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UPS是英文 Uninterruptable PowerSupply 的缩写,中文译为“不间断电源”;它是能够实现两路电源之间不间断地相互切换的电气装置。 UPS:利用电池化学能等作为后备能量,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。 从严格意义上讲,UPS不是一种电源,它不是依靠能量形式的转换来提供电能,它只是提供一种两路电源之间无间断相互切换的机会,这才是UPS的主要设计思想;UPS的价格之所以昂贵,就是贵在这种不间断切换的特点上。 UPS系统组成:一个完备的UPS系统,是由UPS主机、电池、市电(发电机)、后台监控或网络监控软/硬件等单元共同组成的。 UPS的主要作用: ①两路电源之间的无间断相互切换; ②隔离作用:将瞬间间断、谐波、电压波动、频率波动以及电压噪声等电网骚扰阻挡在负载之前,即使电网中的骚扰不影响负载,又使负载对电网不会产生骚扰: ③电压变换作用:输入电压等于或不等于输出电压,如380V/380V,380V/220V,包括稳压作用: ④频率变换作用:输入频率等于或不等于输出频率,如50Hz/50Hz,50Hz/60Hz,包括稳频作用: ⑤提供一定的后备时间:UPS的电池贮存一定的能量,在电网停电或间断时继续供电一段时间来保护负载;后备时间为10分钟、30分钟、60分钟或更长。 ①和⑤是保证对负载供电的连续性;②、③和④是保证对负载供电的质量。 UPS的基本拓扑结构: GB/T7260.3描述了UPS的三种分类方法和拓扑结构: VFD级-被动后备式(Passive Standby-“Off-line” ):负载的电压V和频率F取决于电网电源(Depends);电压和频率都没有经过调整。 VI级-线交互式(Line Interactive):负载的电压V与电网电源无关(Independent);频率没有经过调整。 VFI级-双转换式(Double Conversion-“On-Line” ):负载的电压V和频率F都与电网电源无关(Independent);负载的电压和频率都是经过“再生”调整的(re-generated)。 IEC 62040-3/GB 7260.3定义: (1)被动后备式-VFD(Passive Standby,也称离线式OFF-Line) 组成:充电器,逆变器,电池,滤波器/调压器; 应用:小于2KVA的UPS; 优点:电路简单,价格便宜; 缺点:频率不能调节,切换时有间断。 (2)线交互式-VI (Line Interactive) 组成:静态开关,双向逆变器,电池,旁路开关。 应用:此种配置不太适合中-大功率和为敏感性负载的供电,因为无法进行频率的调节。 优点:电路简单,效率高; 缺点:频率不能调节,动态特性差。 对间断敏感的负载,有另外一种结构的UPS,特别提到静态开关作用(防止逆变器的电流进入电网)。 (3)双转换式-VFI (Double- Conversion,又称为在线式On-Line) 基本组成:整流器/充电器,逆变器,静态旁路开关,手动维修旁路开关,电池。 逆变器串联在交流输入与负载之间。 通过运行方式,引进旁路的概念。如果市电正常,整理逆变坏,也送不到负载,需要静态旁路,如果故障,引入手动旁路。 应用:在这种配置中,由于使用了静态开关,将负载切换到逆变器所需的时间可以忽略不计;而且,输出的电压和频率完全独立于输入电压和频率。这意味着这种类型的UPS可以被设计作为频率转换器使用。 实际上,这种类型是中大功率的主要配置(10KVA以上)。 注意:这种类型的UPS常常被称作“在线式”,这表示负载由逆变器连续供电而不管交流输入电源的状态如何。 优点:稳压稳频、切换无间断;缺点:价格昂贵。 UPS的组成: 一台在线式(双转换)UPS单线图。 UPS常用术语: 1、VA & W:UPS 的容量单位,VA 为视在功率,W为有功功率。 2、功率因数(PF):对一台设备有输入功率因数和输出功率因数两个不同的参数,功率因数绝对值介于0于1之间,它是W(有功功率)与VA(视在功率)之间的比数。