UPS不间断电源项目设计方案文档格式.docx
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动态UPS设备庞大笨重、操作不够灵活、而且效率低、噪声大。
图1-1早期UPS典型框图
随着电力电子学(功率电子学)的发展,为实现大功率的电能转换,于是出现了静态UPS,它的主电路和控制电路均采用半导体器件,它也是目前绝大多数概念中的UPS,其典型框图如图1-2所示。
其基本原理是:
市电输入经整流器将交流电变成直流电,一方面给蓄电池组充电,另一方面为逆变器提供能量,再将直流电变成交流电经转换开关送到负载;
当逆变器发生故障时,另一路备用电源(旁路电源)经过转换开关实现向负载供电。
图1-2静态UPS典型框图
静态UPS的工作方式有在线式和后备式(OnlineandOffline),两者主体结构大体相同,只是后者在市电正常时工作在旁路(Bypass),而前者只有当逆变器故障或过载时才由旁路电源供电。
一般来说,从性能上讲,在线式优于后备式;
从容量上讲,后备式一般不大于3KVA,而在线式不受此限制,目前单机容量可以做到600KVA以上,比如M.G,EXIDE,SOCOMEC等公司。
UPS的装机容量正不断扩大,并联成为扩大容量或者冗余系统的必然方法。
比如M.G,EXIDE等公司的UPS机内信号用微机处理、通讯采用普通信号,而SIEL公司采用光纤通讯〔OSC系统),从而实现多台UPS的同相同幅、均负载的功能。
由于单相进单相出给市电配电带来极大困难,于是出现了三相入单相出(3/1)的UPS,其最大容量可达60KVA以上,这种单相输出的UPS在切换到旁路时、满负载情况下市电对应的一相将严重超载,因此厂家推出了三相入三相出的UPS产品,而且有三相负载100%不平衡产品,如IPM,SOCOMEC,BORRI,MEISSNER,SAVIN,VICTRON等公司的UPS产品。
为改善后备式UPS的供电质量,人们研制了净化UPS,即将净化电源加在旁路电源上,如国产宝合UPS产品。
结合后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点,人们提出了三端口UPS。
它使得离线式和在线式有机结合在一起,产品如APC、BEST、DELTEC、休康等。
近期又出现了不间断蓄电池系统UBS(UninterruptedBatterySystem),见图1-3所示。
它结合了动态UPS和静态UPS的优点,只是噪声稍大,主要应用于特殊场合,如野外、地下室等环境恶劣的场所。
图1-3UPS典型框图
1.1.2UPS的发展前景
从以上UPS的发展历程可看出,UPS从当初单一的动态存储式到今天多类型多品种动态、静态、动静结合、在线式、后备式(离线式)、后备在线交叉式等。
随之,UPS的应用领域也从当初单一的计算机用户发展到今天计算机系统、网络系统在内的能源(如电力)、医药、农林、交通、天文、地理、通讯系统(如网络通讯)等领域;
后备时间从当初的几秒钟到今天的几小时、几十小时甚至更常的时间;
特别是从技术内含意义上讲,从当初单一的机械式到今天包罗了当代全部的电子技术:
从微电子学到功率电子学,从线性电路到数字电路,从计算机硬件到软件,从电信号通讯到光纤通讯以及机电一体化技术。
随着微电子技术和电力电子技术的不断发展,电源技术的高频化、模块化、数字化、绿色化成为发展趋势,UPS不间断电源也不例外。
电力电子功率器件的高频化和模块化使得UPS电源产品的体积和重量大大减小,而可靠性和效率得以提高,可带来显著节能、降耗的可观经济效益。
微处理器软硬件的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。
从而为UPS电源产品的数字化、智能化提供了坚实的基础。
随着人们对环境保护意识的加强,电源系统的绿色化概念被提出。
所谓电源绿色化首先是显著节能,因为节电可以减少发电对环境的污染;
其次是电源不能(或少)对电网产生污染。
事实上许多功率电子节能设备往往是电网的污染源:
向电网注入严重的谐波电流,使得总的功率因素下降,使电网电压产生毛刺尖峰甚至畸变。
20世纪末各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了功率因数校正PFC(PowerFactorCorrector)方法,为21世纪UPS电源产品的绿色化奠定了基础。
由此可看出,UPS已当之无魄成为当代高科技成员,而且正随着电力电子技术、计算机技术、网络技术等相关技术的发展而不断发展。
1.2本课题研究的目的和意义
早期的UPS产品因电子技术及相关技术、工艺水平等方面的限制,备用时间短,智能性差,所以主要作为计算机的备用电源,其它行业涉及较少,因而普及率很低。
但是,随着微型计算机应用的日益普及和信息处理技术的不断发展,人们对供电的质量要求越来越高。
这是因为在微型计算机特别是企、事业单位的计算机网络运行期间供电的中断,将会导致随机存储器中数据的丢失和程序的破坏,有时甚至会使磁盘盘面及磁头遭到损坏,造成难以弥补的损失。
不但如此,随着国民经济的发展,生产力水平的提高各行各业的许多关键设备对电源的要求也是如此。
于是高性能、高可靠性UPS越来越受到人们的关注。
从国防、航天、科研到医疗卫生、工农业生产、交通运输,从银行证券到商贸销售,从通讯行业直至以信息高速公路为代表的新兴信息产业(IT),无不用到UPS不间断电源。
而且,随着电子技术的发展,特别是计算机技术及计算机网络技术的发展,人们对UPS的要求越来越高:
不但要求供电质量高,而且要求智能化,这也是科学技术发展的必然趋势。
人们希望将现代电子技术、信息技术、控制技术、计算机网络技术等UPS相关技术应用于UPS不间断电源,使UPS电源供电系统变得越来越完善,对各种性质的负载适应性更强,产品种类更齐全。
实际上,UPS经过近四十年的发展至今,性能指标基本相似,不同点在于功能上的拓宽、创新及可靠性的高低。
PWM(脉宽调制)技术和功率晶体管及组合管、功率MOS管、IGBT等己被UPS普遍采用,从而降低了UPS的可闻噪声,提高了效率和可靠性。
特别是自80年代以来,微处理器技术、计算机技术、网络工程的迅猛发展,并引入UPS领域,大大拓宽了UPS的功能。
显示方式从数码显示到液晶显示,使得人机“对话”更加方便。
利用CPU的强大处理功能,可做到自动诊断、自动开关机、自动打印运行记录,起到监控、管理系统的作用。
随着UPS在计算机网络中的应用不断发展,UPS不再是单纯供电、仅仅保护服务器,而是强调以整个网络为保护对象。
用户希望UPS保护的对象不再是特定的运算设备为主,而是让网络在电源出现异常时,仍然可以继续工作而不中断。
因此,UPS监控防护软件是UPS的新发展,这种软硬件的新搭配有助于大幅度提高UPS的功能,使其趋向人性化;
同时大大拓宽了UPS在计算机及网络中的应用。
智能UPS就是在这种形势要求下发展起来的。
所谓智能UPS就是将传统UPS通过与PC上位机相连的硬件接口,结合特殊设计的软件(称为监控软件)以提供电源和资料的双重保护。
因此监控软件是UPS智能化的关键部分。
目前UPS各大厂家都将UPS的监控软件作为产品竟争力的一个重要筹码。
UPS不间断电源本身是集数字与模拟技术、数字通讯技术、电力电子技术、微处理器及软件编程等技术于一体的密集型电子产品。
另外,随着微处理器和计算机应用的普及,将其引入UPS系统,研制智能UPS是UPS发展的必然趋势。
UPS的发展,并由此推动与之相关技术的发展,这也是我选择本课题的初衷之一。
1.3本课题的任务和要求
1.3.1本课题的任务
本课题的任务是研究设计出新一代微机控制的可应用于网络的20KVA的智能UPS系统。
UPS主电源包括整流/充电器、逆变器、旁路电源(静态旁路电源和维修旁路电源)三大部分组成。
1.3.2本课题的要求
1.UPS输入设计要求:
(1)输入电压:
380V10%(三相四线制),频率50HZ15%;
(2)输入容量能同时满足蓄电池均充和逆变器满载运行要求;
(3)功率因>
0.8.
2.UPS输出设计要求
(1)三相输出电压380V2%,输出频率500.5%,并在一定范围内可调(电压正负5%,频率正负2HZ);
(2)输出功率大于额定功率(20KVA);
(3)过载能力125%--150%;
(4)谐波失真度<
7%。
3.其他设计要求
(1)总效>
0.75,总功率因数>
0.8;
(2)软启动功能;
(3)逆变器与后备静态旁路锁相同步,两者切换时间100us;
(4)具有功能指示和故障报警功能;
(5)具有自保护功能;
(6)具有RS232通讯接口,可远程监控、管理;
第二章系统整体设计方案
UPS不间断电源装置不间断供电的含义就是指当交流输入电源(市电)发生异常或断电时,电源装置能继续向负载供电,而且能保证供电质量,使负载供电不受影响。
实现此目的的交流不间断UPS电源的基本组成如图2-1所示:
图2-1UPS基本组成框图
在此基本组成电路中,当市电发生断电或异常时,关键在于使用蓄电池放电,以蓄电池代替整流器,向逆变器提供直流输入从而保证负载供电的不间断和质量。
如果深入地扩展分析,要保证负载的不间断供电和负载的供电质量,就必须增强UPS电源装置的可靠性,因为只有电源装置的可靠性提高了,才能使负载供电不间断和质量得到充分保证,这就要从UPS电源装置的结构和形式来考虑其设计方案。
下面在分析不间断供电的原理的基础上,提出本课题的整体设计方案。
2.1UPS电源不间断供电的原理
2.1.1负载间断供电的原因
造成负载间断供电的原因有很多,概括起来,主要有:
1)交流输入电源(市电)突然发生停电。
造成这种突然停电的原因较多,如:
用户发生故障或事故,造成电源跳闸;
雷击造成短路而跳闸,或者由于雷击引起输电线断裂;
鸟害引起断裂而跳闸;
台风或龙卷风将输电线刮断等。
2)交流输入电源发生瞬间停电。
3)电源装置发生故障而中断供电。
因此,解决负载不间断供电须从以上三方面主要原因入手。
2.1.2不间断供电的原理
从UPS基本组成原理图2-1可看出,
(1)在交流输入电源正常的情况下,整流器一方面为逆变器提供直流输入电压,同时另一方面向蓄电池充电,使蓄电池储存能量;
一旦交流输入电压发生异常或断电、或者整流器发生故障时,整流器就无直流输出,这时蓄电池自动代替整流器向逆变器提供直流输入电压,逆变器仍能正常工作。
当市电恢复正常或者整流器故障排除后,恢复整流器供电,这样负载得到连续供电,不会产生间断供电的现象。
(2)当逆变器发生故障时,很明显,图2-1所示结构的UPS就不能实现负载的不间断供电。
解决的办法有两个:
一是提供逆变器的备用单元;
二是提供静态旁路辅助电源。
具体来说:
a.如果有逆变器的冗余备用单元,当逆变器故障时,通过快速开关立即切换至备用单元,保证负载的不间断供电,这时负载得到的仍是稳压稳频的交流电;
b.如果有
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- UPS 不间断电源 项目 设计方案