第8章 交流不间断电源设备

通信电源（第2版）漆逢吉主编第8章交流不间断电源设备8.1UPS的基本组成及分类与选用8.1.1UPS的基本组
成8.1.2UPS的分类根据电路结构的不同，按照国际电工委员会标准IEC62040-3：1999，UPS分为三种类型，即：
双变换UPS、互动UPS和冷备用UPS。过去常用的“在线”UPS这一术语，IEC62040-3和GB/T7260.3—2003明
确提出应避免使用。这是为了避免某些互动UPS与双变换UPS混淆。1．冷备用UPS2．双变换UPS3．互动UPS8.1.3
UPS的性能分类代码8.1.4UPS的选用UPS的额定容量用输出视在功率（kVA）表示。通信用UPS宜采用双变换U
PS（要求可靠性很高时还宜选用有输出隔离变压器的机型），也可采用互动UPS，不宜采用冷备用UPS。当通信局（站）需要UPS供电的
设备较多、总负荷量较大时，为了供电可靠并节约能源，不宜多台UPS单机分散供电，而以采用较大容量的UPS系统相对集中供电为好，此时应
选用能够并联运行的UPS并联供电，配置相应的输出交流屏，并在各专业机房配置专用交流配电箱。UPS的选用（续）所需UPS的额定容
量应根据负荷确定，宜适当留有余量。为确保UPS能长期安全可靠运行，其最大负荷宜为额定容量的70%~80%。此外，高海拔地区空气稀
薄，当海拔超过1000m时，随着海拔升高，设备的散热性能下降，密封的元器件内外压力差变大而较易损坏，因此UPS应降额使用。降额系数
，海拔3000m时为0.82，海拔5000m时为0.67。（详见教材P228表8.2）8.2正弦脉宽调制（SPWM）技术
UPS中的核心部件是逆变器。对输出电压波形为正弦波的UPS而言，逆变器的任务是把直流电逆变成频率稳定、输出电压稳定、波形失真小的5
0Hz正弦波交流电供给负载。逆变器应可靠性高，变换效率高，动态特性好，对负载适应性强。目前在输出正弦波的UPS中广泛采用正弦脉宽
调制（SPWM）逆变器。脉冲频率约10kHz～20kHz左右，脉冲宽度则按50Hz正弦规律变化，这样易于滤除电压中的谐波分量而获得
纯净的50Hz正弦波输出电压；逆变器可以做到体积小、质量轻、效率高；逆变器中的功率开关管大多采用IGBT。8.2.1正弦脉宽
调制基本原理幅度调制比ma和频率调制比mf幅度调制比ma定义为ma的变化范围是0～1，不得超过1。频率调制
比mf定义为mf必须是整数。8.2.2SPWM单相全桥逆变器与图8.5等效的SPWM波形求uAO的平
均值UAOuAO的平均值为：据：uc=Ucmsinω1tma=Ucm/Usm得：
UAO=maUIsinω1tUAO的振幅为：UAOm=maUI(ma≤1
)8.2.3SPWM三相桥式逆变器8.3锁相同步基本原理双变换UPS当逆变器过载或发生故障时，在市电质量较好的条件下
，应能平滑地切换为由市电旁路供电，并应避免切换时在静态开关中产生较大的环流。为此在市电频率比较稳定时，逆变器输出的正弦波电压应与输
入市电同频率并且基本同相位，即逆变器应与市电锁相同步。用来使一个交流电源与另一个交流电源保持频率相同、相位差小且相位差恒定的闭环
控制电路，称为锁相环。在正弦脉宽调制逆变器中，设置锁相环来使调制正弦波和三角波的频率分别锁定在电网频率和电网频率的高倍率上。8.
