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1UPS的基本原理及主要技术参数

什么是UPS？

利用电池化学能作为后备能量，在市电断电等电网故障时，不间断地为用户设备提供（交流）电能的一种能量转换装置。

为什么需要UPS？

市电电网提供的电力供应，看上去正常，可是不可靠:表面正常的电力，实际上危机四伏。

电源中断

• 数据丢失，通信中断，商机延误......
• —— 直接损失以每分钟5000-100000元计
• 设备停运，仪表失灵，手术中断......
• —— 间接经济损失无法估量

电源污染

• 瞬态尖峰、电源浪涌、高压脉冲
• 造成服务器、路由器、磁盘阵列 等设备硬件损坏

• 谐波污染、线间噪声、频率漂移
• 造成网络传输误码率大增，数据传输速度低下

UPS的四大功能

不停电功能——解决电网停电问题

交流稳压功能——能解决网压剧烈波动问题

净化功能——解决电网与电源污染问题

管理功能——解决交流动力维护问题

UPS系统结构

监控平台也是UPS的最重要组成部分之一

UPS种类

按工作原理不同，UPS分为：

• 离线式（后备式UPS、互动式UPS）
• 在线式UPS

按供电体系不同，UPS分为：

• 单进单出UPS
• 三进单出UPS
• 三进三出UPS

按输出功率不同，UPS分为：

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

按电池位置不同，UPS分为

• 电池内置式UPS（标准机型）
• 电池外置式UPS（长延时机型）

按多机运行方式不同，UPS分为：

• 串联热备份UPS（用于中小功率机器）
• 交替串联热备份UPS（中小UPS)
• 直接并联UPS (用于中大功率）

按变压器特点不同，UPS分为：

• 高频UPS（高频机）
• 工频UPS（工频机）

按输出波形不同，UPS分为：

• 方波输出UPS
• 阶梯波（准正弦波）UPS
• 正弦波输出UPS

UPS主要技术参数

输入特性：

1、输入电压范围 输入电压范围宽可减小电池放电机会，延长电池寿命。

2、输入功率因数 功率因数低，输入无功功率大，谐波电流污染电网，影响干扰其它设备。

3、主电源频率允许范围。

4、输入电流谐波分量。（PFC、6/12脉冲变压器）

输出特性：

1、静态稳定度。大型为1%，中小型为2%。

2、输出瞬态特性。大型5%，中小型8%。

3、输出过载能力。（如：过载125% 5MIN;150% 10S)

4、输出功率因数。 （0.8、0.9、1）

5、输出电压谐波失真度。典型3%以内。

2UPS相关配置及计算

UPS系统基本由以下部分组成：

• UPS主机
• 必选功能件(如BCB BOX等)
• 蓄电池
• 配套电池柜/架, 电池开关等
• 功能选件( 如防雷, 监控,谐波治理，上出线等)

需要进行的计算：

• UPS主机容量计算与选择
• UPS后备电池的容量计算与选择

UPS容量计算与选择

首先获得负载的总功耗,并统一单位到KVA

例如:一般个人计算机负载约200VA，小型服务器负载约1500VA，大中型服务器负载约3000VA

电流I(A安培)及 功耗W（瓦特）与VA的转换关系

• VA= I*220
• VA= W/0.8(计算时通常考虑20KVA以下为0.7，20KVA以上为0.8)

考虑到UPS运行在60-80%的区间是最佳运行状态,一般建议在计算时将上面的结果除以0.8再一次放大

然后在产品手册中选取最靠近的功率产品

• 采用恒功率模式计算方式
• W/cell ＝ PL/(N×6×η)

3UPS配电系统基础

空气开关的类型

• 按照壳体大小和分断能力分类：
• 1 空气断路器ACB Air Circuit Break（800-6300A）
• 常用容量：800/1000/1250/1600/2000…
• 2 塑壳断路器MCCB Moulded Case Circuit Break（ 100-2000A ）
• 常用容量：100/125/160/200/250/320/400/500/630/800…
• 3 小型断路器MCB Miniature Circuit Break（4-125A）
• 常用容量：10/16/25/32/40/50/63/80/100/125