输入功率因数越高表明UPS对电网利用效能越高。 从输出端考虑,输出功率因数越高则UPS带载能力越强。 例如:一台UPS的参数为:3000VA/2400W,可以知道输出功率因数为2400W/3000VA=0.8。 3、峰值因数(CF):指周期波形的峰值与有效值之比。 由于计算机性负载接受正弦波电压 会产生CF(介于2.4-2.6倍的电流),因此,UPS设计时常需能提供CF值3的规格,以满足电脑性负载的应用。 4、输入电压范围:UPS允许市电变化的范围,范围越大说明UPS适应性越好。 5、失真:失真分为波形失真,电压失真等,不论是体积失真,皆以百分比来计算,其失真的大小与谐波、电压、电流以及功率因数有关系。 6、效率(EFFICIENCY):是输出瓦特数与输入瓦特数之比,若此数越接近1,则显示其效率越好,以在线式UPS而言,一般的效率约为85%~90%之间,即输入1000W,输出约为850W~900W之间,UPS本身即消耗100W~150W的功率; 7、可靠性(MTBF):用来描述设备平均能正常工作的时间长短的参数,MTBF越大表示该设备的寿命越长。 8、高频机:利用高频开关技术,以高频开关元件替代整流器和逆变器中笨重的工频变压器的UPS俗称高频机,高频机体积小、效率高。 9、工频机:采用工频变压器做为整流器和逆变器部件的UPS俗称工频机,主要特点是主功率部件稳定、可靠、过负荷能力和抗冲击能力强。 10、无功功率:单位是 VA,它不为负载所吸收,因此称为无功功率,它组成了视在功率的另一部分。降低无功功率有利于提高电网的利用率。 11、有功功率:单位是W,是负载真正吸收转换的能量部分,它组成了视在功率的一部分。 UPS的不同运行方式: 单机系统: 优点:系统配置简单,硬件购置成本低;UPS系统得到充分的利用,因为UPS的容量和系统负载的容量接近。 缺点:UPS出现问题时系统的可用性降低。对UPS进行维护时系统将直接切换到市电供电;如果UPS故障,系统没有冗余;多单点故障系统。 串联运行: 提高UPS可靠性的方法-串联热备份: 可由两台不同容量的UPS组成,主机带重要负载,备机带次要负载或不带载;主机到备机的切换无间断。 优点:可靠性高;连接简单。 缺点:不能增容;过载能力不能增大;UPS不能充分利用。 并联运行: 提高UPS可靠性的方法-直接并联。 由2到4台单机型UPS组成,每台UPS具有各自的静态旁路,可实现: 并联冗余;并联增容。 优点:并联简单;不增大占地;价格适当;负载均分。是目前使用最多的运行方式。 公共旁路并联运行: 提高UPS可靠性的方法-公共旁路并联。 由2到6台同等容量的并联型UPS组成,采用大容量的公共静态旁路开关柜,以便实现:并联冗余;或并联增容。 优点:公共旁路过载能力大;可靠性高。 缺点:占地面积稍大;价格较贵。 UPS的配置方法: 个案中涉及到UPS配置的基本问题: 1.负载容量-决定配多大的UPS,多少台UPS; 2.负载的重要程度-决定UPS运行和配电方式; 3.所需要的后备时间-决定配置多大的电池; 4.对某些指标的特殊要求-决定UPS型号的选择或选项; 5.对某些性能或功能的特殊要求-决定配置哪些选项; 6.与UPS项目有关的工程(机房建设、配电建设、系统监控……)。 -决定自己独立完成或合作完成此项目。 1 UPS容量的确定: 1 )用户直接提出容量需求 可配置单机满足容量需求,可配置并机满足更大容量的需求。 2)用户只告诉你负载容量 认真了解实际负载量,并按高出负载的容量配置UPS。 高出的比例视负载性质决定1:1.2(1.3、1.5、2、2.5) 例:计算机类负载按1:1.3或1:1.4配置UPS;电动机类负载按1:2或1:3配置UPS。 2 负载的重要程度 1)单机:对重要程度一般的用户,可配置一台单机;例如对可以有计划停电或可以临时决定停电的用户。 2)并机:对单机无法满足容量需求的用户,用并机提高供电容量 3)冗余并机:对不允许停电或停电会造成经济、政治、社会各方面严重影响;和损失的用户需要配置冗余并机系统,提高供电可靠性 4)单机或并机双总线供电、分布冗余方式供电:用于对供电可靠性极高,对供电无理论单一故障点的需求单位。 