3.1锁相环的组成8.3.2锁相环的基本工作原理锁相环的基本工作原理（续）当压控振荡器的角频率ωo和输入信号的角
频率ωi相差很大时，环路无法使压控振荡器的角频率ωo向ωi值靠拢，这种现象称为“失锁”。一旦电网频率与额定频率偏离过大而造成失锁，
UPS输出电压的频率应能稳定在50Hz；这时不允许进行逆变器供电与市电旁路供电的自动切换。8.4静态开关8.4.1静态
开关主电路原理大多数UPS采用两个反向并联的晶闸管组成一个静态开关。当输入端为正弦波电压正半周时，晶闸管VS1的门极触发脉冲使
VS1导通，电源经VS1向负载供电；VS1在交流过零点时关断。当输入端电压为负半周时，晶闸管VS2承受正向阳极电压，VS2的门极触
发脉冲使VS2导通，电源经VS2向负载供电。8.4.2静态开关的应用8.5UPS系统中蓄电池容量的选择UPS按其备用
时间，有标机和长延时机之分。“备用时间”的定义是：从交流输入电源中断切换到电池供电时起，在额定输出负载情况下，不间断电源保持向信
息技术设备连续供电的时间。标机的蓄电池置于机内，其电池容量较小，充电器能提供的充电电流也较小，备用时间短。标机一般不能外加蓄电池
。长延时机通常蓄电池组（一般采用阀控式密封铅酸蓄电池）置于机外，机内的充电器可以为蓄电池组提供较大的充电电流，蓄电池组的额定电压
由UPS厂家确定，备用时间较长，例如30分钟至几小时，备用时间的长短取决于蓄电池的容量。UPS系统中蓄电池容量的选择（续1）
所需蓄电池额定容量可按下式计算式中Ce—蓄电池的额定容量（A
h）；λ—负载功率因数，一般取0.8；S—UPS的额定输出视在功率（VA）；T—所需备用时间（h）；U—蓄电池组放电时逆变器的
输入电压，可按单体电池电压1.85V取值（依据YD/T5040—2005），即采用12V电池时：U=（1.85×6）N，采用2V电
池时：U=1.85N，N为蓄电池组中串联的电池只数，等于蓄电池组的额定电压除以每只电池的标称电压（2V或12V）；ηn—UPS
中逆变器的效率，取0.9，最好按UPS说明书取值；η—蓄电池的放电容量系数，取决于备用时间，按蓄电池说明书取值；如没有电池说明书
，固定型阀控式密封铅酸蓄电池可按表4.1取值，12V阀控式密封铅酸蓄电池可参考表8.3取值。α—电池温度系数（1/℃），备用时间
≥10h，α=0.006；10h>备用时间≥1h，α=0.008；备用时间<1h，α=0.01；t—蓄电池组所处的最低环境温度（
℃）。UPS系统中蓄电池容量的选择（续2）选取蓄电池额定容量更为精确的方法是：先求出每只电池需具备的放电功率P，即
然后根据所需备用时间，查阅蓄电池厂家的“恒功率放电表”来确定蓄电池的额定容量。获得同样的功率，电压高则电流小，而电流小则线路损
耗功率小。为了提高效率，大、中功率的UPS通常蓄电池组的额定电压较高（例如192V、360V、384V、396V、420V、480
V、576V等），因此大多采用12V电池来构成蓄电池组。8.6UPS的串并联使用双变换UPS与互动UPS虽有较高的
供电质量和可靠性，但毕竟是由大量电子元件、功率器件、散热风机和其他一些电气装置组成的功率电子设备，当采用单台UPS供电时，由于其平
均失效间隔时间（MTBF）是个有限值，一般为几万小时，所以还可能发生由于UPS本身的故障而中断供电的现象。采用冗余UPS系统，可使
供电的可靠性得到很大提高。8.6.1双机串联热备份工作方式8.6.2并联冗余供电工作方式UPS并联冗余供电配置参考
2台UPS并机：每台UPS额定容量为总负载容量的1.25倍。2台UPS正常运行时，每台UPS的负载率不超过40%。1台UPS退出时
，剩余1台UPS的负载率不超过80%。3台UPS并机：每台UPS额定容量为总负载容量的0.625倍。3台UPS正常运行时，每台U
PS的负载率不超过53%。1台UPS系统退出时，另外二台UPS的负载率不超过80%。有的通信运营企业不允许UPS并机超过3台(N
≤2)。8.6.3双母线供电系统8.7UPS的电气性能指标8.7.1通信用UPS的电气性能指标
8.7.2若干指标的含义三相电压不平衡度计算图8.8UPS的安装与维护8.8.1UPS安装注意事项
8.8.2UPS维护的一般要求安装UPS如何选取电缆截面积交流输入电缆的线芯截面积，可按电缆允许温升来确定，即选取
铜芯导线的电流密度为2~5A/mm2。交流输出电缆和旁路输入电缆的线芯截面积，应按输出额定电流时导线压降不大于额定输出电压的3%
来确定。主机与蓄电池组连接电缆的线芯截面积，应按最大放电电流时导线压降不大于蓄电池组电压的1%来确定。蓄电池组最大放电电流为：
UPS安装如何选取电缆截面积（续）对于三相输出的通信用UPS，由于非线性负载的3次谐波电流在中性线（零线）上叠加，为使导线压
降符合要求并减小零地电压（数据机房通常要求零线对地线电压控制在1V以内），UPS的输出中性线和旁路输入中性线截面积，宜为输出相线截
