不間斷電源設(shè)備(UPS)適用于向用戶的關(guān)鍵設(shè)備，如互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心、銀行的清算中心和通存通取網(wǎng)控系統(tǒng)、證券交易及期貨貿(mào)易系統(tǒng)、民航和鐵路的售票系統(tǒng)、衛(wèi)星地面站及民航的航管調(diào)度系統(tǒng)、冶金及大規(guī)模集成電路的流水生產(chǎn)線管理系統(tǒng)、財(cái)稅信息系統(tǒng)、氣象和地震預(yù)報(bào)及監(jiān)控系統(tǒng)等提供高質(zhì)量電壓、頻率、波形的無(wú)時(shí)間中斷的交流電源。

UPS的工作原理
UPS是由電力變流器(整流器、逆變器)、轉(zhuǎn)換開關(guān)(電子式或機(jī)械式)、儲(chǔ)能裝置(如蓄電池)及控制系統(tǒng)等組成，在輸入電源故障時(shí)維持負(fù)載電力連續(xù)性的電源設(shè)備。通常采用的是在線式UPS。它首先將市電輸入的交流電源變成穩(wěn)壓直流電源，供給蓄電池和逆變器，再經(jīng)逆變器重新被變成穩(wěn)定的、純潔的、高質(zhì)量的交流電源。它可完全消除在輸入電源中可能出現(xiàn)的任何電源問(wèn)題(電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、諧波失真和各種干擾)。其工作原理框圖見圖1。


圖1 在線式UPS工作原理框圖

UPS的配置類型
根據(jù)用電設(shè)備對(duì)供電可靠性、連續(xù)性、穩(wěn)定性和電源諸參數(shù)質(zhì)量的要求，不間斷電源設(shè)備(UPS)可分為以下幾種配置類型：

1、單臺(tái)UPS
因只有一臺(tái)不間斷電源設(shè)備，一般用于高的場(chǎng)所，系統(tǒng)容量較小、可靠性要求不高的場(chǎng)所。

1)無(wú)旁路的單臺(tái)UPS
①逆變器和蓄電池共用一個(gè)整流器的單臺(tái)UPS。負(fù)載總是由逆變器供電，而逆變器由交流輸入經(jīng)整流器或由蓄電池供電(見圖2)。整流器必須是可控的以便蓄電池再充電，并使蓄電池保持在充電狀態(tài)。


圖2 逆變器和蓄電池共用一個(gè)整流器的單臺(tái)UPS

在交流輸入電源故障時(shí)，由蓄電池在直流電壓不斷降低的情況下供電，直至低到不能滿足逆變器輸出要求為止。蓄電池的類型和容量將決定系統(tǒng)在沒(méi)有交流輸入電源供電時(shí)，尚能運(yùn)行的時(shí)間值。
 
UPS的輸入、輸出可有不同的頻率、 相數(shù)和電壓等級(jí)。 其設(shè)計(jì)的輸出特性能滿足比許多一般電源更嚴(yán)格的技術(shù)要求，也即更窄的電壓和頻率允差、更小的瞬態(tài)偏差、更小的瞬態(tài)偏差，以及更好地輸入電源故障保護(hù)等。

②有獨(dú)立蓄電池充電器的單臺(tái)UPS
整流器作為逆變器輸入電源和給蓄電池充電的要求可能互相矛盾，所以UPS可設(shè)計(jì)成具有獨(dú)立的蓄電池充電器(見圖3)。從使用者的觀點(diǎn)看，上述對(duì)單臺(tái)UPS的說(shuō)明也適用于這種系統(tǒng)


