UPS使用技术报告
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11/12下半学期
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摘要 ................................................3
一、UPS技术方案 ....................................3
（一）后备式结构(包括后备方波和后备正弦波) UPS ....3
（二）在线互动式UPS ...............................4
（三）三端口式UPS .................................4
（四）双变换在线式 ................................4
二、UPS采用的先进技术 ..............................5
（一）采用绝缘栅极型晶体管（IGBT），作逆变功率器件 5
（二）微处理器数字化控制 ..........................5
（三）控制实施通道 ...............................5
（四）高速数据处理结构 ...........................6
（五）控制和诊断软件 ..............................6
（六）电池自动测试与维护系统 .....................6
三、提高UPS可靠性的几种方法
.......................6
（一）主/从串联热备方式 ...........................6
（二）初级式并联 ..................................7
（三）高级并联方式 ................................8
四、蓄电池系统 .......................................9
（一）蓄电池特点 ..................................9
（二）蓄电池用途 ..................................9
（三）关于电池的建议 ..............................9
五、UPS电池放电功率计算公式 .........................9 参考文献........................................10
2 摘要
随着微型计算机应用的日益普及及信息处理技术的不断发展，对电网供电质量提出了更高的要求。一是要解决市电中断或时变对计算机等负载产生的不良影响，二是要保证输出优质的正弦波。因此，引入了一种新型的不间断电源技术（Uninterruptible Power System,简称UPS）。
UPS是一种含有蓄能的装置（常用蓄电池蓄能），以逆变器为主要组成部分的恒压，恒频电源设备，主要用于给计算机，计算机网络系统或其他电力设备提供不间段的电力供应。当市电正常时，UPS将市电整流通过逆变器或直接稳压后供给负载使用，此时，UPS就是一台交流稳压器，同时还向机内的蓄电池充电。当市电发生中断等情况时，UPS立即将电池的电能通过逆变转换的方法向负载继续供电，使负载维持正常的工作，并保护负载，硬件不受损坏。
UPS是一种向负载提供不间断，优质，高效，可靠的交流电能，并且具有保护和监视监控功能的供电设备。UPS对于计算机及其网络，通信，金融，电力，交通，国防及高等院校，科研院所等部门的供电起着关键的作用。
一、UPS电源技术方案
用什么样结构形式的UPS，是使用者在选用时要考虑的首要因素，所以弄清各种类型UPS的结构形式和性能特点，正确评价其优缺点，就成为UPS厂商、经营者和用户必须关注的问题。如图1所示。
（一）后备式结构(包括后备方波和后备正弦波) UPS 在市电正常时，逆变器不工作，市电电压经智能调压后直接送负载，所以它有下列特点：
3 1.常规输出电性能指标取决于智能调压，指标比较，220V±10%，但能满足负载要求。 2.在市电失压和恢复的过程中，输出电压存在切换过程，一般可控制在10ms以内，不影响负载供电。
3.逆变器只在市电异常时电池供电才投入运行，市电正常时，它处在后备状态，因此整机输出能力强。
