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5UPS系统的先进技术………………………………………………………6
6使用UPS有哪些注意事项…………………………………………………8
7UPS系统存在的问题及发展方向…………………………………………8
8UPS电源在铁路系统中的作用……………………………………………10
9典型车站信号系统UPS电源配置方案……………………………………11
10信号电源UPS电源供电系统分析………………………………………11
参考文献……………………………………………………………………12
摘要
UPS(UninterruptiblePowerSystem),即不间断电源,是一种含有储能装置,以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。
主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。
当市电输入正常时,UPS将市电稳压后供应给负载使用,此时的UPS就是一台交流市电稳压器,同时它还向机内电池充电;
当市电中断(事故停电)时,UPS立即将机内电池的电能,通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电,使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。
UPS设备通常对电压过大和电压太低都提供保护。
关键字:
UPS供电电池电压
1UPS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。
图1.1系统工作开关
如图1.1所示,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(如虚线所示)。
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。
2电源工作原理
电源工作原理:
(1)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输入有软启动电路,可避免开机时对电网的冲击。
型:
A4纸,双面打印;
(2)DC-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。
3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。
不间断电源工作原理框图如图1.2所示。
图1.2不间断电源工作原理框图
4电源工作过程
当市电正常380Vac时,直流主回路有直流电压,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=1nPi≤P
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
IBMPC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
因此,在这条棒材生产线上,采用10KVA的不间断电源比较合适。
5.UPS系统的先进技术
现在的UPS,特别是中大型UPS,已经不是一台电网停电后可以继续向负载供电的整机产品,随着UPS技术的进一步发展,它应该成为一个小型的,或者说局部的高度可靠、性能齐全、高度智能化的供电中心。
而在网络化时代,UPS已经成为一个高度智能化的设备,它要对整个网络中的硬件设备、运行程序和数据以及数据的传输途径进行全面地保护,使之成为不间断网络。
UPS不仅向由它直接供电的各种硬件设备提供全面的保护,还应该向它们所运行的软件以及数据传输途径提供绝对安全可靠的保护,这就意味着,UPS可配置相应的电源监控软件,SNMP(简单网管协议)管理器,使其具有远程管理能力,使用户可执行UPS与网络管理平台之间的监控和数据通信操作。
具体来说,网络UPS供电系统具有的技术特性包括:
1.高可靠性
具有能提供365天(24小时)连续提供高质量的UPS“逆变器电源”的供电能力。
这就意味着,在UPS供电系统的运行中既不允许出现任何瞬间供电中断/停电事故,也不允许在UPS运行中,出现由普通的市电经交流旁路直接向用户的负载供电的局面。
为此,要求UPS供电系统应满足如下要求:
UPS单机本身的“故障率”低,目前大型UPS产品的平均无故障工作时间(MTBF)为20~40万小时。
