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UPS不间断电源技术原理及典型应用

数控UPS不间断电源技术原理及典型应用
   一、DSP控制的UPS工作流程
    DSP控制的数字式UPS电源的工作流程是：当市电正常情况下，输入电压、频率在允许的范围时，PFC部分对输入进行功率因数校正，使得该系统的输入功率因数为0.98左右，同时避免对电网产生污染，输入的市电经PFC环节变换得到400V直流输出电压，为后面的逆变电路提供能量。同时DC/DC部分仍然在正常工作，只是由于电池电压经过DC/DC电路变换得到360V输出电压，略小于市电经PFC变换得到的直流母线电压，这样通过二极管就将它和直流母线隔离，DC/DC部分空载运行，处于热备用状态。当市电不正常时，市电掉电或者输入电压、频率不在允许的范围时，市电经PFC得到直流母线电压迅速降低，当低于360V时，二极管导通，使得直流母线电压维持在360V，此时逆变器得到的能量是由电池电压经由DC/DC电路变化得到的直流母线电压。无论市电是否正常逆变部分均可以正常的工作。一般UPS可提供几分钟到几十分钟的后备供电时间，大容量的电池组的后备供电时间可以达几个到几十个小时，对于备有柴油发电机的用户，可以在市电停电5~10秒之内把柴油发电机投入到UPS电源的输入端，可以在长时间停电的情况下向用户提供高质量的正弦波电源。经处理以后的市电同时还送给市电电压/流相位测量电路，产生市电电压信号和相位信号，供微处理器电压/流测量和同步锁相之用。这样就实现了对负载的不间断供电功能。
二、DSP控制的UPS组成结构
    UPS要实现数字化控制化，那要用更多的模拟器件才能实现的控制功能和算法就可以通过DSP的软件的编程来实现，所以整个UPS的结构就相比较用模拟器件的实现的UPS的整体结构要简单得多。如图1所示下面就是数字化的UPS的整体框图。主要由输入功率因数校正、逆变部分、DC/DC等组成。
三、DSP控制的UPS关键电路结构
(1)UPS的功率校正电路
    输入功率因数校正电路如图2所示主要由功率管T5、电感L1、二极管D1、电容C1组成。它为输入部分提供功率因数校正功能，并且提升电压至400V。
 输入功率因数校正因数电路的工作原理，UPS市电通过功率因数校正模块，来进一步减少来自电网干扰，同时使整个UPS系统的功率因数和转换效率得到提高。功率校正模块是一个AC/DC变换器，它完成输入的整流，同时控制输入电流为正弦波，从而达到很高的输入功率因数。功率因数校正部分还必须保持直流电压恒定，不随输入的变化而改变。直流电压又在逆变部分变换成幅值、频率合适的交流电源。当UPS工作处在UPS方式时，该直流电源经过DC/DC变换隔离后得到逆变部分所需的直流电压。
(2)正弦逆变电路结构
     正弦逆变电路如图3所示主要是由电容C1，功率管T1、T2、T3、T4组成的逆变桥，电感L2，电容C2等组成。PFC模块的输出经由逆变部分能够产生负载所需的纯正弦波交流电压。
 数字UPS的正弦逆变器是时刻处于工作过程中，其工作原理是通过采样电路对逆变电路输出电压和电流进行采样，得到的采样信号输入到DSP，通过对采样信号进行处理，依照一定的算法和程式来实现正弦逆变电路控制的功能。
(3)DC/DC电路结构
    DC/DC电路的构成如图4所示，主要是由高频变压器、功率管T6、T7，整流二极管D33、D34、D35、D36，电容C31等组成。该部分采用直流电压环反馈控制，变换后的电压通过二极管D6与PFC的输出端相连。
 由于电池电压比较低，逆变器对直流电压的利用率又不高，因此需要DC/DC电路来转换电池的电压。而DC/DC的电路结构有很多，但是各有优缺点，最常用的就是推挽式直流变换电路这种电路的优点就是驱动电路简单，输出功率大。一般被功率要求比较高的负载选作直流变换电路。
(4)UPS其他结构功能
    同时通过SCI和SPI来实现整台UPS的监控程序，通过SCI口和微机进行通信，实现远程监控是全数化UPS的重要结构功能。
    其中一方面，在UPS运行时出现市电故障或停电时，UPS会利用上述通讯通道向由它供电的计算机网络传送因市电故障产生的报警信号。当长时间停电，而电池组的供电电压要低于临界放电电压时，计算机网络会在UPS电源发出自动关闭命令的驱动下，完成数据的保存和设备的保护。
    而另一方面，提供一个友好的人机界面，可实时监视UPS的运行参数，方便用户的参数修改，同时便于用户查询UPS运行的历史记录。还可在计算机网络上对UPS进行定时的开机/自动关机操作。为实现上述控制功能，还可以提供RS-232和RS-485通信接口，用户可根据实际情况任选一种。对于要求执行网络管理功能的UPS不间断电源，应配置有简单的网络管理协议(SNMP)适配器或适配卡。