（二）在线互动式UPS 它的工作过程与后备式相近，一般是智能结构，由MCU控制, 与后备式无本质的区别，差别在于双向变换器取代后备式的逆变器和充电器，市电正常时，AC/DC变换给电池充电。市电异常时，DC/AC向负载供电。它同样具有后备式电路简单、可靠性较高和输出能力强的特点，市电一电池转换时，输出电压的切换时间也比较短（一般小于4ms），适用于小功率UPS用户。
（三）三端口式UPS 它在主电路中串联有工频电感L，逆变器也是双向工作，输入输出电压的关系是 Uin- UL= Uout，三者之间有相位差。通过改变逆变器中电流的幅值和相位，就可改变电感L上的电压幅值和相位，以便在输人电压变化过程中，保持输出电压的稳定。特殊的结构形式决定了它的特点：
1.逆变器处于在线工作方式，随时监视并参与对输出电压的调整，保证输出电压稳定，当市电失压时，断电时输出电压切换时间为其输入切换开关动作时间，输出能力强，稳态精度好，但输入电压范围较小。
2.由于输入输出电压之间是通过改变相位关系来调整的，所以输入功率因数低， 当输入电压高和轻载时呈感性，输入电压低和重载时呈容性。
3.由于输人输出电压有相位差，UPS旁路时会出现间断，所以三端口式也只能适于小功率UPS用户。
(四)双变换在线式(按照结构可以分类为高频线式UPS和工频线式UPS)：
第一个变换器（AC/DC）通常为整流或可控整流电路，将交流转换成直流并向电池充电，同时向第二个变换器提供100%负载功率的直流电能，第二个变换器（DC/AC）为逆变器，它把直流电能转变为符合负载要求的交流电，当市电失压时，直流电能由电池供给。双变换在线式UPS应用广泛，特别是大功率UPS，多采用这种形式，它的特点如下：
1.在线式正弦波输出UPS，由于在线式UPS无论是在市电供电正常时，还是在市电供电中断期间，它对负载（微型计算机）的供电均是由UPS的逆变器提供的。正因为如此，这就从根本上完全消除了来自市电的任何电压波动和干扰对负载工作的影响，真正实现了对负载的无干扰稳压供电。显然这点不是任何一种抗干扰交流稳压电源所能解决的。目前，市场上销售的在线式UPS，当外界市电电压变化范围为180V－250V时，一般它的输出电压稳定精度可达220V±3%，正弦波的工作频率稳定度为50HZ±1%，甚至更高。波形失真度均在＜3%范围内。当市电供电中断时，在线式UPS能实现对负载的真正不间断（零间断）供电。
2.在线式UPS同后备式UPS相比，它有优良的输出电压瞬态特性。一般在0～50%，50～ 4 100%负载加载或100%～50%，50%～0负载减载时，它的输出电压变化范围≤5%，这种变化的持续时间一般为小于100ms。在线式UPS一般采用20kHZ左右的PWM脉冲宽度调制技术，所以噪音都比较小，一般噪音小于50dB。
3.工频在线式UPS的控制线路设计中，由于采用了输入变压器、输出变压器及光电耦合器件等技术手段，这样它将\"强电\"驱动部分与\"弱电\"控制线路部分从电的角度隔离开来，因而线路工作的可靠性得到了较大的提高，这种UPS技术成熟，故障率一般很低。所以中大型UPS(一般6k以上)用户最好采用工频在线式UPS。而对一般小型系统UPS用户可采用高频在线式UPS，因为高频在线式UPS采用高频变换技术，成本相对较低，但可靠性比工频在线式UPS略微差点，EMI干扰较大。
二、UPS采用的先进技术
（一）采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT），作逆变功率器件 其主要特点如下：
1.大大降低逆变器换流损耗以及交流滤波器的损耗，因此，逆变器的效率提高，整机效率可达94%～96%；
2.由于IGBT的开关频率在20 KHz～50KHz，明显提高了逆变器的性能，使输出电压谐波含量大为减少（
3.IGBT用于电压控制器，驱动电路简单，同时它有正方形的开关安全工作区，并有高的峰值电流容量，使逆变器可靠性进一步增加；
4.由于IGBT逆变器的高频化，减小输出交流滤波器的尺寸，也相应减小了损耗，使整机体积小，噪音低；
5.高可靠，长寿命。
（二）微处理器数字化控制
控制系统采用先进的计算机数字控制技术及模拟量计算机控制技术，即通过主/协结构完成系统控制。
系统由整流/充电器、逆变器、静态开关3个协处理器单元和一个模拟量计算机单元承担其所有的数据采集，模拟运算功能调整等工作，然后送到主处理器进行集中控制，综合处理，记录存档和显示最终处理信息。借助这种计算机高速数据处理技术，充分发挥其系统硬件和软件特点，提高UPS实时控制、保护和监测能力。
