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UPS不間斷電源

文字:[大][中][小] 2016-3-14  瀏覽次數:2453

UPS(Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply),即不間斷電源,是將蓄電池(多為鉛酸免維護蓄電池)與主機相連接,通過主機逆變器等模塊電路將直流電轉換成市電的系統設備。主要用于給單臺計算機、計算機網絡系統或其它電力電子設備如電磁閥、壓力變送器等提供穩定、不間斷的電力供應。當市電輸入正常時,UPS 將市電穩壓后供應給負載使用,此時的UPS就是一臺交流市電穩壓器,同時它還向機內電池充電;當市電中斷(事故停電)時, UPS 立即將電池的直流電能,通過逆變零切換轉換的方法向負載繼續供應220V交流電,使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。UPS 設備通常對電壓過高或電壓過低都能提供保護。

 

特點

UPS是針對中國電網環境和網絡監控網絡系統醫療系統等對電源的可靠性要求,克服中、大型計算機網絡系統集中供電所造成的供電電網環境日益惡劣的問題,以全新的數字技術研制出的第三代工頻純在線式智能型UPS。直流電源,是維持電路中形成穩恒電流的裝置。如干電池、蓄電池、直流發電機等。
UPS直流電源是企業重要的供電保障設備,傳統的維護管理包括:①日常巡檢外觀,定期更換電池、濾波電容風機等易損件,大修時做電池活化等;②改造或采用換代設備,使用高級工具測試電池性能。這種管理方式企業投入成本高,維護人員工作量大,不易實時掌握設備運行狀態和關鍵數據,設備事故預防能力低。實施在線維護管理可避免傳統方式的不足之處,獲得良好效益。
UPS的中文意思為“不間斷電源”,是英語“Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply”的縮寫,它可以保障計算機系統在停電之后繼續工作一段時間以使用戶能夠緊急存盤,使用戶不致因停電而影響工作或丟失數據
 

組成

UPS電源系統由五部分組成:主路、旁路、電池等電源輸入電路,進行AC/DC變換的整流器(REC),進行DC/AC變換的逆變器(INV),逆變和旁路輸出切換電路以及蓄能電池。其系統的穩壓功能通常是由整流器完成的,整流器件采用可控硅或高頻開關整流器,本身具有可根據外電的變化控制輸出幅度的功能,從而當外電發生變化時(該變化應滿足系統要求),輸出幅度基本不變的整流電壓。凈化功能由儲能電池來完成,由于整流器對瞬時脈沖干擾不能消除,整流后的電壓仍存在干擾脈沖。儲能電池除可存儲直流直能的功能外,對整流器來說就像接了一只大容器電容器,其等效電容量的大小,與儲能電池容量大小成正比。由于電容兩端的電壓是不能突變的,即利用了電容器對脈沖的平滑特性消除了脈沖干擾,起到了凈化功能,也稱
1-1 1-1
對干擾的屏蔽。頻率的穩定則由變換器來完成,頻率穩定度取決于變換器的振蕩頻率的穩定程度。為方便UPS電源系統的日常操作與維護,設計了系統工作開關,主機自檢故障后的自動旁路開關,檢修旁路開關等開關控制。
電網電壓工作正常時,給負載供電如圖1-1所示,而且,同時給儲能電池充電;當突發停電時,UPS電源開始工作,由儲能電池供給負載所需電源,維持正常的生產(如粗黑→所示);當由于生產需要,負載嚴重過載時,由電網電壓經整流直接給負載供電(如虛線所示)。

工作過程

當市電正常為380/220VAC時,直流主回路有直流電壓,供給DC-AC交流逆變器,輸
不間斷電源工作原理框圖1-2 不間斷電源工作原理框圖1-2
出穩定的220V或380V交流電壓,同時市電經整流后對電池充電。當任何時候市電欠壓或突然掉電,則由電池組通過隔離二極管開關向直流回路饋送電能。從電網供電到電池供電沒有切換時間。當電池能量即將耗盡時,不間斷電源發出聲光報警,并在電池放電下限點停止逆變器工作,長鳴告警。不間斷電源還有過載保護功能,當發生超載(150%負載)時,跳到旁路狀態,并在負載正常時自動返回。當發生嚴重超載(超過200%額定負載)時,不間斷電源立即停止逆變器輸出并跳到旁路狀態,此時前面輸入空氣開關也可能跳閘。消除故障后,只要合上開關,重新開機即開始恢復工作。