圖3 有獨(dú)立蓄電池充電器的單臺(tái)UPS
注：1、交流輸入端子可連接在一起；2、管模塊、品閘管或開關(guān)。

③可輸出直流和交流的單臺(tái)UPS。某些用途既需要有不間斷的直流電源，又需要不間斷的交流電，并可能是組合設(shè)備(見圖4)。


圖4 可輸出直流和交流的單臺(tái)UPS

2)帶旁路的單臺(tái)UPS.
①雙變換(在線式UPS)。在正常運(yùn)行方式下，主要由整流器/逆變器組合向負(fù)載供電，同時(shí)充電器給蓄電池組浮充電，保證蓄電池組滿容量。當(dāng)交流輸入供電超出UPS預(yù)定允差，UPS單元進(jìn)入儲(chǔ)能供電運(yùn)行方式，由蓄電池/逆變器組合，在儲(chǔ)能供電時(shí)間內(nèi)，或者在交流輸入電源恢復(fù)到UPS設(shè)計(jì)的允差之前(按兩者之較短時(shí)間)，繼續(xù)向負(fù)載供電。逆變器始終處于工作狀態(tài)，確保不間斷輸出，不存在轉(zhuǎn)換時(shí)間問(wèn)題。在整流器/逆變器發(fā)生故障、負(fù)載電流瞬變(沖擊電流或故障電流)或尖峰負(fù)載時(shí)，UPS單元可借助UPS開關(guān)(可能是電子式或機(jī)電式開關(guān))投切旁路，改善負(fù)載電力的連續(xù)性，這時(shí)，負(fù)載由主電源或備用電源經(jīng)旁路供電，見圖5。轉(zhuǎn)換開關(guān)一般采用靜態(tài)開關(guān)，轉(zhuǎn)換時(shí)間達(dá)微秒級(jí)。在線式UPS結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，有很寬的輸入電壓范圍，輸出電壓穩(wěn)定、精度高，輸出波形為交流正弦波。

②互動(dòng)式UPS。在正常運(yùn)行方式下，由合適的電源，通過(guò)并聯(lián)交流輸入和UPS逆變器向負(fù)載供電。逆變器或者電源接口的操作是為了調(diào)節(jié)輸出電壓和/或給蓄電池充電。當(dāng)交流輸入供電超出UPS預(yù)定允差，逆變器和蓄電池將在儲(chǔ)能供電方式下保持負(fù)載電力的連續(xù)性，并由電源接口切斷交流輸入電源，以防止逆變器反向饋電。UPS單元在儲(chǔ)能供電時(shí)間內(nèi)，或者在交流輸入電源恢復(fù)到UPS設(shè)計(jì)的允差之前(按兩者之較短時(shí)間)，運(yùn)行于儲(chǔ)能供電方式之下。在整流器/逆變器發(fā)生故障、負(fù)載電流瞬變(沖擊電流或故障電流)或尖峰負(fù)載時(shí)，UPS單元可借助UPS開關(guān)投切旁路，改善負(fù)載電力的連續(xù)性，這時(shí)，負(fù)載由主電源或備用電源經(jīng)旁路供電，見圖6。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有較寬的輸入電壓范圍，輸出電壓較穩(wěn)定，輸出波形為模擬正弦波，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于4ms，如市電旁路轉(zhuǎn)換開關(guān)采用靜態(tài)開關(guān)，則轉(zhuǎn)換時(shí)間可以達(dá)到微秒級(jí)。


圖6 帶旁路的UPS互動(dòng)運(yùn)行

③后備式(離線式)UPS。在正常運(yùn)行方式下，負(fù)載由交流輸入電源通過(guò)旁路直接供電，可能需結(jié)合附加設(shè)備(如鐵磁諧振變壓器或自動(dòng)抽頭切換變壓器)對(duì)供電進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)交流輸入供電超出UPS預(yù)定允差，啟動(dòng)逆變器而使UPS單元轉(zhuǎn)入儲(chǔ)能供電運(yùn)行方式，并使負(fù)載直接或通過(guò)UPS開關(guān)轉(zhuǎn)移到逆變器。在儲(chǔ)能供電時(shí)間內(nèi)，或者在交流輸入電源恢復(fù)到UPS預(yù)定允差之內(nèi)和負(fù)載轉(zhuǎn)換回來(lái)之前的時(shí)間內(nèi)(按兩者之較短時(shí)間)，由蓄電池/逆變器組合來(lái)保持負(fù)載功率的連續(xù)性，見圖7。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸入電壓范圍窄，輸出電壓穩(wěn)定性較差，輸出波形為交流方波，轉(zhuǎn)換時(shí)間一般為10ms。