案例介绍: 造价最低的无单一故障点,UPS系统: 造价较高的并机双总线,供电系统: 造价较高的大容量高可靠系统。 系统组成:中国银联数据中心UPS系统共由10台400KVA GALAXY UPS组成1000KVA 设计输出容量的双总线镜相冗余UPS系统,每套UPS系统由5台400KVA UPS组成(4+1)冗余,一期共安装6台,每套3台及一台2000KVA的公共静态旁路柜。 例:做一个UPS配置方案。 项目背景:山西某铁路段道路控制系统,此系统不是一般的运输调度而是对火车运行道路的控制。其负载设备是多台单电源服务器,总负载容量接近30KVA。设计单位要求提供UPS配置方案。 1 重要性判断-此项目比较重要,因为山西铁路线路繁忙,如控制系统瘫痪会发生撞车事故。 2 UPS系统采用冗余并机可以满足供电安全要求。 3 UPS容量选择2台40KVA; -还有哪些问题希望知道?气候条件、后备时间、运行环境、上游供电情况。…… UPS中的电池: UPS的额定直流电压可能是360、384…… 知道了直流电压就知道应配多少只电池 电池可能需要1组、2组…… 多组并联是为延长后备时间: 12V电池只数=额定电压/12;2V电池只数=额定电压/12×6。 例 1台Galaxypw UPS,每串电池由多少只12V,电池组成。 计算 384/12=32只。 UPS中的电池: 酸性电池每个单元电池(CELL)电压为2V; 由6个单元电池组成的一块电池(BATTERY),其端电压为12V; 由3个单元电池组成的一块电池,其端电压为6V; 碱性电池每个单元电池电压为1.2V; 碱性电池一般不做成电池组。 UPS的配置方案: 1 根据额定容量和后备时间配电池: 电池放电时提供的功率 P=S×PF/η 式中:P-有功功率;S-UPS视在功率; PF-UPS输出功率因数;η-电池放电时UPS效率(0.9-0.96之间)。 步骤:1)求出放电时每个单元电池应提供的功率; 2)查阅相应电池资料确定电池型号(容量)。 例 1台Galxy5000 120KVA UPS 配30分钟电池; 要求:电池选用MGE M2AL电池,应如何配置 已知Galaxy 5000 可以配(30-35)只12V电池;UPS直流电压下限为300V,暂且选择30只电池的配置。 1)电池放电时需要提供的功率为120KVA×0.8/0.96=100KW=100000W 每个单元电池需要提供的功率为100000/30/6=556W 查电池资料:要用恒功率放电的表格,要用1.7V终止电压的表格-讲请原因; 可知选用M2AL 12-100电池3串,共计90只电池可满足要求。 -说明查表步骤,以及数据有偏差时的处理。 2 根据实际负载和后备时间配电池 根据实际负载配置电池可节省投资,避免不必要的浪费;计算每只单元电池功率时,P为实际功率值,其他步骤相同。 电池计算一般性的方法如下: 一 需要确定和知道的条件: 1 UPS容量S 2 UPS输出功率因数PF 3 UPS直流关机电压Udcmin 4 电池供电时UPS效率η 5 环境温度15-25℃ 6 UPS额定直流电压U 7 每串电池单体电池个数N ( U=2*N) 8 所需要的后备时间 9 准备选用的电池型号 10该型号电池资料(需要单体电池恒功率放电时间表) 二 计算: 1 求单体电池放电终止电压=Udcmin / N 2 求电池需要提供的总功率P=S ×PF /η 3 求每个单体电池(2V)需要提供的功率P1=P/N 以下2步视需要计算 4 求每个电池组(12V)需要提供的功率,如P2=6*P/N 5 求每个电池组(6V)需要提供的功率,如P3=3*P/N 注:4 5 是在所提供的电池放电功率表是以每12V或每6V的情况下时才需要。 三 对照电池资料确定电池型号和数量: 根据以上计算结果,对照电池资料选择合适的电池。 电池资料中有多个表格,各表格对应不同的终止电压,我们所需要的表格应由上面计算出的Udcmin /N数值,即单体电池放电终止电压来确定。根据放电时间和所需功率确定对应的电池型号。 如果电池资料中也提供了6V和2V的表格,也可以根据自己的意愿选择单体2V或6V的电池。 