最多可储存
200
条事件历史记录，后台监控软件可以存储
2
万条事件历史记录。监控系统
提供
UPS
电源系统参数的统计信息（如切换到电池后备供电的次数、切换到静态旁路的次数、电池< p>
后备时间、逆变器和旁路电源的运行时间）
，方便用户维护管理和故障判断
。
系列
UPS
电源系统具有完备的保护功能。系统提供过压、过流、过温等常规保护措施，功率
器件
还进行了大幅度的降额设计，同时，系统提供了完备的散热系统。为延长电池的使用寿命，系统
< br>不仅提供完备的电池管理，而且在电池能量快用尽时，系统发出预报警并自动安全关机。这些保护措
施为系统的可靠工作提供了保证，
1+1
并机
时的
MTBF
可达
120
万小时。
4
冷启动
在
没有交流电源输入但蓄电池组一直挂在直流母线的情况下，
可用电池启动
UPS
。
启动后将由电
池后备
供电一段时间，
时间长短由电池充电水平和负载所需功率决定。
但是电池的放电时间不允许超
过设置的电池最大供电时间。
5
市电恢复自启动
市电恢复自启动功能是专门针对
UPS
设备接有后备电
池的应用场合设计的，可以在后备电池实
施欠压保护以后，与网络监控一起实现无人值守
场合的
UPS
自动启机。
6
网络监控
UPS
的监控系统支持灵活的网络化监控，通过
RS232
、
RS485
、
SNMP
卡、
MODEM
等多种
通讯方式可以充分满足不同用户的应用需求。
UPS
系统具备自诊断、自保护功能，可以实现自动声光报警、
E-mail
和
BP
< br>机报警
UPS
电源的监控系统
具有故障自诊断、自保护功能，同时提供
LCD
、
LED
、蜂鸣器等多种自动
声光报警，通过强大的通
信网络实现
E-mail
和
BP
机等远程报警指示。
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