圖7 UPS無(wú)源后備運(yùn)行

增設(shè)旁路應(yīng)滿足如下要求：
①輸入和輸出頻率通常應(yīng)相同；
②如果電壓值不同，則需要一個(gè)旁路變壓器。對(duì)于某些負(fù)載，為了保持負(fù)載電力的連續(xù)性，需使UPS與旁路的交流輸入同步。

(2)并聯(lián)UPS：可組成大型UPS供電系統(tǒng)，供電可靠性高，運(yùn)行比較靈活，便于檢修。
1)無(wú)旁路的并聯(lián)UPS。如果使用并聯(lián)UPS單元(見圖8)并聯(lián)局部單元(見圖9)應(yīng)把系統(tǒng)作為一個(gè)UPS看待。


圖8 并聯(lián)的UPS(UPS單元并聯(lián))
注：輸入端子可連接在一起


圖9 局部并聯(lián)的UPS(只逆變器并聯(lián))

2)帶旁路的并聯(lián)UPS。當(dāng)并聯(lián)UPS作為單臺(tái)UPS運(yùn)行時(shí)，則其運(yùn)行情況與帶旁路的單臺(tái)UPS運(yùn)行情況相同，其配置圖形見圖10。


圖10 帶旁路的并聯(lián)UPS

注：輸入端子可連接在一起。

(3)冗余UPS：由于增設(shè)了一個(gè)或幾個(gè)不間斷電源設(shè)備作為備用，從而確保了供電系統(tǒng)的連續(xù)性、可靠性，對(duì)已出現(xiàn)的事故有冗余處理措施。
 
1)備用冗余UPS。
2)當(dāng)運(yùn)行的UPS1單元故障時(shí)，備用UPS投入運(yùn)行，將負(fù)載全部接受過(guò)來(lái)，并斷開故障的UPS。
①無(wú)旁路的備用冗余UPS(見圖11)。本系統(tǒng)保留了(1)的各項(xiàng)特性，它提供了一種改善負(fù)荷電力連續(xù)性的一個(gè)方法。


圖11 無(wú)旁路的備用冗余UPS
注：輸入端子可連接在一起。

②帶旁路的備用冗余UPS(見圖12)。為了更進(jìn)一步改善如上述(1)中帶旁路的單臺(tái)UPS所帶負(fù)載電力的連續(xù)性，UPS可包含一個(gè)旁路電路，此外，可使負(fù)載從一個(gè)UPS轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)。旁路具有低的阻抗，能流過(guò)滿負(fù)載電流而輸出電壓無(wú)明顯下降。


圖12 帶旁路的備用冗余UPS
注：輸入端子可連接在一起。

3)并聯(lián)冗余UPS：并聯(lián)冗余UPS由兩個(gè)或多個(gè)共同分擔(dān)負(fù)載電流的單機(jī)UPS單元組成，各單機(jī)UPS系統(tǒng)的輸出并聯(lián)連接到一個(gè)公共的配電系統(tǒng)。系統(tǒng)一般按N+1個(gè)單機(jī)UPS系統(tǒng)配置，即并聯(lián)冗余UPS的總?cè)萘砍鲐?fù)載所需容量的值應(yīng)至少等于一個(gè)UPS單元的容量，如此，斷開其中的一個(gè)UPS單元，其余UPS仍可保持負(fù)載電力的連續(xù)性。

①無(wú)旁路并聯(lián)冗余UPS(見圖13)。如果一個(gè)UPS單元故障，它必須被隔離，以避免干擾其他UPS單元，使剩余的UPS單元得以連續(xù)向全部負(fù)載供電。此外，在這些系統(tǒng)中要求分擔(dān)負(fù)載的各電路必須同步。
 

注：輸入端子可連接在一起。
 

②帶旁路的并聯(lián)冗余UPS。如上述那樣的系統(tǒng)，可在周圍連接一個(gè)或多個(gè)旁路，以提供檢修的便利。

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