UPS电源的发展与应用.doc

1、 哈尔滨工业大学成人高等教育学院专科毕业论文（设计） I摘 要随着现代科学技术的进步，计算机应用日趋广泛，原来应用于通讯系统的高可靠性的稳频、稳压工频电源，由于同时应用于计算机系统而得到了进一步发展。由于市电供电容易受到干扰，如因开关负载的操作、超载、雷电袭击等干扰而产生电压大幅度波动，或者产生长时间低电压、低频率输电，更甚者是整个电力供电应用中断，这样不但影响计算机系统的工作，而且有可能损坏设备内部的贵重元件或程序资料，因而使计算机系统长期不能恢复正常使用。而自从计算机问世以来，对其供电系统的研究，就成为保证计算机系统正常运行的重要课题。计算机类设备对供电系统的要求 是比较苛刻的，它不仅要求

2、供电系统提供高质量的电源，保证供电的连续性，还要求提供相应的环境物理条件和必要的系统安全保证措施，供电系统应有很高的可维护性和可管理性，以及能够适应计算机和网络系统不断发展变化的可扩展性。各种用电设备及电源装置产生的谐波电压和谐波电流，对市电电源是一种污染，随着各种政策法规的出台，对无污染的绿色 UPS 的呼声越来越高。要求 UPS 做到使用户负载既不受已污染的市电电源的影响，同时用户负载产生的谐波电压和谐波电流也不要污染市电。尤其是在大型工厂的自动化控制中，对供电的连续性要求尤为关键，为确保设备的安全使用，必须对控制设备安装 UPS 不间断电源，它在确保自动化控制器安全用电的同时，也保证了设

3、备安全和人身安全。关键词 UPS、电源污染、IGBT 、数字化控制、智能化哈尔滨工业大学成人高等教育学院专科毕业论文（设计） IIAbstractComputers are being used widely Along with the progress of the modern science and technology, The reliable and steady frequency electrical source which is used the communication system before is also being used in computer syst

4、em now, which make it further evolution. The utility power is easy to disturb by the operation of the load switch, overload, lightning attacks and low voltage. Meanwhile, the whole power supply application might be interrupt, which not only affect the work of computer system, but also damage the val

5、uable components in the equipment and programs. Thus the computer system cannot resume normal use for a long time.Since the advent of the computer, power supply system research, become guarantee the normal operation of the computer system is an important subject. Computer class of equipment for powe

6、r supply system requirement is quite harsh, it requires not only provides the high quality of the power supply system, guarantee the continuity of the power supply, still ask to provide corresponding environmental physical conditions and the necessary system security assurance measures, power supply

7、 system should have high “maintainability“ and “manageability“, and can adapt to the computer and network system constant development and change of “expansibility“. All kinds of electrical equipment and power apparatus produces harmonic voltage and harmonic current, power of time. it is a kind of po

8、llution, with various policies and regulations and the introduction of pollution-free green UPS growing calls. Request UPS do user load neither be contaminated utility power supply, the effect of user load produced harmonic voltage and harmonic current nor pollution utility. Especially in large fact

9、ory automation control, the continuity of the requirements of the power supply was key to ensure the safety equipment use, it is necessary to control equipment installation UPS, it in a safe manner in ensuring automation controller, but also ensure the equipment safety and security of person. Keywor

10、ds UPS, power source pollution, IGBT, digital control and intelligent.哈尔滨工业大学成人高等教育学院专科毕业论文（设计） III目 录摘 要 .IAbstract .II目 录 .III第 1 章 前言 .1第 2 章 概 述 .32.1 电网的干扰、危害以及解决方案 .32.2 UPS 的功能 .4第 3 章 UPS 电源系统 .53.1 电源工作原理 .53.2 电源工作过程 .6第 4 章 UPS 电源和 EPS 电源主要区别 .7第 5 章 UPS 电压种类和发展 .85.1 传统 的 UPS.85.2 微处理器数字