常用詞匯

避雷器:用來吸收雷擊波的器件,工作原理是,雷擊產生瞬間高電壓進入電路,引起避雷器導通吸收雷擊電流,將電路電壓箝位在安全范圍之內。可做為避雷器件的元件有多種,如壓敏電阻、放電管等。 注:雷擊電壓是大氣與大地之間的高壓放電,因此,避雷器要有良好的接地才能起作用。
保險絲:一種過熱熔斷型的小型器件,超載或負載短路時引起電流過大會燒斷保險絲,保護電子設備不受過電流的傷害,也可避免電子設備因內部故障所引起的嚴重傷害。因此,每個保險絲上皆有額定規格,當電流超過額定規格時保險絲將會熔斷。
變壓器:利用電磁感應原理,由鐵芯線圈構成,可分為一次側線圈與二次側線圈兩個部分,一次側輸入電壓,二次側就有感應電壓輸出,從而進行電能傳遞。二次側可提供多種電壓輸出,有升壓,降壓功能,因此變壓器在電路中可以滿足多種不同電壓的電力需求。
穩壓精度:指輸出端電壓的相對變化量,為一百分數,越小越好。當輸入電壓或負載發生變化時,UPS的輸出電壓也會升高或降低,變化越小說明穩壓精度越高。
不間斷電源(UPS[Uninterruptible Power System (or Supply)]):是由電池組逆變器和其他電路組成,能在電網停電時提供交流電力的電源設備。
ups不間斷電源設備:ups不間斷電源設備,指不會因短暫停電中斷、可以一直供應高品質電源、有效保護精密儀器的電源設備。全名Uninterruptable Power System。亦有穩定電壓的作用,類似于穩壓器。
 

ups分類

UPS按工作原理分成后備式、在線式與在線互動式三大類。
其中,我們最常用的是后備式UPS,它具備了自動穩壓、斷電保護等UPS最基礎也最重要的功能,雖然一般有10ms左右的轉換時間,但由于結構簡單而具有價格便宜,可靠性高等優點,因此廣泛應用于微機、外設、POS機等領域。
后備式UPS電源又分為后備式正弦波輸出UPS電源和后備式方波輸出UPS電源。
后備式正弦波輸出UPS電源:單機輸出可做到0.25KW~2KW,當市電在170V~264V間變化時,向用戶提供經調壓器處理的市電;當市電超出170V~264V范圍時,才由UPS提供高質量的正弦波電源。
后備式方波輸出UPS電源:與后備式正弦波輸出UPS電源不同的只是為用戶提供50Hz方波電源。
在線式UPS結構較復雜,但性能完善,能解決所有電源問題,如四通PS系列,其顯著特點是能夠持續零中斷地輸出純凈正弦波交流電,能夠解決尖峰、浪涌、頻率漂移等全部的電源問題;由于需要較大的投資,通常應用在關鍵設備與網絡中心等對電力要求苛刻的環境中。
在線互動式UPS,同后備式相比較,在線互動式具有濾波功能,抗市電干擾能力很強,轉換時間小于4ms,逆變輸出為模擬正弦波,所以能配備服務器、路由器等網絡設備,或者用在電力環境較惡劣的地區。
 

UPS優點

不間斷電源的主要優點,在于它的不間斷供電能力。在市電交流輸入正常時,UPS把交流電整流成直流電,然后再把直流電逆變成穩定無雜質的交流電,給后級負載使用[2]  。一旦市電交流輸入異常,比如欠壓了或者停電了又或者頻率異常了,那么UPS會啟用備用能源-蓄電池,UPS的整流電路會關斷,相應的,會把蓄電池的直流電逆變成穩定無雜質的交流電,繼續給后級負載使用。這就是UPS不間斷供電能力的由來。圖1是典型的UPS框圖。
UPS UPS
當然,UPS的不間斷供電時間不是無限的,這個時間受制于蓄電池自身儲存能量的大小[2]  。如果發生交流停電,那么在UPS的蓄電池供電的寶貴時間內,您需要做的就是趕緊恢復交流電,比如啟用備用交流電回路、啟用油機發電,實在不行,就只能緊急存盤,保存勞動成果,等待交流電恢復正常后再繼續。
 

應用

不間斷電源現已廣泛應用于:礦山、航天工業通訊、國防、醫院、計算機業務終端、網絡服務器、網絡設備、數據存儲設備、UPS不間斷電源、應急照明系統、鐵路航運交通電廠變電站核電站、消防安全報警系統、無線通訊系統、程控交換機、移動通訊、太陽能儲存能量轉換設備、控制設備及其緊急保護系統、個人計算機等領域。
 