采用具有高度“容错”功能的“N+1”型UPS冗余并机系统来进一步提高UPS供电系统的可靠性。
(“1+1”型冗余并机系统的典型MTBF值可达140~200万小时左右)。
在整套UPS供电系统中,不应存在“单点瓶颈”性故障隐患。
允许在UPS“逆变器电源”连续供电的条件下,执行“不停电”的维护和检修操作。
万一在用户设备端出现“短路”故障时,应将“故障”的影响范围缩小到尽可能小的范围。
2.高抗干扰性
UPS供电系统能为互联网设备获得100%的高“可利用率”(低“误码率”,低数据传输“丢包率”,高网络“接通率”),创造优良的运行环境。
大量的运行实践表明:
“电源干扰”问题是造成互联网设备的“可利用率”下降的重要原因之一。
能否尽可能地消除“电源干扰”是确保信息网络能否获得100%的高“可利用率”的关键所在。
在此需说明的是:
“电源干扰”不仅来源于普通的市电电网,它还来源于“设计不完善”的UPS电源本身及用户的互联网设备本身。
这是因为配置在IDC(互联网数据中心)和MDC(多媒体数据中心)机房内的服务器、磁盘陈列机、交换机等均内置有“开关电源”。
这种“整流滤波型”非线性负载会向UPS供电系统反射3次~23次低次谐波“干扰”,其可能带来的恶果之一是降低语音通话质量。
实践证明:
过大和过频出现“电源干扰”,轻者会导致互联网的传输速率下降、网络服务器的数据“丢包率”增大、modem的上网“掉线率”增大等隐形故障出现,从而导致互联网设备被迫进入“降额”使用状态,严重时还会导致网络瘫痪。
举个例子,如果将用户向网络运营商租用“带宽”为64Kbit/s专线时所需付的费用作为1计算的话,当用户租用10Mbit/s和150Mbit/s的网线使用权时所需支付的费用将分别增到34和210倍。
由此可见,如果因“电源干扰”问题或电磁兼容EMC问题而导致互联网进入“降额使用”状态的话,它会给网络的利润带来多大的损失。
从这个角度来看,高速信息网络技术的迅猛发展在给UPS产业带来巨大商机的同时,也对UPS供电所能提供的电源质量提出更为严格的要求。
3.具有防雷击、抗高能浪涌的功能
雷击、闪电及电网上的高能浪涌严重威胁UPS系统和计算机网络的安全。
如无相应的保护措施,将造成UPS系统及计算机网络的硬件和软件的损坏。
UPS应具有这方面的保护电路,其指标应符合国家及国际安规标准。
4.过载能力强
由于计算机等负载属于整流型负载,在启动时往往有较大的瞬态冲击电流,如果UPS的过载能力弱,有可能造成严重后果导致系统不能正常安全的运行。
5.智能化监控
在UPS和计算机/网络之间建立起双向通信监控管理功能。
利用监控软件监控管理UPS的运行、操作。
当市电中断或UPS电池低电位时,监控软件可做到将计算机中的数据自动安全存盘、系统安全关机然后关闭UPS,避免因电力突然中断而造成操作系统的损坏和数据资料的损失,以实现数据的完整性保护。
6使用UPS有哪些注意事项
1)UPS的使用环境应注意通风良好,利于散热,并保持环境的清洁。
2)切勿带感性负载,如点钞机、日光灯、空调等,以免造成损坏。
3)UPS的输出负载控制在60%左右为最佳,可靠性最高。
4)UPS带载过轻(如1000VA的UPS带100VA负载)有可能造成电池的深度放电,会降低电池的使用寿命,应尽量避免。
5)适当的放电,有助于电池的激活,如长期不停市电,每隔三个月应人为断掉市电用UPS带负载放电一次,这样可以延长电池的使用寿命。
6)对于多数小型UPS,上班再开UPS,开机时要避免带载启动,下班时应关闭UPS;
对于网络机房的UPS,由于多数网络是24小时工作的,所以UPS也必须全天候运行。
7)UPS放电后应及时充电,避免电池因过度自放电而损坏。
。
7、UPS系统存在的问题及发展方向
随着全球计算机网络的蓬勃发展,网络化、集成化趋势正以前所未有的深度和广度影响着我们的生活。
但是现在的系统集成概念主要体现在计算机网络设备的集成,对其他一些设备的集成考虑不足。
UPS电源系统在网络系统、智能大厦等项目中的集成也经常被忽视。
1、传统的UPS系统存在以下的问题:
(1)单机故障率高,且经常影响所支持系统的持续工作。
传统的单机UPS没有备用线路或应急方案,所有的电力供应线路都为单线,一旦发生问题,电力供应中断就在所难免。
(2)可扩展性差。
传统UPS的配置固定,且不能升级,如遇信息系统升级而导致要求提高电力供应能力时,则只有购买新的UPS系统。
(3)可管理性差。
所有的电池或电池组在功能和使用上没有区别,当其中的某一块电池发生故障后,UPS管理系统不能进行及时地关闭和替换,只能报告发生了系统故障,然后由管理人员手工进行更换。