面积的1.5倍左右。对于流过大电流的电缆，可以考虑采用多根较细的电缆并联，以方便安装。?三相电压不平衡度不便于直接测量，可用万
用表或交流电压表（精度不低于1.5级）分别测试三个线电压，按图示画法来计算。?图中AB、BC、CA分别为所测三个线电压，以CA为
边分别作两个等边三角形△OAC和△PAC，连接OB和PB，用几何法求得OB和PB的长度。则三相电压不平衡度按下式计算式中
，Un为电压的负序分量，Up为电压的正序分量。见教材P244~245。交流不间断电源系统（Uninterruptibl
ePowerSystem，UPS）又称为交流不间断电源设备。UPS的输入和输出均为交流电。我国国家标准GB/T7260.3
—2003《不间断电源设备（UPS）第3部分：确定性能的方法和试验要求》已修改采用IEC62040-3：1999。输入交流市电
正常时，转换开关自动接通“旁路”，市电经旁路通道向用电设备供电（冷备用UPS的旁路通道中通常加装对市电进行简单稳压处理的装置）；充
电器对蓄电池补充充电；此时逆变器停机（冷备用）。当市电异常时，蓄电池对逆变器供电，逆变器迅速开机，转换开关自动接通逆变器，由逆变器
输出交流电压向用电设备供电。转换过程中输出电压有10ms左右的中断。?无论市电是否正常，均由逆变器经相应的静态开关向负载供电
。逆变器输出标准正弦波，输出电压、频率稳定，供电质量高。?输出功率经整流器和逆变器两级变换产生（串级运行），设备的体积较大，
效率较低（为两级效率相乘）。互动UPS的输出功率以市电为主。在市电没有超出允许变化范围时，互动UPS的输出频率等于市电频率，若市
电频率不稳，则UPS的输出频率不稳；而双变换UPS的输出频率等于逆变器的输出频率，能够始终保持稳定。这就是两者的根本区别。属
于互动UPS类型的Delta变换UPS333SYVFD222SXVI111SSVFI输出动态
性能输出电压波形电源质量典型的UPS性能分类代码?加到比较器上的高频等腰三角波us称为载波，其频率fs称为载波频率
，应保持稳定；其振幅Usm应保持不变。?加到比较器上的正弦波uc称为调制波，其频率称为调制频率，用f1表示，调制频率必须与要求逆
变器输出的频率相同，故f1=50Hz；其振幅Ucm的大小可以调节。单极性电压开关SPWM波形的细节?在锁相环路中，如果压
控振荡器的角频率ωo与输入信号的角频率ωi相差在一定范围内，则由鉴相器输出一定的误差电压，经过环路低通滤波器后，去控制压控振荡器的
角频率ωo，使其向ωi值靠拢，这称为频率牵引或频率跟踪。当两个频率完全一致而且两个信号间的相位差达到恒定时，环路便进入了锁定状态。
处于锁定状态的锁相环，输入信号ui(t)和输出信号uo(t)之间只存在很小的相位差，而无频率差。?一个已经稳定工作的锁相环，如果
输入信号的频率发生了变化（如电网频率变化），由于相位是频率对时间的积分，因此ui(t)和uo(t)的相位差发生变化，鉴相器输出相应
的误差电压，经环路低通滤波器，使压控振荡器的频率重新调整到和输入信号频率一致，于是环路进入一个新的稳定状态。逆变器输出与市电旁路
静态开关的连接UPS中设置检修旁路开关Ce≥?将热备份的UPS输出电压连接到主机UPS的旁路输入端。UPS主机正常工作时承
担全部负载功率，当UPS主机发生故障时自动切换到旁路状态，UPS备机通过UPS主机的旁路通道继续为负载供电。?市电异常时，UPS
处于电池放电的工作状态，由于UPS主机承担全部负载功率，所以其蓄电池先放电到终止电压；然后自动切换到旁路工作状态，由备用UPS继续
为负载供电，直到备机的蓄电池放电终了。?UPS主机与备机、备机与市电应锁相同步。?UPS中的静态开关是影响供电系统可靠性的重要
部件。用于双机并联的UPS必须具有并机功能，使两机输出电压的频率、相位和幅度保持一致，输出电流均衡。这种并联是为了提高UP
S供电系统的可靠性，而不是用于供电系统扩容，所以负载的总容量不应超过其中一台UPS的额定输出容量。当其中一台UPS发生故障时，可由
另一台UPS来承担全部负载电流。?多台UPS并联的“N+1”供电系统，其能量转换效率和设备利用率都高于两台UPS并联供电系统。在实际应用中，由于“N＋1”并联冗余系统当N值较大时故障率较高，因此并联的UPS单机台数不宜过多，一般以不超过4台（即N≤3）为宜。?在并联冗余UPS系统中，当某个单机发生故障时，该单机的静态开关自动将该机退出系统，系统中并联的其余单机继续给负载供电；当出现系统过载时，负载通过集中的静态开关或各单机分散的静态开关被转换为由市电旁路供电。LBS：负载母线同步电路。STS：静态转换开关。在实际运行中，不仅要保证UPS输出端的电源可靠性，更重要的是保证负载输入端的电源可靠性。基于这种考虑，出现了分布冗余UPS，即双母线UPS供电系统（又称双总线UPS供电系统），其目的是将电源系统的冗余扩展到每一个负载设备。见教材P241~243。