1、第第3-2節節 UPS電源系統電源系統 的設計的設計N22021年年12月月20日日UPS技術培訓資料發電機組CB1MLVS主低壓開關柜CB2UPS1UPS2SineWaveSineWave中壓低壓變壓器主交流輸入旁路交流輸入斷路器斷路器In (額定電流)、使用分斷能力、Ir(過流整定)、Im(短路整定)、Inst(瞬時整定的整定)、脫扣裝置的類型電纜電纜長度、橫截面積、壓降、變壓器和主低壓柜間的電纜安裝方法發電機組發電機組Sn, Un, Xd = (亞瞬態電抗，計算電壓失真度)Xd = (瞬態電抗， 計算短路電流)一、一、UPS系統的技術參數系統的技術參數N32021年年12月月20日日UP

2、S技術培訓資料工業過程處理CB3SineWavePMM同步電信、數據中心UPS1UPS2斷路器斷路器(CB3)In (額定電流)、 Ics (分斷能力)、 脫扣裝置的類型、 Ir、Im和Inst的設置電纜電纜長度, 截面積, CB3和負載之間的電纜安裝方法輸出隔離變壓器或輸出隔離變壓器或三次諧波濾波器三次諧波濾波器一、一、UPS系統的技術參數系統的技術參數N42021年年12月月20日日UPS技術培訓資料w輸入輸入-輸出電纜的設計輸出電纜的設計 UPS輸入輸出電纜取決于UPS的輸入輸出電流值。在UPS的安裝手冊中通常直接給出電流數值，有些廠家甚至直接給出最小的電纜截面積，這樣有利于電纜的設計和

3、選擇。例如某UPS產品安裝手冊的數據如下：二、二、UPS電源系統的設計電源系統的設計相電流(安培)銅電纜的截面積(平方毫米)UPS 額定輸出功率(KVA)主電源帶或不帶電池旁路交流電源和負載電池主電源(帶或不帶電池)旁路交流電源和負載電池2035305216161630524672252525406961103353535508776128503550601059115450507080140121205957095100175152256957027012020918230895702701602762424109595295200346303512120120295N52021年年12月月

4、20日日UPS技術培訓資料電纜截面的選擇主要取決于兩個因素：電纜截面的選擇主要取決于兩個因素： 所允許的導線溫升；所允許的導線溫升； 所允許的傳輸壓降。所允許的傳輸壓降。壓降（壓降（Voltage drops）電纜所允許的最大壓降： 交流電路（交流電路（50HZ或或60HZ）為）為3%； 直流電路為直流電路為1%。通常UPS的輸出電壓可進行3%的調節，以彌補電纜壓降。w輸入輸入-輸出電纜的設計（續）輸出電纜的設計（續）二、二、UPS電源系統的設計電源系統的設計N62021年年12月月20日日UPS技術培訓資料w輸入輸入-輸出電纜的設計輸出電纜的設計注意問題：注意問題：UPS輸入輸出電纜的選擇通

5、常不要比給定的截面大兩個等級，否則很難連接，并且機柜下部的電纜轉彎半徑也不足；電纜通常采用銅芯結構，盡量不采用鋁導線；電纜盡量采用下進下出的方式，頂部進線需增加進線柜；并聯使用的電纜盡量不超過4根。中線電纜：中線電纜：在由眾多的單相負載組成的三相配電系統中，由于三次諧波電流H3在中線上得以迭加，因此應選擇： 中線電纜截面=1.5 x 相線電纜截面這對于UPS的旁路輸入或UPS輸出電纜都是十分重要的。二、二、UPS電源系統的設計電源系統的設計N72021年年12月月20日日UPS技術培訓資料單單 臺臺 U P S 上上 線線 保保 護護 裝裝 置置 的的 容容 量量 推推 薦薦 值值 (梅梅 蘭

6、蘭 日日 蘭蘭 斷斷 路路 器器 )主主 電電 源源 交交 流流 輸輸 入入 的的 斷斷 路路 器器旁旁 路路 電電 源源 交交 流流 輸輸 入入 的的 斷斷 路路 器器U P S 額額 定定 輸輸 出出功功 率率 (K V A )斷斷 路路 器器控控 制制 單單 元元斷斷 路路 器器控控 制制 單單 元元20N S 100N 3PT M 63DN S 100N 4PT M 63D30N S 100N 3PT M 63DN S 100N 4PT M 63D40N S 100N 3PT M 80DN S 100N 4PT M 80D50N S 100N 3PT M 100DN S 100N 4P