    随着数字化技术的发展，DSP技术已被越来愈多UPS不间断电源厂家应用于产品中。而DSP技术也被广泛应用一方面提高了UPS产品输出电压的稳定性和纯净程度，另一方面也提高了UPS产品自身的可靠性。而IGBT技术和高频技术的应用，除了大大提高了电源效率，降低了系统噪音和电源自身的电力损耗外，也大大提高了系统的可靠性。UPS的数字化并不是简单的指在系统中应用了数字器件，如单片机及FPGA等，而是指整个系统的控制应用数字器件的计算能力和离散控制方法来完成。随着数字处理硬件技术的发展，计算速度的提高，必然会促使UPS产品向数字化方向发展。
工、高频机介绍
工频，既是指交流电网中电流电压的固有频率，世界上主要有二种，我国为50HZ，日美等国为60HZ。之所以称为工频感应加热设备（简称工频机），是因为该种机器是直接将输入的工频电能，通过调压和变流处理，便输出到能量变换器--感应圈上。在这里，工频机只对输入的电流、电压进行了调整和控制，至于频率则没有做任何改变。
工频机的工作原理决定了它的内部电路的组成。它主要由电能输入电路，调压整流电路、功率输出电路、控制电路、保护电路、滤波电路和提供工作条件的辅助电路等组成。
而除此之外的其它频率的感应加热设备，无论它称之为中频（1KHZ至20KHZ左右）、超音频（20KHZ至40KH左右）、高频（40KHZ至200KHZ左右）、超高频（200KHZ以上，可高达几十MHZ），甚至是其它的低频（50HZ至1KHZ左右）。它们所输出电流的频率，均需要经过变频处理才能得到。
它们的工作原理也决定了它们的内部电路的组成。主要包括电能输入电路、整流电路、滤波电路、变频电路（振荡电路、逆变电路）、功率输出电路、控制电路、保护电路和提供工作条件的辅助电路等。
由此可知，工频机的原理较为简单。虽然从原理上讲其它机种只是主要多了个变频电路，但从实际的电路结构上讲，则需要设计的更为精确、合理和巧妙。工频机一般是采用模拟电路，而其它机种则多是采用模拟电路和数字电路。
工频机虽然原理简单、结构简单，但是由于其工作频率极低，其内部的容性元件和感性元件的电容量和电感量均需要很大。对高频电流的趋肤效应、边缘效应的利用也极低。因此，它在成本、体积和效率上均不占有优势。所以工频机在实际应用中较少。
不过，正是因为工频机在工作时被其加热的工件，受趋肤效应和边缘效应的影响极少，使得它在对工件的透热方面效果最好。所以，它在大型冶炼以及大型工件的加热等方面占有相当的优势。
无水式高频机高频淬火高频焊接高频熔炼
<新型无水式高频机>，创新技术、创新产品。无需水泵、无需水箱、通电既用！数字模块化电路，自动检测，自动控制，多功能，全保护。 高速、高效、安全、节能，安装方便、使用简单。
那么，高频机为什么要用水？过去，我在回答网友提问时已经回答过。
高频机之所以用水，是因为机器在大功率状态下工作时，部分元件、器件、部件需要冷却降温.例如功率元器件中的主整流器、IGBT 或MOSFET、高频变压器及感应圈等.这些元件、器件、部件由于电流的热效应，在大电流条件下工作，必然会产生一定的热量，造成附带温升。如果不及时进行冷却降温，不但会影响机器的性能、效率和功率，还会烧坏元器件，造成机器损坏。
常用的冷却方式有自然冷却和强制冷却。自然冷却方式效果较差，不足以解决大功率电器的散热问题，一般它只能起到辅助性作用。强制冷却中包括有风冷、油冷(油浸) 、水冷及人工制冷等.
在高频机中，为了保障冷却效果，一般都采用二种以上的冷却方式，早期机一般采用风冷加油冷，因油浸冷却方式不但复杂、笨重、易挥发，并且只能局部冷却.所以现在多采用风冷加水冷方式，有特别需要时还可以加入人工制冷方式。
由于水冷方式，在机器内要建立专用的水路和水散热器。机器外要配置水箱、水泵，甚至冷却塔、冷水机等。这样，不但配置多、成本高，浪费水、电，安装较复杂，不易移动、携带。还容易出现漏水、堵水（因水垢积垒、赃物误入及北方冰冻）等现象。
为了克服水冷式高频机的上述缺点，我们经过反复论证，长期研制，终于开发生产出了《新型无水式高频机》。它安装方便、使用方便。也更节能、更高效、更安全。
无水工频机的设计理念：
首先要从减少电路、元件、器件等的自身产热量入手。这是根本。通过理论计算、分解效应、优化选材、特殊工艺和合理布局，尽可能地把产热量降到最低。
其次是解决散热问题。再好的元器件也无法做到零损耗，再好的导线也无法实现零线损。因此，任何电器都会产热、发热，功率越大，热量越多。所以，冷却散热是必要和必须的。我们通过加入大量高性能的导热、吸热材料和器件，把热量充分地吸收并散发到空气中。从而达到和实现机器安全、可靠的持久运行和使用。