（三）控制实施通道
目前UPS的硬件系统基本上是由整流器、逆变器、静态开关三大部分加上微机系统所组成，其数据采集是通过极为精确的霍尔器件，以及最新高速A/D转换器，将模拟信号转换成数字形式，最终纳入协处理器和主处理器通道。根据UPS功能和用户需要，这些信号将用来实现UPS控制，调整，监测和保护之目的。
分布在UPS三大部分的霍尔传感器采集两类信号：开关信号主要反应各部件开关操作，保险开关操作，热继电器等的工作状态；模拟信号反映输入、输出、电压、电流、频率以及充电电压、电流等参数。
（四）高速数据处理结构
UPS控制系统中，采用计算机高速数据处理的主/协结构，增加数据采样点及数字控制诊断软件，高速A/D、D/A转换设计。UPS运行异常往往反映在各主要波形异变上，因此，对于各点取样的模拟信息必须先进行A/D转换，驱动执行机构完成最终控制。
（五）控制和诊断软件
控制软件实现各类信号的采集，处理运行状态的自动监测、调整以及管理功能。 诊断软件是故障诊断的专家系统。UPS出现异常后，该系统能迅速对故障进行诊断，推理，判明故障部件，通过显示器（或灯光，声音）报告给使用者，以便维修。同时自动记录信息，生成信息档案。
（六）电池自动测试与维护系统
蓄电池是UPS的贮能装置。由于电池故障引起UPS系统故障的比例较高，所以对蓄电池的测试及故障诊断，显得尤为重要。电池测试维护软件定期自动检测电池性能参数，为使电池处于良好的工作状态，每隔一定周期中断UPS交流输入，使电池组带载放电，激活惰性，保持电池组原有容量。在电池放电时，自动检测电池后备容量和电压，显示屏显示检测参数，当电池组容量下降10%时，自动结束测试，以免过放电。若测得电池电压高于或等于最佳值时，则显示“电池正常”；反之，则显示“电池故障”，并有声、光报警，后备时间可能减少。
三、提高UPS可靠性的几种方法
通常用两台或两台以上的单机，构成双机或多机UPS系统，提高电源供电的可靠性，使在单台UPS发生故障的同时，不会发生UPS中断供电的情况。下面几种连接方式，是目前常见的几种：
（一） 主/从串联热备方式，如图2-1所示。
图2-1 主/从串联热备方式
早期一般采用这种方式，它的特点是连接成本较低，技术简单，双机冗余提高了UPS电源供电系统的可靠性，但存在一些弱点：
1.UPS本身发生故障时，可能无法切换而造成输出中断
6 当UPS内部电源板或电源模块发生故障时，UPS会立即停止工作，输出中断。此时，UPS也不可能再从静态开关转向旁路。这种情况发生在主UPS机上，这时既使UPS是好的也无济于事，整个计算机系统的供电将被中断。
当UPS控制电路出现问题时，逆变器烧毁瞬时（此时不满足切换条件）及一些其它原因，也可能会出现静态开关打不开而造成中断。
2.切换瞬时输出出现间断
UPS为保证输出波形连续，采用先合后断技术，即旁路通过静态开关与逆变器输出有一叠加过程，以保证输出无间断，但这两路电压必须满足频率，相位，电压幅值完全一致，否则，将有可能造成切换过程中输出的不连续。
频率正常的情况下，主UPS的负载一般为感性负载。从UPS为空载，而在电网频率偏离UPS跟踪频率范围时，UPS将启动自身晶体振荡器，由于两台UPS为独立系统，无法进行“锁相”跟踪，如在此时发生切换过程，输出波形将会有更大 输出间断时间。特别在主UPS逆变器发生故障，强行切换时，由于无法进行正常跟踪，将有可能出现较大的间断间时，甚至切换失败。
3.在供电系统中，增加了两个公共故障点
一旦主UPS静态开关出现故障，此时又要求切换则会造成负载供电中断。发生过载时，主/从UPS将依次转旁路，这时UPS的静态开关如出现问题，也将造成输出中断。
4.设备使用效率低
在整个供电过程中，始终有一台UPS长期闲置不用，使用效率低，并且备份UPS的电池长期处于浮充状态下，电池无法放电，电池寿命大大缩短。可以增加一个主、从转换装置，定期将主机与从机进行转换，对主从机的电池轮流充放电，解决此问题。但是在主从转换过程中，从机处于空载运行状态，一旦出现切换过程，负载量将从0突变到100%，整流器和逆变器将受到大电流冲击，易于损坏，影响正常输出，甚至断电。
5．维修困难
当主机发生故障，切换到从机供电时，用户负载不能停机，无法关闭UPS进行维修。一旦从机出现故障，会造成整个供电系统中断。