選用原因

電網存在至少九種問題:斷電、雷擊尖峰、浪涌頻率震蕩、電壓突變、電壓波動、頻率漂移、電壓跌落、脈沖干擾,因此從改善電源質量的角度來說給電腦配備一臺UPS是十分必要的。
另外,精密的網絡設備和通信設備是不允許電力有間斷的,以服務器為核心的網絡中心要配備UPS是不言而喻的,即使是一臺普通電腦,其使用三個月以后的數據文件等軟件價值就已經超過了硬件價值,因此為防止數據丟失而配備UPS也是十分必須的。
 

 

注意事項

1)UPS的使用環境應注意通風良好,利于散熱,并保持環境的清潔。
2)切勿帶感性負載,如點鈔機日光燈空調等,以免造成損壞。
3)UPS的輸出負載控制在60%左右為最佳,可靠性最高。
4)UPS帶載過輕(如1000VA的UPS帶100VA負載)有可能造成電池的深度放電,會降低電池的使用壽命,應盡量避免。
5)適當的放電,有助于電池的激活,如長期不停市電,每隔三個月應人為斷掉市電用UPS帶負載放電一次,這樣可以延長電池的使用壽命。
6)對于多數小型UPS,上班再開UPS,開機時要避免帶載啟動,下班時應關閉UPS;對于網絡機房的UPS,由于多數網絡是24小時工作的,所以UPS也必須全天候運行。
7)UPS放電后應及時充電,避免電池因過度自放電而損壞。

 

使用與維護

  1. 保持適宜的環境溫度。影響蓄電池壽命的重要因素是環境溫度,一般電池生產廠家要求的最佳環境溫度是在20-25℃之間。雖然溫度的升高對電池放電能力有所提高,但付出的代價卻是電池的壽命大大縮短。據試驗測定,環境溫度一旦超過25℃,每升高10℃,電池的壽命就要縮短一半。達不到規定的環境要求,其壽命的長短就有很大的差異。另外,環境溫度的提高,會導致電池內部化學活性增強,從而產生大量的熱能,又會反過來促使周圍環境溫度升高,這種惡性循環,會加速縮短電池的壽命。
  2. 定 期充電放電。UPS電源中的浮充電壓和放電電壓,在出廠時均已調試到額定值,而放電電流的大小是隨著負載的增大而增加的,使用中應合理調節負載,比如控制 微機等電子設備的使用臺數。一般情況下,負載不宜超過UPS額定負載的60%。在這個范圍內,電池的放電電流就不會出現過度放電。UPS因長期與市電相 連,在供電質量高、 很少發生市電停電的使用環境中,蓄電池會長期處于浮充電狀態,日久就會導致電池化學能與電能相互轉化的活性降低,加速老化而縮短使用壽命。因此,一般每隔 2-3個月應完全放電一次,放電時間可根據蓄電池的容量和負載大小確定。一次全負荷放電完畢后,按規定再充電8小時以上。
  3. 利用通訊功能。大多數大、中型UPS都具備與微機通訊和程序控制等可操作性能。在微機上安裝相應的軟件,通過串/并口連接UPS,運行該程序,就可以利用微機與UPS進行通訊。一般具有信息查詢、參數設置、定時設定、自動關機和報警等功能。通過信息查詢,可以獲取市電輸入電壓、UPS輸出電壓、負載利用率、電池容量利用率、機內溫度和市電頻率等信息;通過參數設置,可以設定UPS基本特性、電池可維持時間和電池用完告警等。通過這些智能化的操作,大大方便了UPS電源及其蓄電池的使用管理。
  4. 及時更換廢/壞電池。 大中型UPS電源配備的蓄電池數量,從3只到80只不等,甚至更多。這些單個的電池通過電路連接構成電池組,以滿足UPS直流供電的需要。在UPS連續不 斷的運行使用中,因性能和質量上的差別,個別電池性能下降、儲電容量達不到要求而損壞是難免的。當電池組中某個/些電池出現損壞時,維護人員應當對每只電 池進行檢查測試,排除損壞的電池。更換新的電池時,應該力求購買同廠家同型號的電池,禁止防酸電池和密封電池、不同規格的電池混合使用。

 