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影响中压配电网供电可靠性因素的分析

中压配电网多采用架空线或以架空线为主的混合结构，一般为放射形供电方式。由于中压配电线路沿线地理条件较复杂，线路绝缘水平较低，因此线路故障率高。另外，中压配电网直接面向众多电力用户，线路作业停电的机会也多，如何提高中压配电网供电可靠性，是中压配电网改造和建设的重要课题。

2　中压配电网基本接线方式

中压配电网接线方式可分为公用网和专线(网)两类。公用网，基本接线方式有：树枝网、分段隔离树枝网、干线(部分)联络树枝网和全联络树枝网。

3　影响供电可靠性的主要因素

影响中压配电网供电可靠性的主要因素有：线路故障率、故障修复时间，作业停运率、作业停运时间，用户密度及分布等。

3.1　线路故障率及故障修复时间

线路故障可能是由于绝缘损坏、雷害、自然劣化或其他等原因造成。对架空裸导线：

(1)　绝缘损坏是指高空落物，树木与线路安全距离不足等造成的故障，与沿线地理环境有关；一般认为绝缘损坏率与线路长度成正比。

(2)　雷害造成的故障与避雷器的安装情况有关；雷害故障率大体上与避雷器安装率成反比，与避雷器自身故障率成正比。

(3)　自然老化引起的故障与线路设备、材料有关；对同一类设备、材料，自然老化率与线路长度成正比。

(4)　其他原因主要是指外力破坏，人为过失等造成的故障。

(5)　故障修复时间与运行管理水平，网络结构，以及配电网自动化水平有关。因为正确、迅速地判明故障点，可大大缩短故障停电时间。对同一网络结构，运行管理水平、自动程度相同的配电网，故障修复时间取平均值。