（二） 初级式并联。如图2-2所示。
图2-2 初级式并联
初级并联方式是几台（一般两台）UPS共用一组静态旁路开关，同时增加并联柜以平衡负载电流方式实现并联。
7 由于一般UPS控制系统多为模拟反馈电路，其输出参数及特性随温度、元件参数及器件的老化而漂移，同时由于各UPS一致性较差，故这种类型的UPS无法直接并联。为了提高供电系统可靠性，需要将UPS并联使用时，为确保各并联UPS之间输出参量的一致性，达到同步运行的目的，要增加一个并联柜，即在原基础上增加一些检测环节。同时为达到并联UPS切换的一致性，必须将原有的各静态线路开关拆除，共用一组静态开关。这种并联方式虽然比单台或串联热备份方式在可靠性等方面有较大的提高，但存在以下弱点：
1．由于这种方式仅有一组静态开关，没有冗余备份，当静态开关本身出现问题时，整个供电系统就不能够正常输出，造成输出中断；
2．当平衡检测环节（即并联柜）出现故障时，各UPS间有可能产生环流而造成逆变器烧毁；
3．当负载为非线性负载，尤其是波峰因数较差的计算机或电机等负载时，因各UPS内部反馈系统参量瞬间调整，彼比互相没有关联而造成UPS动态一致性较差，因此会短时出现很大的环流，有可能造成逆变器的烧毁。
（三）高级并联方式 ，如图2-3所示。
图2-3 高级并联方式
此种方法无任何独立部件，全部并联冗余，实现了真正并联，且在此系统中无需任何额外附加并联柜，可靠性极高，是目前并联技术的发展趋势。由于采用冗余式并联，负载分配均匀，设备利用率很高。
高级并联工作方式，是由并联通讯板实现的，工作方式相当于计算机的并行工作原理。其中一台主机为导航UPS，假设为1#机。整个并联系统由导航UPS发出脉冲控制所有并联的UPS工作（最多可并联6台），这时各UPS相应器件相当于并联工作。当导航UPS（1#机）出现故障或未开机时，2#机自动升为导航机，控制其它UPS，在1#机恢复正常后，又由其进行控制。而当其它UPS出现故障时，自动退出。这种连接方式优点是所有UPS均由一台UPS控制信号所控制，这样既可保证各UPS间输出参量及动态特性完全一致，又彻底解决了初级并联不可避免的内部环流问题，以及静态旁路开通和跟踪一致性的问题。
由于这种并联通讯工作方式具有连接简单，可靠性高，动态性好等优点，已开始被广泛采用。但是此并联方法对UPS自身技术要求较高，有些UPS很难采用这种技术。
8 以上介绍了UPS的技术性能，分析了UPS的可靠性，目的在于掌握UPS的技术，更可靠地使用UPS电源，确保供电系统连续不间断地提供高质量的电源。
四、蓄电池系统
（一）蓄电池特点：
1．密封：全密封设计无电解液渗漏、运输和安装使用都很方便。
2.安全：蓄电池有安全阀，并且不易产生气体，遇火不会爆炸，安全防爆。 3.无需维护：由于全密封设计生产和基本不分解水，从使用起不需加水维护。 4.自放电低：采用新型合金、高等级原材料和先进的制造工艺，常温下贮存期可达6个月。
5.使用和贮存环境温度范围宽：从－30℃～60℃。
6.无需均衡充电：在正常工作情况下，以恒压充电不需均衡充电。
7.使用寿命长：25℃环境条件下，全浮充正常使用寿命6FM系列可达5年以上，GFM系列可达10年以上。
（二）蓄电池用途：
1.邮电通信设备（程控交换机、微波通讯、移动通信、光纤通信等）。 2.大型UPS及计算机备用电源（金融系统、办公设备、计算机房等）。 3.电力系统（发电厂、水电站、输变电站、风能及太阳能发电设备等）。 4.应急照明系统、消防安全及报警、监视系统备用电源。 5.航天、航空、航海、铁路、公路交通运输及电储能。 6.电子开关及控制系统。 7.峰值负载补偿储能装置。 (三)关于电池的建议： 1.必须：
使用前必须检查电池外观；存储电池在阴凉处(温度最好不超过200C或6800F)；把存放起超过三个月的电池加以适当的补充电；充电时要在通风良好的环境中进行；把电池牢固地安装在设备机箱内
2.切勿：
将电池放在靠近火源的地方或焚烧电池；将电池短路；将电池放在密闭箱内使用；野蛮装卸电池；使用跛裂或漏夜的电池；过度震动和摇晃电池；
五、UPS电池放电功率计算公式：P=(W×a)/(n×η) P：电池放电功率，单位－瓦/单体(Watt/Cell)； W：UPS功率； a：UPS功率因数； n：2V电池单体数量； η：电池逆变效率；
参考文献
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