空气开关的类型

按照极数(pole)分类：

单极/1P（L）

双极/2P（L/N）

三极/3P（L1/L2/L3）

四极/4P（L1/L2/L3+N）

按照极数(pole)分类：

配电用

电动机用

UPS开关容量的选择

单相UPS的额定电流计算:

单相6KVA，额定输出工作电流6KVA/220V=27.3A

输入电流

• 考虑最低工作电压160V
• 考虑充电容量预留15％（小UPS）
• 考虑效率90％
• 则输入最大电流：6KVA×1.15/（160×0.9）=47.9A
• 选取开关为50A或63A

三相UPS的额定电流计算

额定输出工作电流

• Hipulse U 120KVA为三相的总容量
• 每相额定容量为1/3，即120/3=40KVA
• 每相的额定工作电流：40KVA/220V＝181.8A
• 速算方法：120K/(3*220)，即为120×（1K/660）=120*1.5。
• 1.5为实际工作电流速算系数，工作电流=1.5×UPS容量
• 例子：120KVA UPS，额定输出电流120×1.5＝180A
• 中型UPS考虑输入最低工作电压，大型UPS可以不考虑最低工作电压
• 考虑充电容量预留25％（中大UPS）
• 考虑效率90％
• 则输入容量速算系数：1.5×1.25/(0.9)＝2.08，近似2.0（因为25％的充电余量非常大）
• 2为开关容量速算系数（大UPS），开关容量=2×UPS容量
• 例子：120KVA输入电流：120×2＝240A，选用250A开关
• UL33及高频机UPS，输入电压范围非常宽，必须考虑满载最低工作电压（额定电源的75％）,
• 所以60KVA UPS的输入开关：60×2/0.75＝160A，选160A
• 2.5为开关容量速算系数，开关容量=2.5×UPS容量

4UPS供电方案介绍

集中供电方式：

优点：可以实现网络设备资源的等电位控制，减小传输误码率。

缺点：初期投资大，单机故障影响大。

分散供电方式：

优点：方案布置灵活，故障影响小。

缺点：如整个设备不能保持同地线，易引发干扰。

单机供电

• UPS解决方案中最简单的一种
• 每一分散地点交流供电系统容量多为6KVA以下
• 各点交流负载独立地由一台UPS提供动力保护
• 市电通常就近采用插座输入

主从机串联“热备份”

• 适合于中小型网络、服务器群、办公、仪表等应用场合
• 由UPS主机、UPS从机、电池系统、配电系统组成
• 配电设计和工程施工简单

优点：

两台甚至多台UPS基本处于相对独立、互不干扰的运行状态。

对于UPS同步跟踪性能要求较低。

采用不同型号、不同容量UPS构成串联热备份方式。

缺点：

从机长期处于空载运行状态、效率低。

从机电池组长期处于浮充状态，得到定期带载放电维护机会少，会影响电池寿命。

从机必须有良好的带阶跃负载能力。

长期运行，主机逆变器=静态旁路转换功能良好是关键

无扩容功能。

相对于“并联”冗余系统平均无故障时间偏低。

模块并联供电

• 全部交流负载集中供电，由1台模块化并联UPS供电
• 模块化UPS包括：机架、可并联功率模块、可并联电池模块、充电模块等

• 适合于中小型网络、服务器群、办公、仪表等应用场合
• 由机架、UPS功率模块、电池模块、配电系统组成
• 功率模块配置为N+1冗余，减少了MTTR
• 共用输入、输出、并联的电池系统、控制系统

N+1直接并联冗余

• 适合于中大型网络、数据中心、大楼集中供电、工业厂矿等应用场合
• 由直接并机的N+1台UPS、电池模块、配电系统组成
• 系统N+1冗余，可靠性高于单机UPS
• 易于扩容，维护便捷
• 是应用最为广泛的方案

优点：

完善的锁相同步技术保证多台UPS直接并联时可均分负载电流。

良好的扩容性能（N+1）

避免了“串联”热备份方式的缺点。

缺点：

对设备本身同步锁相技术要求高

对设备制造技术要求高——输出阻抗接近。

对逆变器输出电压调节性能要求高——分相调节

UPS必须同型号、同容量。

多台并联时，旁路也需增加“均流电感”

双母线

解决单母线运行方式存在的单点“瓶颈”问题。进一步提高系统可靠性。系统配置复杂，投资大，安装调试要求高。

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