UPS 方案设计

1 设计目的
随着电子计算机在国防、科研、生产自动化、管理等领域的广泛应用，近二十几年里在我国如雨后春笋般地建成了很多大、中、小各种规模的计算机机房，为计算机寻求和建造一个合适的工作环境以确保计算机可靠，充分发挥其设计性能，延长机器的使用寿命以及确保工作人员身心健康的问题越来越受到建设方的重视，并成为追求目标。
2 设计任务与要求
2.1 设计任务
设计一个10K UA 不间断电源，不仅能够不间断供电，还要能够对负载实现抗干扰供电，工作稳定性高，电路中含有保护电路。
2.2 设计要求
    说明电路的工作原理，原理图，以及参数的选择和相关参数计算，参数计算中包括P－电池放电功率，UPS电池放电功率，A－UPS功率因数，电源逆变效率。
3 UPS设计方案
3.1 电路工作原理
按UPS的工作方式来分，可分为在线（on－line）式UPS和离线（off－line）式UPS。离线式UPS又称后各式UPS，它还可分为正弦波输出、方波输出、带稳压的或不带稳压的。
（1）后各式UPS 后各式UPS是指UPS中的逆变器只在市电中断或欠压失常状态（欠压值约在170V，即UPS投人电压）下才工作，向负载供电，而平时逆变器不工作，处于各用状态。
图1为后备式UPS电能流程图。市电供电正常时，市电一方面直接通过交流旁路支路转换开关，经滤波器输出至负载；另一方面通过电源变压器，经整流后变成直流电，再经充电回路向蓄电池组充电。当市电供电中断时，蓄电池储存的电能通过逆变器变成交流电，经滤波器继续向负载供电。 　　在后各式UPS中实际电路也含有各种保护、告警等控制回路，比较复杂。
　　（2）在线式UPS 图2为在线式UPS电能流程图。市电供电正常时，市电经过电源变压器、整流器后，一路经逆变器、滤波器输出至负载；另一路经充电回路向蓄电池组充电。当市电中断，蓄电池组端电压低于设定值或逆变器故障时，市电就通过旁路支路经转换开关、滤波器向负载供电。由此可见，不管市电正常或中断，在线式UPS的逆变器总是在工作。 　　（3）UPS的主要组成部分 UPS主要由逆变器、蓄电池、整流器／充电器和转换开关等组成。逆变器主要由晶体三极管、变压器和控制回路等组成，其作用是变直流为交流输出，它是UPS的核心部分，UPS的技术性能、质量主要取决于它。蓄电池是UPS储能装置。UPS中的蓄电池应具有良好的大电流放电特性，能经得住反复地充放电，寿命要长，目前UPS常用的是免维护密封式铅酸蓄电池。整流器／充电器是把市电变成直流电，为逆变器和蓄电池提供电能的装置。转换开关（静态开关）的作用是通过瞬时的高速检测回路，当市电有干扰或出现大的浪涌时，把UPS迅速转到旁路输出，以保护UPS；它的第二个作用是提供维修通道。对转换开关要求切换时间快、过载能力大。
　　（4）各类UPS的特点
　　①在线式UPS的特点
　　a．在线式UPS都为正弦波输出，其最显著的特点是实现了对负载的真正不间断供电。
　　b．在线式UPS实现了对负载的抗干扰供电。因为在线式UPS无论由市电或蓄电池对负载供电，都要通过逆变器进行，这就可能从根本上消除来自市电电网上的所有电压波动和电干扰对负载的影响，UPS始终向负载提供一个稳压稳频的高质量交流电源。而且，在线式UPS的正弦失真系数最小。
　　c．与后各式UPS相比，在线式UPS具有优良的瞬时特性时，它在100％负载加载或减载时，其输出电压的变化小于4％，时间约10～40ms。
　　d．在线式UPS具有较高的工作可靠性。
　　②后备式正弦波输出的UPS的特点
　　a．一般后各式正弦波输出的UPS电路中均采用抗干扰式分级调压稳压技术，当市电在180～250V的范围内时，能输出一个具有抗干扰的稳压的正弦波电压。
　　b．切换时间较短，约4ms，最短2ms。