11、化控制 .95.3 控制实施通道 .95.4 高速数据处理结构 .105.5 控制和诊断软件 .105.6 电池自动测试与维护系统 .10第 6 章 提高 UPS 可靠性的方法 .116.1 主/从串联热备方式 .116.2 初级式并联 .126.3 高级并联方式 .13第 7 章 提高 UPS 的可用性 .157.1 降低 UPS 的平均修复时间 .157.2 集成化 UPS 系统 .16哈尔滨工业大学成人高等教育学院专科毕业论文（设计） IV第 8 章 UPS 与网络和数据 .188.1 高可靠性 .188.2 高抗干扰性 .188.3 具有防雷击及抗浪涌的功能 .198.4 过载能力强

12、.198.5 智能化监控 .19第 9 章 UPS 的控制技术 .209.1 DSP 的应用 .209.2 控制电路的全微处理器化 .209.3 蓄电池技术 .219.4 UPS 的冗余技术和在线维护 .219.5 智能化 UPS 的管理系统 .229.6 智能化的 UPS 应具备的功能 .22第 10 章 UPS 的维护 .2410.1 第一次开机 .2410.2 日常开机 .2410.3 关机 .2410.4 UPS 电源系统使用注意事项 .2410.5 日常维护与检修 .25结 论 .28致 谢 .29参考文献 .30哈尔滨工业大学成人高等教育学院专科毕业论文（设计） 1第 1 章 前言

13、在现在的许多大型企业里保证任何情况下的正常供电，是冶金行业的重要基础。为此，除工业电网正常供电外，还需配备 UPS 供电系统。UPS 电源是保障供电稳定和连续性的重要设备，冶金行业中，工厂的网络一般被分为现场传动级，基础自动化级，过程控制级，生产管理级，它们之间相互的数据交换确保了实时控制的准确性，由于工作现场环境的不确定性，常常会造成计算机供电系统的破坏，使控制数据下放不下去，造成在轧钢生产中很大的损失。所以，在 TDC、PLC 等自动化控制起的组成部分里，加了许多 UPS 电源，来防止设备突然掉电。虽说各企业配置的 UPS 供电系统设备型号及系统容量有所不同，但其原理和主要功能基本相同。在

14、 UPS 电源类型选择上各站都选择了在线式，这时因为在线式 UPS 电源系统具有对各类供电的零时间切换，自身供电时间的长短可选，并具有稳压、稳频、净化的特点。 计算机和网络系统的供电以市电为主。影响供电质量的客观因素一方面是一个地区的发电机总装机容量和配电水平、供电网络结构和配电设备以及维护管理自动化水平的落后，是供电质量差、可靠性低的重要原因；另一方面是各种不同性质的负载，特别是一些大容量感性、容性、冲击性、非线性的负载，对电网造成污染，使电网电压的幅值变化、波形畸变、频率漂移；另外，自然或人为的原因，如地震、雷击、输变电系统断路或短路等，都会危害电力的正常供应，从而影响负载设备的正常运行。

15、供电系统除了要向负载提供高质量的电源外，保证供电的连续性已经成为重要的不可缺少的功能，不间断供电系统(UPS)就是在这种形势下应运而生的。UPS 供电系统从产生到现在已有几十年的发展历程，在技术不断发展和改进的过程中，其保护功能也在不断地发生变化，特别是在网络技术高速发展的今天，这种变化就更明显，图 1 显示了这个变化过程。1998 年以前着重追求对硬件的保护，1998 年开始，更多的用户把电源对数据的保护要求放在了最重要的地位。哈尔滨工业大学成人高等教育学院专科毕业论文（设计） 2图 1 供电系统保护功能的变化哈尔滨工业大学成人高等教育学院专科毕业论文（设计） 3第 2 章 概 述近几年，以