UPS的日常维护: 以下项目在UPS调试时,已由 工程师检查过,但在日常巡检中应随时注意检查: 环境: 检查是否有可能阻塞UPS维护通道以及通风通道的杂物(盒子、包装箱或设备等); 检查室内通风是否正常,UPS的进风口和出风口是否被杂物或灰尘堵塞; 检查UPS机壳以及其他辅助柜是否已经可靠接地。 房间的类型: 应注意检查是否存在以下隐患: UPS严重积尘; 有腐蚀性气体或房间内相对湿度很高; UPS上方有水管,喷淋装置等; UPS室的排水(特别是安装于地下室内); 房间内可能产生导电的粉尘,如碳粉,金属粉末等; 室内温度受室外温度的影响很大(变化剧烈)。 温度的升高同时也会影响UPS机内电解电容的寿命。如果UPS室受外界环境影响,请特别注意温度差的影响; 测量温度: 如果安装环境的检查结果正常,则测量房间的温度(环境温度将决定UPS及其电池是否运行在最优的条件下)。 使用要点: 常见UPS可在35摄氏度的环境温度下连续运行,或在40摄氏度的环境温度下最长连续运行8个小时; 超过25摄氏度时,电池、交流直流电容以及风扇等部件的使用寿命将显著减少。 房间的通风: 首先注意房间通风的类型,包括:自然通风,空调或强制通风; 检查: 空调或风扇的温度阀值的设定; 检查UPS底部进风口通风是否通畅; 如果UPS室还需安装其他设备,应注意要考虑其热损耗和房间的通风。 通风结构和布局: UPS具有后背排风和顶部排风两种排风方式。 顶部排风可靠墙安装,但是为了方便维护,建议留有一定的安装距离。 房间的洁净度: 如果房间里灰尘很大,应立即进行清扫(注意:UPS机内的清洁度直接取决于UPS室的清洁度)。 提高UPS清洁度的措施:安装过滤网,安装空调系统,室内加压,地板刷漆。 UPS的维护使用技术及典型故障的处理: 目检: 检查UPS外壳、内部防护挡板均完好,且没有遗失。 清除堆放在UPS上的杂物或设备。 检查设备使用手册是否丢失。 检查UPS的洁净程度。 电气环境: 检查电缆的线径是否符合安装手册中的要求,或满足长期连续以额定电流运行的要求。 电缆线径的选择取决于:电流的大小;允许的电压降落。 50或60赫兹交流电路:3%; 直流电路:1%。 电缆允许的温升,取决于:电缆材质:铜或铝;电缆的摆放。 确定UPS上线和下线断路器的位置,各断路器应有标记或贴标签; 注意观察在操作断路器前是否还有其他的限制条件; 检查断路器的容量是否与安装手册中的相符并进行了正确的整定;(人身没有保护,断路器没有选择性,电缆过热,断路器频繁跳闸) 使用要点: 优先选用主输入与旁路输入分离的供电方式; 优先选用高质量的市电为UPS供电。 典型故障: UPS整流器故障导致负载供电中断: 电池放不出电(蓄电池寿命过早到期)。 旁路超限: UPS由发电机供电,引起频率或电压超限;市电电压超限, 问题一:主输入与旁路为同一路电,旁路电压报超限而整流器运行正常; 问题二:旁路电压在容限范围以内,而旁路依然报电压超限 旁路电压超限时的影响:UPS的切换将引起负载供电中断;此时,应注意控制负载。 电气测量: 测量工具:数字万用表和示波器。 一般巡检可参考显示屏给出的测量值。 故障:整流器故障的检测。 接地: 了解UPS上线、下线的接地制式 检测零地电压:UPS对零地电压不作调整。 典型故障: UPS输出零地电压高;(与UPS无关); 由于操作不当导致负载服务器电源板烧毁。(在UPS维护测试过程中应特别注意零线的状态) 零地电压升高的原因: 三相负载不平衡或负载富含谐波成分;“保护接零”和“保护接地“混接;零线电阻大或零线开路。 “保护接零”和“保护接地”混接: UPS内部组件的检测: 将负载不间断切换至由维修旁路供电,UPS完全下电后进行检查: 是否有过热现象;金属部分是否氧化; 检查不同的模块之间,电路板之间的连接,采样线、扁平电缆等的连接; 检查变压器、电抗器和电解电容的外观 检查功率连线的连接是否牢靠,避免接触不良引起的电缆局部过热损坏甚至UPS宕机。在不能停电检查的情况下,应使用红外线探测仪测量连接头的温度。 UPS的洁净度: 检查UPS内部及各个部件是否有积尘,必要时应进行UPS内部除尘。 UPS应定期进行除尘;除尘后应注意检查个部分的连接以及插接部件是否有松动。 