　　c．其输出端的零线和火线是固定的，这是因为UPS中市电供电或逆变器对负载供电都是由同一电源变压器来完成。所以用户在连接这种UPS时，应符合厂家的规定。后各式正弦波输出的UPS都有零、火线判错电路，一旦发现输人端零、火线与UPS要求的不一致，UPS会自动保护，没有输出。还需指出的是，后各式UPS中220V输人的零线就是UPS控制线路的地线。
　　③后备式方波输出的UPS的特点
　　a．与后备式正弦波输出的UPS一样，该线路中采用抗干扰式分级调压稳压技术，当市电在180～250V之间变化时，它的稳压精度在5％～10％；市电中断时，逆变器对负载提供∵个稳定度在±5％、无干扰的方波电源。
　　b．方波输出的后备式UPS的控制线路中未采用与市电同步的技术，其切换时间相应比正弦波输出的后各式UPS要长一些，约4～9ms。
　　c．与后备式正弦波输出的UPS一样，它的输出端零、火线是固定的。使用时，交流输入端的极性应符合出厂规定。
　　d．不能接像日光灯那类性质的负载，否则会达不到机器的出厂指标，或损坏UPS本身。并且，它不能进行频繁的关闭和启动。UPS关机后，如立即再启动，它就不能正常工作，此时无电压输出且蜂鸣器长鸣，称为启动失败。所以，关机后，如需重新开机，要等6s以上时间。
3.2 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=1 n Pi≤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
IBM PC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。
3.3 UPS电源系统的使用与维护
3.3.1 UPS电源系统开、关机
3.3.1.1 第一次开机
(1)按以下顺序合闸：储能电池开关→自动旁路开关→输出开关依次置于“ON"。
(2)按UPS启动面板“开”键，UPS电源系统将徐徐启动，“逆变”指示灯亮，延时1分钟后，“旁路”灯熄灭，UPS转为逆变供电，完成开机。
经空载运行约10分钟后，按照负载功率由小到大的开机顺序启动负载。
3.3.1.2 日常开机
只需按UPS面板“开”键，约20分钟后，即可开启电脑或其它仪器使用。通常等UPS启动进入稳定工作后，方可打开负载设备电源开关（注：手动维护开关在UPS正常运行时，呈“OFF"状态）。
3.3.1.3 关机
先将电脑或其它仪器关闭，让UPS空载运行10分钟，待机内热量排出后，再按面板“关”键。
3.3.2 UPS电源系统使用注意事项
UPS电源系统因其智能化程度高，储能电池采用了免维护蓄电池，这虽给使用带来了许多便利，但在使用过程中还应在多方面引起注意，才能保证使用安全。
(1)UPS电源主机对环境温度要求不高，+5℃～40℃都能正常工作，但要求室内清洁，少尘，否则灰尘加上潮湿会引起主机工作紊乱。储能蓄电池则对温度要求较高，标准使用温度为25℃，平时不能超过+15℃～+30℃。温度太低，会使储电池容量下降，温度每下降1℃，其容量下降1％。其放电容量会随温度升高而增加，但寿命降低。如果在高温下长期使用，温度每高10℃，电池寿命约降低一半。
(2)主机中设置的参数在使用中不能随意改变。特别是对电池组的参数，会直接影响其使用寿命，但随着环境温度的改变，对浮充电压要做相应调整。通常以25℃为标准，环境温度每升高或降低1℃时，浮充电压应增加18mV（相对于12V蓄电池）。
(3)在无外电靠UPS电源系统自行供电时，应避免带负载启动UPS电源，应先关断各负载，等UPS电源系统起动后再开启负载。因负载瞬间供电时会有冲击电池，多负载的冲击电流和加上所需的供电电流会造成UPS电源瞬间过载，严重时将损坏变换器。