發展特點

(1)高效率、高可靠性
由于IT 設備不斷增多、用電量加劇、機房面積緊張、低耗節能需求等客觀因素的存在,高效率、高可靠性的UPS 技術倍受關注。為提高UPS 運行效率,高性能電力電子器件不斷被研發成功并投入實際應用,如IGBT、MOSFET、GTR、智能功率模塊IPM、MOS 控制晶閘管MCT 等,變流技術也需要隨著電力電子器件而更新。此外,業界正逐步推廣UPS 內部多模塊冗余并聯運行、甚至多臺UPS 組成的系統冗余運行技術,在并聯運行中,當單一模塊或單機發生故障時,其功能則自動轉由冗余單元承擔,大大提高了UPS 供電系統的可靠性。
(2)大功率化、模塊化
由于IT 行業迅猛發展,數據中心的數據量也在以爆炸式的速度持續增長,隨之而來功率消耗增大。UPS 一方面朝著更大功率的方向發展,另一方面為應對不間斷電源容量分期擴充的需求,產品模塊化已是不可阻擋的趨勢。更個性化的用戶需求、更龐大的數據中心規模 及更高的維護成本使得UPS 已不再是單純的不間斷供電設備,針對不同行業領域的全套電源供應與管理解決方案才將倍受市場青睞。
行業內針對模塊化UPS 解決方案基本形成了兩個方向:一是單機冗余化,即通過多模塊冗余并聯構成大功率單相或者三相UPS,其可用性指標得到了質的飛躍;二是全模塊化結構,即一 個模塊是一臺完整的UPS,通過冗余并聯直接構成中等功率UPS,在兼顧可用性指標的同時還具有良好的性價比。
(3)高頻化
相比傳統的工頻UPS,高頻UPS 采用功率因數校正和高頻軟開關技術,省去了工頻電能轉換環節,因此運行效率更高、對電網的諧波污染及無功消耗極小,完全能夠滿足國內外相關電力行業的標準 要求。此外,高頻電能變換裝置在減小磁性部件體積和重量、降低制造成本、遏制運行噪音、節能環保等方面效果顯著,因此越來越受到用戶認可。
(4)數字化、智能化、網絡化
數字化技術的優勢在當今信息社會中愈加明顯。在UPS 產品的研發和制造過程中采用全數字化技術可有效縮小產品體積、降低生產成本、提高產品的可靠性及針對用戶需求的匹配性;而數字化控制技術則會在UPS 系統運行過程中準確及時地進行信號采樣、處理、控制(包括電壓電流環等)、通信等工作,并將各環節的控制參數優化統一后發送給UPS 綜合控制單元,從而使UPS 系統的運行更具效率,實現更簡單、更穩定的通信與均流,并獲取優良的電磁兼容指標。智能化主要貫穿于UPS 系統的控制、檢測與通信過程中,完全由計算機管理。計算機及其外設能自主應付一些可預見的問題,進行自動處理和調整,發出預警、告警信息等。通信設施所處 環境日趨復雜,增大了維護難度,對電源設備的網絡化監控管理提出了新的要求。網絡化技術可通過對UPS 配置與計算機互連的軟硬件接口,實現計算機網絡系統及數據資料的雙重保護、網絡遠程事件記錄和監測控制、故障告警、參數自動測試分析等功能,使維護人員更 為輕松、安全、高效地通過互聯網進行數據查詢、控制等維護工作。
(5)綠色、節能、環保
在世界能源格局變化加劇,國際油價劇烈震蕩,全球能源供應緊張的形勢下, 節能環保已成為UPS 廠商進行產品技術創新的指導原則。對UPS 而言,輸入功率因數的高低表明其吸收電網有功功率的能力及對電網影響的程度。降低電源的輸入諧波,不但能改善UPS 對電網的負載特性,減少給電網帶來的嚴重污染,也能降低對其他網絡設備的諧波干擾。已有許多UPS 廠商推出的產品功率因數接近1,可最大限度地減少無功功率的消耗。

 

解決方案

 
電力操作電源是為電力系統中控制和保護設備提供獨立電源的設備。同時,一 些重要的動力負荷電源,如保證發電機組,大型廠用電設備起停的潤滑油泵電源系統,氫密封油電系統電源,主要的熱工動力電源,以及UPS不間斷電源和事故照 明電源系統等,由于安全性和可靠性要求極高,需要采用與控制電源系統同等可靠的直流電源系統供電。因此,電力系統直流操作電源對于可靠性的要求極高。無論 是大型樞紐變電站,中小型變電站站,還是核電站,水、火力發電廠等,均要求直流供電系統的高可靠性。通過對電源系統的的合理設計,各分立部件的可靠性保證 及協同工作,以及冗余配置方案,可以滿足電力系統對于直流操作電源系統的高可靠性要求。

 