16、计算机网络技术，现代全球化通信技术而带动起来的信息产业的飞速发展，计算机和通讯设备等绝大部分是非线性负载。一方面他们在运行过程中产生的“谐波污染” 造成电网的供电质量普遍恶化。另一方面，一些重要的用电部门（如钢铁行业、银行、机场）和一些重要的用电设备（如计算机、通信设备）对供电质量要求越来越高。电网电压和频率的急剧波动，供电的瞬时和长时中断，在电网上出现的各种人们无法预料和控制的干扰和高能浪涌都有可能造成计算机的硬件损坏或导致计算机错误或资料丢失，造成事故。为了满足一些设备对电源的高要求，UPS 电源系统在各行业发挥着越来越重要的作用，被人们誉为计算机信息的保护神，在世界迈进信息时代之后，信息

17、的安全问题已经被人们广泛关注，因此在这种时代背景中，UPS 的发展趋势引起业界的高度重视是顺理成章的。UPS 电源以它能向用户提供具有如下优点的高质量电源而独领风骚：输出电源的精度高，工作频率稳定，电压失真小的纯正正弦波电源，输出波形不存在干扰以及不管市电供电是否正常，它都能在无时间中断的条件下向用户提供高质量的交流电源。而且，由于高智能的芯片及先进的 IGBT 驱动脉宽调制技术的出现，目前 UPS 电源的可靠性达到极高的水平。2.1 电网的干扰、危害以及解决方案造成电源污染的因素除了众所周知的电压波动，频率变化外，还有来自电网外部、内部的各种噪声和干扰。它们主要有以下几种：（1）电压浪涌：电

18、压浪涌是指在一个周期或多个周期内，电压超过额定电压的 110%。比如重型设备的关机，由于电网中电流忽然消失，其线路电感反电动势会造成电压上升，线路电阻上电压降忽然消失也会造成电压上升。（2）电压尖峰：电压尖峰是指二分之一周期至 100ms 期间内，叠加达 60KV 以上的电压脉冲。这主要由雷电、开关操作、电弧式故障和静电放电等因素造成的（3）电压瞬变：电压瞬变是指在 10ms 至 100ms 期间，叠加在市电电压上达 2KV 的脉冲电压，它产生的原因和电压尖峰大致相同；只是在量上面有区别。（4）噪声电压：噪声电压是指叠加在工频电压上的幅度低而频率哈尔滨工业大学成人高等教育学院专科毕业论文（设计

19、） 4范围宽的高频分量。这种现象在电网中很普遍，一般是由电机电刷打火，继电器动作，广播发射，微波空中传播，电弧焊接，远距离雷电等引起的。（5）过压：过压是指超过电网电压正常有效值一定数量的稳定高电压。一般由接线错误，电厂或电站误调整，附近重型设备关机引起。对单相电压而言，也可能是由于三相负荷不平衡或中线接地不良等原因造成的。（6）电压跌落：电压跌落是指一个或多个周期内的电压低于额定电压有效值的 80%85%。这主要是由于附近重型设备的启动或电动机启动造成的。（7）欠压：欠压是指低于正常市电有效值一定值的稳定电压。这主要是由过载而造成的电网电压降低。（8）电源中断：电源中断是指超过一个周期的无电

20、状态。消除这些电网公害影响的方法，一方面是制定有关的法规，如国际电工技术委员会制定的标准 IEC5552 和 IEC1000-3-2，欧洲标准ASE3600 以及美国标准 IEEE519 都对用电器给公共电网带来的危害进行了限制；另一方面就是人们用了几十年的时间来寻找解决的方法，最后才创造出 UPS 这样的新型设备，使电网和用电器隔离，既避免了负载对电网产生干扰，又避免了电网中的干扰影响负载。2.2 UPS 的功能（1）双路电源之间的无间断相互切换功能；（2）隔离功能；（3）电压变换功能；（4）频率变换功能；（5）后备功能。哈尔滨工业大学成人高等教育学院专科毕业论文（设计） 5第 3 章 UP