7、T M 100D60N S 125E 3PT M 125DN S 125E 4PT M 125D80N S 160N 3PT M 160DN S 160N 4PT M 160D100N S 250N 3PT M 200DN S 250N 4PT M 200D120N S 250N 3PT M 250DN S 250N 4PT M 250D160N S 400N 3PS T R 23 S EN S 400N 4PS T R 23 S E200N S 400N 3PS T R 23 S EN S 400N 4PS T R 23 S Ew輸入輸入-輸出斷路器的選擇：輸出斷路器的選擇：UPS斷路器的設

8、計是一個極為專業和復雜的過程，應由設計部門完成； UPS的輸入斷路器的輸入斷路器在UPS的安裝手冊上一般具有明確的說明，例如：二、二、UPS電源系統的設計電源系統的設計N82021年年12月月20日日UPS技術培訓資料w輸入輸入-輸出斷路器的選擇：輸出斷路器的選擇：UPS的輸出斷路器的輸出斷路器在UPS的安裝手冊上一般具有明確的說明，如果沒有按照所推薦的下線保護裝置選擇，則當某一路負載輸出發生短路或故障時，其結果可能是使UPS輸出的所有各路中斷。單臺單臺 UPS 下線保護裝置的容量下線保護裝置的容量(梅蘭日蘭斷路器梅蘭日蘭斷路器)下線斷路器下線斷路器UPS 額定輸出額定輸出功率功率(KVA)斷

9、路器控制單元20 到 40kVAC60NC 10A / B 20A50 到 60kVAC60NC 20A / B 32A80 到 120kVAC60N / NC100C 50A / B 63A160 到 200kVANC100C 63A / B100A二、二、UPS電源系統的設計電源系統的設計注意：注意： 該斷路器的容量為該斷路器的容量為UPS輸出端容量最大的負載支路，而非總容量。輸出端容量最大的負載支路，而非總容量。N92021年年12月月20日日UPS技術培訓資料w輸入輸入-輸出斷路器的選擇：輸出斷路器的選擇：注意問題：注意問題：主電源輸入斷路器通常按照1.2倍的輸出相電流選擇，無需過大（

10、IGBT整流器可選擇1.1倍）；旁路斷路器通常按照輸出的額定電流選擇；單機UPS的輸出總開關，最好選擇負荷開關而不用斷路器，以增加上下線之間的選擇性；并聯UPS的輸出，最好在每臺增加一個隔離開關，以方便維修和測試，如下頁圖。二、二、UPS電源系統的設計電源系統的設計N102021年年12月月20日日UPS技術培訓資料 負載Q4S Q3BP QF1 QF1 Q1 Q1 Q5N Q5N Q1BP Q20 Q10 電流互感器 1 電流互感器 3 Q5N 靜態開關柜電池 2 旁路交流輸入電池 1 主交流輸入 測試負載測試負載主交流輸入page 11斷路器的選擇性斷路器的選擇性脫扣曲線脫扣曲線CB3脫扣

11、曲線CB2脫扣曲線1011000.10.010.001110100Im下線Im上線以秒計算的脫扣時CB2曲線CB3曲線發電機短路電流靜態開關熱過載上線斷路器的電流比I/In Ir：過載整定 Im：短路整定 Inst：瞬間短路整定Ir上線Ir下線變壓器的起動電流UPS全部負載的起動電流CB1：主電源輸入 CB2：旁路輸入 CB3：輸出為主電源的短路保護選擇CB1和CB2的分斷容量(上線電源通常為變壓器)當下線發生短路時，CB1和CB2必須脫扣 (特別是電源為發電機時)當負載發生短路時，CB2必須能夠保護UPS的靜態開關靜態開關的過載能力通常為10到16 In持續20毫秒N122021年年12月月

12、20日日UPS技術培訓資料w運行環境的確定運行環境的確定 1）UPS的熱損耗的熱損耗 UPS的熱損耗通常在用戶手冊或安裝手冊中都會有明確的數值，按照該數值確定空調系統的制冷容量即可。但在機房設計時，可能UPS的品牌尚不能完全確定，這時可按照下式進行估算：式中：表示UPS的整機效率。功率因數容量熱損耗1UPS 2）UPS的排風量的排風量 UPS的排風量通常在用戶手冊或安裝手冊中都會有明確的數值（立方米/小時），需要按照該數值計算空調系統的通風量，如果通風量要求不能滿足，則UPS的環境溫度仍然不能降低到所允許的溫度。 3）UPS運行的海拔高度運行的海拔高度 UPS在高原、山地運行時，由于空氣的稀薄