(4)维护成本高昂。
传统UPS系统的维护是一项技术水平要求颇高的工作,仅仅拿最普通的更换电池来说,也要求由专业的技术人员来完成,普通用户根本不可能独立进行。
2、发展方向
目前采用最新技术的UPS不仅仅是一台不间断电源安全和管理设备,而是一个智能的电源系统。
它除了包含一般不间断电源的整流、滤波、充电、放电、逆变器等外,还有微处理器控制、自动识别负载类型、电池检测、LCD状态显示、逆变器自动适应调整、风扇速度检测、远程监控系统等。
为了提高电源的可靠性,还提出UPS串联、并机冗余等概念,不仅提高UPS的带载能力,而且提高了其可靠性。
其次,UPS在为网络内的计算机及设备提供不间断电源的同时,设备管理者也要求方便快捷地检测、控制和管理UPS的使用状况。
根据应用的不同需要,定时开关UPS电源、市电故障的报警、自动关掉网络服务器等关键设备。
这些需求要求UPS监控软件能适应现代各种电脑网络平台如NT、Novell、Unix(各种版本)、OS/2、AS/400等,能提供从RS232接口、SNMP接口到Modem连接等多种管理方案。
以SNMP为例,在一个特殊设计的SNMP适配器上附带有SNMPAgent软件和MIB,硬件上还有以太网络接口和RS-232接口。
当网管站的请求给SNMPAgent时,SNMPAgent即通过RS-232接口与UPS"
交谈"
,获得UPS的MIB参数,然后再根据SNMP协议回传资料到网管站。
其中传输和接收SNMP的帧(frame)可通过IP或UDP传输协议。
通过这个管理程序,网络可以咨询侦测广域网络内的任意一台UPS的状态参数,以SNMP的方式回传到网络站,并转化成图形显示在屏幕上。
UPS的SNMP为广域网提供了更加集中式的管理、更加良好的环境监督、网络诊断以及更好的安全性和通用性,为网络连线设备提供了更广的软件保护。
第三,UPS应考虑与应用环境的集成。
在机房、智能大厦等自动化程度较高的电源系统中,对火灾报警信号、温度检测信号、保安系统等能与UPS触点信号连接。
当火灾发生时,报警信号启动,紧急关掉UPS,其他信号也可相应对UPS采取不同措施。
对于这种情况,UPS应能提供触点信号接口(ContactInterface),以保证整个系统电源安全的要求。
随着电源技术的发展,UPS电源系统与通信网络系统的关系更加紧密,已成为系统工程项目中一个不可缺少的环节。
系统集成商在项目实施中需要充分考虑到UPS电源与及其他设备的集成,使UPS电源与计算机等其他网络设备的管理融为一体,不仅保证系统项目的电源安全需求,又能满足系统项目的电源系统的可管理性和易于维护。
8UPS电源在铁路系统中的应用
改革开放以来,随着我国国民经济的迅猛发展,生活水平不断提高,人们公务外出、旅游观光、探亲访友的社会活动与日俱增,因此出现了客运繁忙的景象,各种运输方式的市场竞争也日趋激烈,而铁路运输以其安全、舒适、价廉、快速和全天候占有优势。
为了保障高速铁路运行的安全、高效、可靠,配置一套科学、合理的信号系统成为铁道部关注的重点。
我国铁路已跨入“高速时代”,计算机联锁系统和微机自动闭塞控制系统等在铁路信号新技术中的应用范围不断扩大,这些新技术系统对供电质量的要求较之传统的技术系统大大提高,任何偶然、短暂的供电中断都可能造成难以估量的损失,甚至对铁路的行车安全产生极大威胁。
因此,采用UPS电源作为其电源保障也随之日益普遍。
在铁道部铁运[2008]19号文件“关于客运专线信号系统若干问题的指导意见”中提出,为确保客运专线信号系统设计质量,充分满足高安全性、高可靠性和高可用性需求,客运专线信号系统应统一技术标准、优化方案设计并采用高质量的信号产品。
对信号电源系统的要求:
客运专线车站及中继站信号电源应按照双套大容量UPS电源备用方式配备电源,UPS容量负荷按照除转辙机外的所有用电量计算,有维护人员值守的车站UPS电源供电持续时间不应小于30min,没有维护人员值守的车站UPS供电持续时间不应小于2h。
自从《铁路“十一五”规划》及工作实施以来,铁道部从优化运输能耗结构、减少石油类消耗、提高铁路资源能源利用效率的角度出发,加快铁路建设步伐和项目前期工作推进,节能降耗、污染减排取得了显著的成效。
而保障铁路行车安全性运行的基础信号系统,提高系统对电能的利用效率、降低耗电量更是责无旁贷。
9典型车站信号系统UPS电源配置方案
信号系统的负载容量典型值为15kW电源的统计情况,包括三相电源输入,计算机联锁,4kVA容量的25Hz轨道电路等。
如图3.2.
