1UPS的基本原理及主要技術參數

什麼是UPS？

利用電池化學能作為後備能量，在市電斷電等電網故障時，不間斷地為用戶設備提供（交流）電能的一種能量轉換裝置。

為什麼需要UPS？

市電電網提供的電力供應，看上去正常，可是不可靠:表面正常的電力，實際上危機四伏。

電源中斷

• 數據丢失，通信中斷，商機延誤......
• —— 直接損失以每分鐘5000-100000元計
• 設備停運，儀表失靈，手術中斷......
• —— 間接經濟損失無法估量

電源污染

• 瞬态尖峰、電源浪湧、高壓脈沖
• 造成服務器、路由器、磁盤陣列 等設備硬件損壞

• 諧波污染、線間噪聲、頻率漂移
• 造成網絡傳輸誤碼率大增，數據傳輸速度低下

UPS的四大功能

不停電功能——解決電網停電問題

交流穩壓功能——能解決網壓劇烈波動問題

淨化功能——解決電網與電源污染問題

管理功能——解決交流動力維護問題

UPS系統結構

監控平台也是UPS的最重要組成部分之一

UPS種類

按工作原理不同，UPS分為：

• 離線式（後備式UPS、互動式UPS）
• 在線式UPS

按供電體系不同，UPS分為：

• 單進單出UPS
• 三進單出UPS
• 三進三出UPS

按輸出功率不同，UPS分為：

• 微型 <6kVA
• 小型 6-20kVA
• 中型 20-100KVA
• 大型 >100kVA

按電池位置不同，UPS分為

• 電池内置式UPS（标準機型）
• 電池外置式UPS（長延時機型）

按多機運行方式不同，UPS分為：

• 串聯熱備份UPS（用于中小功率機器）
• 交替串聯熱備份UPS（中小UPS)
• 直接并聯UPS (用于中大功率）

按變壓器特點不同，UPS分為：

• 高頻UPS（高頻機）
• 工頻UPS（工頻機）

按輸出波形不同，UPS分為：

• 方波輸出UPS
• 階梯波（準正弦波）UPS
• 正弦波輸出UPS

UPS主要技術參數

輸入特性：

1、輸入電壓範圍 輸入電壓範圍寬可減小電池放電機會，延長電池壽命。

2、輸入功率因數 功率因數低，輸入無功功率大，諧波電流污染電網，影響幹擾其它設備。

3、主電源頻率允許範圍。

4、輸入電流諧波分量。（PFC、6/12脈沖變壓器）

輸出特性：

1、靜态穩定度。大型為1%，中小型為2%。

2、輸出瞬态特性。大型5%，中小型8%。

3、輸出過載能力。（如：過載125% 5MIN;150% 10S)

4、輸出功率因數。 （0.8、0.9、1）

5、輸出電壓諧波失真度。典型3%以内。

2UPS相關配置及計算

UPS系統基本由以下部分組成：

• UPS主機
• 必選功能件(如BCB BOX等)
• 蓄電池
• 配套電池櫃/架, 電池開關等
• 功能選件( 如防雷, 監控,諧波治理，上出線等)

需要進行的計算：

• UPS主機容量計算與選擇
• UPS後備電池的容量計算與選擇

UPS容量計算與選擇

首先獲得負載的總功耗,并統一單位到KVA

例如:一般個人計算機負載約200VA，小型服務器負載約1500VA，大中型服務器負載約3000VA

電流I(A安培)及 功耗W（瓦特）與VA的轉換關系

• VA= I*220
• VA= W/0.8(計算時通常考慮20KVA以下為0.7，20KVA以上為0.8)

考慮到UPS運行在60-80%的區間是最佳運行狀态,一般建議在計算時将上面的結果除以0.8再一次放大

然後在産品手冊中選取最靠近的功率産品

• 采用恒功率模式計算方式
• W/cell ＝ PL/(N×6×η)

3UPS配電系統基礎

空氣開關的類型

• 按照殼體大小和分斷能力分類：
• 1 空氣斷路器ACB Air Circuit Break（800-6300A）
• 常用容量：800/1000/1250/1600/2000…
• 2 塑殼斷路器MCCB Moulded Case Circuit Break（ 100-2000A ）
• 常用容量：100/125/160/200/250/320/400/500/630/800…
• 3 小型斷路器MCB Miniature Circuit Break（4-125A）
• 常用容量：10/16/25/32/40/50/63/80/100/125