電廠是一個自動化程度很高的特殊生產企業,自動化的生產設備依賴于供電系 統的安全、穩定運行。在現代化的發電廠中,大容量機組發電機的DCS控制系統,包括各種熱工自動裝置,如自動調節用組裝儀表、汽輪機電液數字調節裝置、鍋 爐聯鎖及安全監察系統FSSS、汽機監視儀表(TSI)、協調控制系統(CCS)等,都需要有一個可靠的電源,該電源要求無論在機組本身廠用電中斷還是電 網故障時,都不應中斷供電,這就要求大容量機組中不但有可以使機組安全停機的事故保安電源,而且要求有一個為控制、監視裝置及事故后狀態參數記錄裝置提供 高供電品質且不間斷供電的交流不停電電源。

 

DL31電力UPS應用方案 DL31電力UPS應用方案
(圖:UPS應用方案)
方案的優點:
1) 為電力行業量身定制的專業型UPS,適應電力行業內部的惡劣電網環境,既滿足了電力行業的負載需求,又可以讓用戶不必再為負載的三相不平衡而煩惱。
2) 1+1冗余并聯的工作方式,讓本來已經很可靠的供電系統再增加一把安全鎖,滿足電力行業用戶對UPS高可靠性指標的極限需要。
3) 充分利用電力行業的220V/110V大容量電池組,可最大限度的延長UPS的后備時間,并節省電池組的安裝空間和前期投資。
4) 選配旁路隔離變壓器,實現輸入與輸出的完全隔離,并可保證輸出的零地電壓<1V。
5) 豐富的干接點監控信號,可納入電廠自身的DCS監控系統;出現問題,及時上報,便于值班人員對UPS的實時監控
大型數據中心解決方案
大型數據中心解決方案 大型數據中心解決方案
大型數據中心的基礎設施系統主要分電源、環境控制和機房監控管理系統。由 于大型數據中心承載企業、集團、機構的核心業務,重要性高,不允許業務中斷。因而大型數據中心一般根據TIA942標準的Tier4標準建設,可靠性要求 99.99999%以上,以保證異常故障和正常維護情況下,數據中心正常工作,核心業務不受影響。
1、電源系統,通常選用多路市電源互為備份,并且機房設有專用柴油發電機 系統作為備用電源系統,市電電源間、市電電源和柴油發電機間通過ATS(自動切換開關)進行切換,為數據中心內UPS(不間斷供電電源)、機房空調、照明 等設備供電。由于大型數據中心業務重要性,通常采用雙母線的供電方案供電,滿足大型數據中心服務器等IT設備高可靠性用電要求。雙母線供電系統,有兩套獨 立UPS供電系統(包含UPS配電系統),在任一套供電母線(供電系統)需要維護或故障等無法正常供電的情況下,另一套供電母線仍能承擔所有負載,保證機 房業務供電,確保數據中心業務不受影響。在UPS輸出到服務器等IT設備輸入間,選用SPM(服務器電源管理器)進行電源分配和供電管理,實現對每臺機柜 用電監控管理,提高供電系統的可靠性和易管理性。對于雙路電源的服務器等IT設備,直接從雙母線供電系統的兩套母線引人電源,即可保證其用電高可靠性。對 于單路電源的服務器等IT設備,通常選用STS(靜態切換開關)為其選擇切換一套供電母線供電。在供電母線無法正常供電時,STS將自動快速切換到另一套 供電正常的母線供電,確保服務器等IT設備的可靠用電。
2、環境控制系統,通常選用機房精密空調對數據中心的環境調節,確保服務 器等IT設備的運行環境。對于發熱量大的服務器等IT設備,通常選用高通孔率(一般大于70%)網孔門的機柜,提高機柜進出風量;將機柜面對面、背對背布 置,在機房內形成冷熱隔離的風道,提高制冷效率;空調采用下送風方式,確保機房送風均勻,提高制冷效率。
在某些功率密度特別高場合(發熱量超過5kw/機柜),往往容易產生局部 熱點,形成故障隱患。為消除局部熱點,需要采用相應的高熱密度解決方案,如開放式方案即為在局部熱點發生處加裝制冷終端XD,加強局部制冷能力,以消除局 部熱點;封閉式方案即為高功率密度設備放置在封閉機柜內,通過機柜內制冷循環,高效率制冷散熱。
3、機房監控管理系統,大型數據中心需要對電源、空調等設備運行狀態進行 管理,同時還需要對機房內環境,如溫濕度、漏水、煙感等參量進行監控,確保數據中心工作在一個正常的范圍之內。并對數據中心設備運行參數和環境量實時監控 和管理,同時遠程監控和管理,實現機房無人值守。

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