21、S 电源系统UPS 电源系统由 4 部分组成：整流、储能、变换和开关控制。其系统的稳压功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高频开关整流器，本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能，从而当外电发生变化时（该变化应满足系统要求），输出幅度基本不变的整流电压。净化功能由储能电池来完成，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。储能电池除可存储直流直能的功能外，对整流器来说就象接了一只大容器电容器，其等效电容量的大小，与储能电池容量大小成正比。由于电容两端的电压是不能突变的，即利用了电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干扰，起到了净化功能，也称对干扰的屏蔽。频率的稳定则由变

22、换器来完成，频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度。为方便 UPS 电源系统的日常操作与维护，设计了系统工作开关，主机自检故障后的自动旁路开关，检修旁路开关等开关控制。 在电网电压工作正常时，给负载供电如所示，而且，同时给储能电池充电；当突发停电时，UPS 电源开始工作，由储能电池工给负载所需电源，维持正常的生产（如粗黑所示）；当由于生产需要，负载严重过载时，由电网电压经整流直接给负载供电。 UPS 电源系统主要分两大部分，主机和储能电池。额定输出功率的大小取决于主机部分，并与负载属那种性质有关，因为 UPS 电源对不同性能的负载驱动能力不同，通常负载功率应满足 UPS 电源 70的额定功

23、率。储能电池容量的选取当负载功率确定后主要取决其后备时间的长短，这个时间因各企业情况不同而不同，主要由备用电源的接入时间来定，通常在几分钟或几个小时不等。莱钢中小型棒材生产线因生产需要不允许断电，因此，UPS 电源系统在检测到电网电压中断后，可自行启动供电，且随着储能电池慢慢放电，储能电池的容量随着时间会逐渐降低，考虑到寿命终止时储能电池容量下降到 50并留有一定的余量，我厂 UPS 电源系统的工作时间当储能电池满容量时为 2 小时，半容量为 1小时。 3.1 电源工作原理 AC-DC 变换：将电网来的交流电经自耦变压器降压、全波整流、滤波变为直流电压，供给逆变电路。AC-DC 输入有软启动电

24、路，可避免开机时对电网的冲击。 哈尔滨工业大学成人高等教育学院专科毕业论文（设计） 6DC-AC 逆变电路：采用大功率 IGBT 模块全桥逆变电路，具有很大的功率富余量，在输出动态范围内输出阻抗特别小，具有快速响应特性。由于采用高频调制限流技术，及快速短路保护技术，使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路，均可安全可靠地工作。 控制驱动：控制驱动是完成整机功能控制的核心，它除了提供检测、保护、同步以及各种开关和显示驱动信号外，还完成 SPWM 正弦脉宽调制的控制，由于采用静态和动态双重电压反馈。极大地改善了逆变器的动态特性和稳定性。3.2 电源工作过程 当市电正常 380Vac 时，直流主

25、回路有直流电压，供给 DC-AC 交流逆变器，输出稳定的 220Vac 交流电压，同时市电对电流充电。当任何时候市电欠压或突然掉电，则由电池组通过隔离二极管开关向直流回路馈送电能。从电网供电到电池供电没有切换时间。当电池能量即将耗尽时，不间断电源发出声光报警，并在电池放电下限点停止逆变器工作，长鸣告警。不间断电源还有过载保护功能，当发生超载（150%负载）时，跳到旁路状态，并在负载正常时自动返回。当发生严重超载（超过 200%额定负载）时，不间断电源立即停止逆变器输出并跳到旁路状态，此时前面空气开关也可能跳闸。消除故障后，只要合上开关，重新开机即开始恢复工作。为使不间断电源充分工作，避免在过载或欠载下运行，电源在开机前，首先计算负载容量。FR-UK 型不间断电源（标称额定功率）80%的阻性负载设计负载能力，一般带计算机负载时可承受的按下式估算： i=1 n PiP 其中 P 为不间断电源输出容量（VA），P 为第 i 个负载伏安数 每套 PLC 功率： 220V*0.5=110VA 每台操作站功率： 220V*2A=440VA IBM PC 客户机及服务器： 220V*1.5A=330VA 则总功率：10*110VA+4*440VA+11*330VA=6490VA 6490VA/0.8=8112VA