空氣開關的類型

按照極數(pole)分類：

單極/1P（L）

雙極/2P（L/N）

三極/3P（L1/L2/L3）

四極/4P（L1/L2/L3 N）

按照極數(pole)分類：

配電用

電動機用

UPS開關容量的選擇

單相UPS的額定電流計算:

單相6KVA，額定輸出工作電流6KVA/220V=27.3A

輸入電流

• 考慮最低工作電壓160V
• 考慮充電容量預留15％（小UPS）
• 考慮效率90％
• 則輸入最大電流：6KVA×1.15/（160×0.9）=47.9A
• 選取開關為50A或63A

三相UPS的額定電流計算

額定輸出工作電流

• Hipulse U 120KVA為三相的總容量
• 每相額定容量為1/3，即120/3=40KVA
• 每相的額定工作電流：40KVA/220V＝181.8A
• 速算方法：120K/(3*220)，即為120×（1K/660）=120*1.5。
• 1.5為實際工作電流速算系數，工作電流=1.5×UPS容量
• 例子：120KVA UPS，額定輸出電流120×1.5＝180A
• 中型UPS考慮輸入最低工作電壓，大型UPS可以不考慮最低工作電壓
• 考慮充電容量預留25％（中大UPS）
• 考慮效率90％
• 則輸入容量速算系數：1.5×1.25/(0.9)＝2.08，近似2.0（因為25％的充電餘量非常大）
• 2為開關容量速算系數（大UPS），開關容量=2×UPS容量
• 例子：120KVA輸入電流：120×2＝240A，選用250A開關
• UL33及高頻機UPS，輸入電壓範圍非常寬，必須考慮滿載最低工作電壓（額定電源的75％）,
• 所以60KVA UPS的輸入開關：60×2/0.75＝160A，選160A
• 2.5為開關容量速算系數，開關容量=2.5×UPS容量

4UPS供電方案介紹

集中供電方式：

優點：可以實現網絡設備資源的等電位控制，減小傳輸誤碼率。

缺點：初期投資大，單機故障影響大。

分散供電方式：

優點：方案布置靈活，故障影響小。

缺點：如整個設備不能保持同地線，易引發幹擾。

單機供電

• UPS解決方案中最簡單的一種
• 每一分散地點交流供電系統容量多為6KVA以下
• 各點交流負載獨立地由一台UPS提供動力保護
• 市電通常就近采用插座輸入

主從機串聯“熱備份”

• 适合于中小型網絡、服務器群、辦公、儀表等應用場合
• 由UPS主機、UPS從機、電池系統、配電系統組成
• 配電設計和工程施工簡單

優點：

兩台甚至多台UPS基本處于相對獨立、互不幹擾的運行狀态。

對于UPS同步跟蹤性能要求較低。

采用不同型号、不同容量UPS構成串聯熱備份方式。

缺點：

從機長期處于空載運行狀态、效率低。

從機電池組長期處于浮充狀态，得到定期帶載放電維護機會少，會影響電池壽命。

從機必須有良好的帶階躍負載能力。

長期運行，主機逆變器=靜态旁路轉換功能良好是關鍵

無擴容功能。

相對于“并聯”冗餘系統平均無故障時間偏低。

模塊并聯供電

• 全部交流負載集中供電，由1台模塊化并聯UPS供電
• 模塊化UPS包括：機架、可并聯功率模塊、可并聯電池模塊、充電模塊等

• 适合于中小型網絡、服務器群、辦公、儀表等應用場合
• 由機架、UPS功率模塊、電池模塊、配電系統組成
• 功率模塊配置為N 1冗餘，減少了MTTR
• 共用輸入、輸出、并聯的電池系統、控制系統

N 1直接并聯冗餘

• 适合于中大型網絡、數據中心、大樓集中供電、工業廠礦等應用場合
• 由直接并機的N 1台UPS、電池模塊、配電系統組成
• 系統N 1冗餘，可靠性高于單機UPS
• 易于擴容，維護便捷
• 是應用最為廣泛的方案

優點：

完善的鎖相同步技術保證多台UPS直接并聯時可均分負載電流。

良好的擴容性能（N 1）

避免了“串聯”熱備份方式的缺點。

缺點：

對設備本身同步鎖相技術要求高

對設備制造技術要求高——輸出阻抗接近。

對逆變器輸出電壓調節性能要求高——分相調節

UPS必須同型号、同容量。

多台并聯時，旁路也需增加“均流電感”

雙母線

解決單母線運行方式存在的單點“瓶頸”問題。進一步提高系統可靠性。系統配置複雜，投資大，安裝調試要求高。