图3.2车站信号系统电源情况
考虑UPS电源负载百分比选取70%工作,UPS电源负载功率因数PF为0.8,选取UPS额定容量=15kW/70%/0.8=27kVA,那么UPS电源主机容量为30kVA即可满足负荷的需求,UPS电源供电系统配置方案如图3.3所示
图3.3ups供电系统配置方案
10信号电源UPS电源供电系统分析
采用两台30kVAUPS电源构成“1+1”冗余并机,输入采用两路市电,经ATS自动切换后给UPS电源输入。
两台UPS电源并联共用两组电池组,如图3.4所示。
图3.41+1”并联冗余共用电池方案系统图
UPS标配双回路输入功能,提高系统可靠性。
内置维护旁路设计,便于系统检修及维护。
双回路输入设计可以实现主输入供电回路与旁路隔离,分别采用两路不同市电,大幅度提高系统可靠性。
采用“1+1”冗余并机系统设计,大幅度提高UPS可靠性。
NT系列UPS电源单机MTBF大于300000h,单机可靠度大于99.99%,采用“1+1”并机大于99.999%。
另外,NT系列UPS电源可提供强大的并机能力,无需并机卡即可并机,最多支持8台并机,并且可以在线不断电扩容,满足后期系统扩容需要。
同时采用高精度的多CPU冗余的数字控制技术,保证UPS电源参数精确及并机时相位的严格一致,提高了并机系统的带载能力和可靠性。
UPS供电系统具有RS232、RS485及SNNP等通讯接口供选择,可以直接通过网络或动力环境采集,对UPS电源实现远程集中监控,可远程查看UPS电源运行的各项参数,事件记录进行实时检测。
当UPS电源系统发生事故时,可通过集中监控软件或者干节点信号发出告警提示。
智能电池管理功能,NT系列UPS电源具备智能电池管理能力,具备自动均充、浮充转换功能,可以定期对电池进行安全发电检测,另外还可以根据负载情况,自动调整放电截至电压,通过上述功能,可以显著延长电池寿命。
另外,NT系列UPS电源还具备电测漏液检测功能及充电自动温度补偿能力,提高了系统运行的安全性。
方案中两台UPS电源共用两组电池,市电正常时,各UPS电源同时给电池组充电;
市电异常或者中断时,各UPS电源同时利用电池组进行逆变转换,为负载提供能量。
这样做可以节省50%的电池投资及安装空间,同时也减少了承重投资,明显提高了电池的利用效率。
另外,每个电池柜均配置电池开关保护,电池组空开采用冗余方式连接,允许系统中任意一个空开故障而不影响系统的正常工作,提高了系统可靠性。
参考文献
《工业与民用配电设计手册》第二版,中国航空工业规划设计院等编水利电力出版社
《建筑电气设计实例图册》,北京照明学会设计委员会编中国建筑工业出版社
《工厂常用电气设备手册》兵器部第五设计院编中国电力出版社
《电子工业出版社》李成章,2001
《新型不停电源(UPS)的管理使用与维修》王琪英,刘秀荣。
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