13、，氣壓低，造成UPS不能帶額定負載運行，這就是所謂的功率折算的問題。UPS的功率折算表通常在用戶手冊或安裝手冊中都會有明確的數值，在設計計算機房UPS電源系統時，應予以重視。二、二、UPS電源系統的設計電源系統的設計N132021年年12月月20日日UPS技術培訓資料wUPS通信與監控管理的確定通信與監控管理的確定 UPS與其環境的通信與其環境的通信，在各個UPS產品中都以標準配置或選件的形式配備了通信接口板，用來與不同的環境交換數據或指令，這包括：電力環境電力環境 (PLC、監控，等等)；計算機環境計算機環境(網絡和計算機系統)。 數字通信技術是通過標準網絡實施的數字通信技術是通過標準網絡實

14、施的，使用的接口板有四種： RS232 U-talk 或或 RS485 JBUS，用于通過點對點連接、本地總線或公共電話交換網(PSTN)與電氣環境進行通信； SNMP/以太網以太網，用于在以太網上與計算機環境進行通信； http 或或 XML，用于將UPS直接連接到因特網； USB/HID，通過Solution-Pac或Manage-Pac軟件在 Windows 2000 或 OS Mac 9.04的電源管理功能上提供信息。二、二、UPS電源系統的設計電源系統的設計N142021年年12月月20日日UPS技術培訓資料w電池在電池在UPS中的作用：中的作用：UPS要為負載提供一定的后備時間，就

15、必須具有電能的儲存；到目前為止，還沒有找到一種技術能夠儲存交流電能，也就是說電能的儲存技術仍然只能采用直流形式。電池在UPS電源中的主要作用就是儲存電能，一旦市電中斷，由電池放電供給逆變器，由逆變器將電池釋放出的直流電轉變為正弦交流電，維持UPS電源的正常輸出，確保計算機在一定的時間內正常用電。在市電正常供電時，電池在整流充電電路中儲存電能，同時對直流電路起到平滑濾波的作用，并在逆變器發生過載時，起到緩沖器的作用。三、三、UPS電池容量的選擇電池容量的選擇N152021年年12月月20日日UPS技術培訓資料w電池的分類電池的分類：電池在電池在UPS中已得到廣泛的應用，其品種繁多，型號齊全，規格

16、各異，但中已得到廣泛的應用，其品種繁多，型號齊全，規格各異，但按其基本性質電池可以分為按其基本性質電池可以分為酸性電池酸性電池和和堿性電池堿性電池兩大類兩大類：酸性電池酸性電池：酸性電池的電解液一般是由稀硫酸（H2SO4）或者膠體硫酸構成，極板由鉛Pb和過氧化鋁PbO2構成，通過化學反應貯存電荷，起到電池儲能的作用；堿性電池堿性電池：堿性電池的電解液一般是由氫氧化鉀KOH或者氫氧化鈉NaOH（燒堿）組成。極板由于電池的結構不同而各異。如鎘鎳電池正極板是氫氧化鎳Ni(OH)3，負極板是鎘Cd；鐵鎳電池的正極板是氫氧化鎳Ni(OH)3，負極板是鐵Fe；銀鋅電池的正極板是過氧化銀Ag2O3，負極板是

17、鋅Zn。電池也可以按照使用方式進行分類電池也可以按照使用方式進行分類：開口型開口型、密封型密封型。三、三、UPS電池容量的選擇電池容量的選擇N162021年年12月月20日日UPS技術培訓資料w電池的充電：電池的充電：電池的電池的充電特性充電特性曲線具有三個階段曲線具有三個階段： 恒流充電階段：恒流充電的控制方法是降壓限流，隨著電池容量的恢復，電池的電壓不斷上升，一直達到恒壓充電電壓為止，因此這一過程也稱之為升壓充電(Boostcharging)。放電越深則恒流充電階段越長，反之則較短。 恒壓充電階段：電池電壓保持不變，充電電流逐漸減小，對密封電池來說，應維持在68小時，然后轉入浮充狀態，恒壓

18、充電過程也稱之為恢復充電(Recharging)。 浮充電階段：這一過程是為保持電荷的儲量及防止自放電所必需的維持充電。通常認為每安培小時的充電電流降至10毫安以下時即認為電池已進入浮充電狀態。浮充電流通常很微弱故有時又稱為涓流充電(Trickling charging)。三、三、UPS電池容量的選擇電池容量的選擇N172021年年12月月20日日UPS技術培訓資料w電池的放電：電池的放電：電池的電池的放電特性放電特性曲線具有三個曲線具有三個特征：特征：當負載(即放電電流)較小時，電池的放電曲線較平滑，放電的時間較長。無論負載的輕重如何，在放電的初始階段都有電池電壓突然下降較多，然后略有回升的

