UPS的主要作用

01 

  UPS是什么？

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。

02 

  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。

03 

  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。

04 

  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。

05 

  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。

06 

  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。