UPS内部灰尘积累过多的危害在于: 机械器件或分断器件的故障;影响散热,危及系统的可靠性;减小绝缘间距。 温度: 检测电池室的温度;电池室的最优温度为15-25摄氏度。 使用要点: 电池建议安装在有空调的房间,房间的温度保持在15-25摄氏度;超过25摄氏度时,温度每升高10度,电池的寿命缩短一半。 电池的外观检查: 检查电池是否鼓胀,有裂纹或渗液; 检查电池的连接头是否松动或有腐蚀现象; 检查电池极柱是否严重被氧化或损坏; 对损坏现象进行评估,采取必要的措施。 检查电池组的绝缘: 断开电池断路器,分别测量电池正负极与电池柜(架)的金属支架之间的电压。 电池的参数: 例如: 品牌: 后备时间:10 mn; 类型:M2AL 12-100; 容量:100Ah; 电池只数:2×32; 调试时间 (1):15/07/00; (1)指整组电池的最初安装时间 注意电池的寿命以及显示屏上的电池后备时间。 电池电压的测量: 检测电池单体数量是否与充电电压(直流母线电压)相匹配: 合适的浮充电压; 向后面的负载(逆变器)供电的要求。 在进行电池电压测量时应确保: 对于后备时间为10分钟的电池至少应充电5个小时以上; 对于后备时间为30分钟的电池至少应充电8个小时以上。 查找有问题的电池: 用专用测量仪器测量电池的内阻 24Ah,小于12毫欧; 65Ah, 小于8毫欧。 使用放电器测量每块电池放电时的端电压 小于9V,电池损坏。 测量电池端电压: 前提:充电器正常运行,并假定充电器的电压是正确的。 计算电池组充电电压:U = Nc×Uc Nc:电池单体的数量 Uc:每个电池单体的电压l 计算每块电池的电压:Uth = Utotal/N N 电池的只数 测量每块电池的电压Un: 计算电压差 (Uth-Un); 如果电压差 >+ 或-6%,则该块电池可能损坏。 放电测试: 电池放电曲线:通常为恒功率放电…… 电池放电测试应当在确保负载安全的前提下进行: 已经用内阻仪或放电器对电池进行了检测; 或使用UPS自带的电池自动检测功能。 使用要点: 断开UPS主路输入断路器Q1进行日常电池放电维护; 进行电池放电测试同时也测试了以下内容: 带载充电测试。 获得较为准确的实际后备时间。 充电检测: 充电电流限流为0.1C10 避免电池大电流充电; 避免在高温下进行浮充电; 错误的观点: 充电电压越高越好; 免维护电池不用维护; 温度补偿可以避免热失控。 电池的使用: 维护是影响电池使用寿命的一个非常重要的参数。 电池的维护: 定期充放电; 定期检查电池以及电池室的状态(温度,通风等); 当电池寿命快到期时,应提早作好更换所有电池的准备;寿命已过期的电池应当及时更换; 不同的电池(容量,品牌、参数)不能混合使用,并且各组电池所处环境应尽可能一致; 电池的并联组数应限制在4组,最多不超过6组。 每日:坚持每日巡视,记录UPS状态和主要电气参数; 每季度:电池定期充放电,活化电池; 每年:1-2次维护保养。 每5年:更换交直流电容、风扇等备件;根据实际情况更换电池。 故障处理: 准确定位故障现象: 故障发生时应首先判断是UPS系统本身有问题还是外围配电系统或环境出现了问题;是UPS主机出了问题还是电池组有问题;是UPS正常报警还是UPS出现了故障。 报修时应如实、准确、详尽地反应故障现象; 与工程师的有效沟通有利于对故障的准确判断,缩短维修时间; 故障发生后切忌盲目加电重新启动; 盲目地加电重启将扩大故障范围,引起不必要的损失; 对UPS的操作必须严格按照操作手册进行,UPS的维修必须由厂商认可的技术人员完成。 严禁凭经验操作UPS;严禁根据其他品牌UPS操作规程或经验操作UPS。 UPS系统的应急方案: 1,熟悉UPS的操作,特别是维修旁路的操作。 2,能够清楚的描述出UPS的状态(电压、电流、电池电压、后备时间、报警信息、拓扑结构图的状态)。 3,熟悉UPS电源厂家的服务电话。 4,提前巡检,消除隐患(特别是潜在的隐患,电池、电容、风扇等)。 5,机房环境的维护。 |
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