3.2　作业停运率与停运时间

作业停运是指配电线路因试验、检修和施工造成的停运；施工停运则与线路供电区域发展情况有关，发展中区域线路施工停运率高，发展接近饱和区域，线路施工停运率低。

作业停运时间与作业复杂程度和施工技术水平有关，一般可取平均值。

3.3　用户密度与分布

用户密度是指每单位长度线路所接用户数。因用户负荷的不同，各回线路用户密度一般也不相同。在估计接线方式对供电可靠性的影响时，可取平均密度。

按现行供电可靠性统计指标，对同一接线方式，用户分布情况不同，可有不同供电质量服务指标。

按用户分布模式分析，用户大部分分布在线路前段，线路中、后段故障可通过分段断路器隔离，从而前段线路可恢复运行，故有最佳的评估结果；用户大部分在线路中段的模式次之，用户集中在线路末端的分布模式最差。

4　基本接线方式的供电可靠性评估

4.1　基本接线方式评估

根据上述影响供电可靠性的主要因素，按表1设定的配电线路可靠性指标及参数，设断路器为手动操作，有联络线路故障隔离操作时间(含故障定位和向完好线段恢复供电时间)为1h，作业隔离操作时间计入作业停运时间，对总长同是12km(每段线路长2km)的基本接线方式进行评估。

评估方法采用故障模式后果分析法，评估结果见表2。

4.2　主要因素对可靠度的影响

(1)　故障率及故障修复时间：

降低线路故障率对全联络树枝网效益最高，若故障率降至0.05次/km·年，用户年平均停电时间可由3.4h/户降至2.7h/户，减少了20.6%；而树枝网效益最低，用户年平均停电时间可由15.6h/户降至13.8h/户，仅减少11.5%。减少故障修复时间有同样的结论。

(2)　作业停运率及作业停运时间：

由于用户增容报装的原因，对运行管理较完善的电网，作业停运率降低空间不大。缩短作业停运时间，若从4h缩短至2h，对树枝网用户年平均停电时间可由15.6h/户降至9.6h/户，减少了38.5%；而全联络树支网用户年平均停电时间也可由3.4h/户降至2.4h/户，减少了29.4%。

表1　配电线路可靠性指标及参数

表2　基本接线供电可靠性评估结果

(3)　用户分布模式：

对树枝网和全联络树枝网，用户分布模式对供电可靠性无影响。对分段隔离树枝网，用户分布模式对供电可靠性的影响如前所叙。对主干线联络树枝网，若用户大部分直接接入主干线，供电可靠性较高；反之，供电可靠性就较低。

4.3　开关类型和系统自动化对可靠性的影响

(1)　开关类型：

中压配电线路上常用开关设备有：柱上断路器、负荷开关和隔离开关。若能装设过流脱扣的柱上断路器，可有效地缩小故障影响范围，提高供电可靠性。若使用隔离开关，故障修复和施工完成后恢复供电，要增加操作停电时间。上述分析基本上是以负荷开关为蓝本。

(2)　系统自动化：

对配电系统可靠度有较大影响的一个因素是故障定位和隔离，以及向完好线段恢复供电时间。若配电系统实现了自动化，故障隔离操作时间可大大缩短，如远方手动操作时间可缩短至几min～十几min，全自动操作则可以缩短至几min内完成。如全联络树枝网，实现自动化后故障隔离操作时间降至0.2h，用户年平均停电时间可由3.4h/户降至2.4h/户，减少了29.4%，供电可靠率则可提高至99.9726%。

5　结束语

从对基本接线方式的评估结果可知，树枝网供电可靠性最低，全联络树枝网供电可靠性最高。由于中压配电网是随着电力用户的增加而不断发展，线路建设初期虽然暂未能实现联络，也应对主干线进行分段和分支线的隔离。一旦联网条件成熟，应尽早实现联络，从根本上提高中压配电网的供电可靠性，并为将来实现配电自动化提供坚实的基础。联络一般从主干线做起，避免全线路长时间停电的发生，然后按重要分支线、一般分支线逐步实现全联络。另外，重视线路元件的质量，降低线路故障率，以及合理地组织施工、检修，都可有效地提高中压配电网的供电可靠性。

   互动式UPS电源

    国标GB 07260 - 2003定义为：在正常运行方式下，由合适的电源通过并联的交流输入和UPS逆变器向负载供电。 国标GB 07260 -2003特别强调：逆变器或者电源接口的操作是为了调节输出电压和/或给蓄电池充电。 UPS输出频率取决于交流输人频率。
在线互动式UPS电源
   在线互动式UPS是一种智能化的UPS，所谓在线互动式UPS，是指在输入市电正常时，UPS的逆变器处于反向工作（即整流工作状态），给电池组充电，在市电异常时逆变器立刻转为逆变工作状态，将电池组电能转换为交流电输出，因此在线互动式UPS也有转换时间。
    同后备式UPS相比，在线互动式UPS的保护功能较强，逆变器输出电压波形较好，一般为正弦波，而其最大的优点是具有较强的软件功能，可以方便地上网，进行UPS的远程控制和智能化管理。可自动侦测外部输入电压是否处于正常范围之内，如有偏差可由稳压电路升压或降压，提供比较稳定的正弦波输出电压。它与计算机之间可以通过数据接口（如RS-232串口）进行数据通讯，通过监控软件，用户可直接从电脑屏幕上监控电源及UPS状况，简化、方便管理工作，并可提高计算机系统的可靠性。这种UPS集中了后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点，但其稳频特性能不是十分理想，不适合做常延时的UPS电源。
双转换与互动式UPS电源在采购过程中要求具备的资质条件
    一、估算UPS电源的功率
根据微机及其外部设备的用电功率，算出设备的总用电量。总用电量乘以安全系数，就是UPS电源的估算功率，安全系数一般取1.2-1.3为宜。
二、国产和进口UPS电源的选择
在国产和进口UPS电源的选择冲，一般建议选用国产UPS电源。近几年来，国产小型UPS电源在质量上有很大的提高。选用国产小型UPS电源，一方面是对本国经济和技术发展的支持，另一方面在维修上有很大的方便，如备件比较齐全，维修能力和维修速度比较满意。进口UPS电源一般质量比较好，但是由于维修技术和备件存在困难，一旦发生故障，往往不能及时修复，长期搁置不能使用。国产UPS电源在工作性能方面，是比较符合国内供电情况，如某些型号的U、UPS电源输入电压范围比较宽，有稳压输出功能，适应我国某些供电条件差的环境。申国人民银行电子化工程建设，提出采用国产UPS电源的方针，无疑是开了个好头。
三、在线式和后备式UPS电源的选择
选用在线式还是后备式UPS电源，应根据微机设备的需要和经济条件来定。如果经济条件好可选在线式UPS电源;如果经济条件差，但又不影响微机正常运行，后备式UPS电源也是可以选取的。
四、长时间供电和短时间供电UPS电源的选择
在长时间供电UPS电源和短时间供电UPS电源的选择上，主要是看经济条件和使用的需要。经济条件好，可选用长时间的UPS电源，否则可以选短时间UPS电源外加小型发电机组作备用电源。
五、了解UPS电源使用场地的供电状态
在选型UPS电源之前，要了解UPS电源使用场地的供电状态。一般UPS电源对市电输入的要求是:输入电压38OV±10%、220V±10%;频率50±0.5Hz。如果使用场地供电状况低于这个标准则应另选输入范围宽的UPS电源，也可以在UPS电源前端加置稳压电源或者电压调节装置。
六、选用后备式UPS电源应注意的问题
在选用后备式UPS电源时，应特别注意电源的切换时间。切换时间，主要反应在UPS电源的切换时间和微机对切换时间的要求。如果选择不当，在市电停电时还会造成微机停机，起不到UPS电源的作用。
七、选用进口UPS电源应注意的问题
有些进口UPS电源输入输出的接线方式与我国不同，在选用时应注意改进的方法。美国的UPS电源，如保时(PulSe)，爱克赛(EXIDE)等型号UPS电源输入输出的接线方式和我国标准相反。简单地说，我国单相供电是左零右火，而美国则是左火右零。另外，还要注意到美标插座插头的样式和我国也不一样。请见图3-12所示。
在美国国家标准插头插座改为我国国家标准插头插座时，应注意内部的接头关系，不能简单地调线。