19、現象，這個過程形成電池電壓有較大的低谷； 無論放電電流的大小，電池的端電壓最終將出現急劇下降的拐點，以拐點連接得到的曲線就稱為安全工作時的終止電壓曲線，UPS的電池工作點都是設計在這條拐點曲線附近的。 電池最低放電電壓曲線以下的部分，表示低于此電壓將造成電池特性的永久損壞；在UPS中，當直流電壓過低時，將引起逆變器脈寬調制波的進一步變寬，而過大的直流分量將引起逆變變壓器的磁飽和現象，從而導致正弦波的失真。三、三、UPS電池容量的選擇電池容量的選擇N182021年年12月月20日日UPS技術培訓資料四、電池后備時間的計算四、電池后備時間的計算電池后備時間的計算，主要依賴于電池品牌的選擇，包括電池

20、的類型、電池的使用壽命、電池的安裝方式等，可參照該品牌的電池參數，來計算電池的容量和數量。w按照按照UPS功率計算電池容量功率計算電池容量 舉例：一臺舉例：一臺200KVA UPS，要求使用使用上海西恩迪的十年免維護電池，后備時間為要求使用使用上海西恩迪的十年免維護電池，后備時間為30分鐘。分鐘。UPS的電池終止電壓為的電池終止電壓為338V，逆變器效率為逆變器效率為0.94，輸出功率因數為，輸出功率因數為0.8，試選，試選擇電池容量、串連只數、并聯組數擇電池容量、串連只數、并聯組數。N192021年年12月月20日日UPS技術培訓資料w按照按照UPS功率計算電池容量功率計算電池容量 UPS所

21、需的直流功率為：所需的直流功率為：每組電池的串連只數為每組電池的串連只數為：根據電池放電功率表，選擇根據電池放電功率表，選擇MPS12-100（12V-100AH）電池，每個單體電池，每個單體放電功率為放電功率為209W（1.65V/cell, 30分鐘時），則需要的電池組數為：分鐘時），則需要的電池組數為：即需要的電池配置為：即需要的電池配置為：12V-100AH電池電池34只只4組。組。KWUPSPdc2 .17094. 08 . 0200逆變器效率功率因數容量）單體（電池終止電壓終止電壓cellVVUPSNo2058 .20465. 1338組組（單體數）單體數單體功率497. 3205

22、2092 .170WKWNoPdcG四、電池后備時間的計算四、電池后備時間的計算N202021年年12月月20日日UPS技術培訓資料w按照放電電流計算電池容量按照放電電流計算電池容量UPS所需的所需的最大直流最大直流電流電流為為：根據湯淺電池放電曲線可知，當電池終止電壓為根據湯淺電池放電曲線可知，當電池終止電壓為1.65V/cell（9.9V/只）只）時，與時，與30分鐘的放電曲線交點為分鐘的放電曲線交點為 1.05C，則需要電池的容量為：則需要電池的容量為：即：即：200KVA 30分鐘后備時間，需要分鐘后備時間，需要100AH-12V的電池的電池 5組并聯，每組組并聯，每組34只只，選擇選

23、擇NP12-100電池電池。AVKWUBendPdcax5 .5033382 .170ImAHAHCAAC10055 .47905. 15 .503電池放電速率）電池放電電流（電池容量四、電池后備時間的計算四、電池后備時間的計算為什么不一致呢？為什么不一致呢？N212021年年12月月20日日UPS技術培訓資料電池的充電特性電池的充電特性 恒流充電恒流充電I max = 0.1C10 恒壓充電恒壓充電五、電池的監測與保護五、電池的監測與保護335 V0.1 C423 V463 V0t10U IUIN222021年年12月月20日日UPS技術培訓資料電池的放電特性電池的放電特性 后備時間后備時間

24、t t335 V423 V463 VU batw提供電池的后備時間計算和顯示提供電池的后備時間計算和顯示五、電池的監測與保護五、電池的監測與保護預報警電壓預報警電壓終止電壓終止電壓tEndtAlarmN232021年年12月月20日日UPS技術培訓資料U = E - R*ibS = 1 -idtC10R = f(S) = R0SKidtC10= 電池實際輸出的安時數電池實際輸出的安時數 / C10iUER電池監測的數學模型電池監測的數學模型R0= 電池初始內阻：電池初始內阻： 當電池充滿電時，當電池充滿電時，S = 1，則，則 R = R0K= 電池生產廠給出的放電系數電池生產廠給出的放電系數

25、S= 電池充電狀態系數：電池充電狀態系數： 當電池開始放電時當電池開始放電時, t = 0，則，則 S趨于趨于1 當電池放電終止時當電池放電終止時, t = tEnd，則則 S趨于趨于0C10= 10小時放電制的電池容量，安時小時放電制的電池容量，安時 (AH)五、電池的監測與保護五、電池的監測與保護(S表示電池的可用容量表示電池的可用容量)N242021年年12月月20日日UPS技術培訓資料實際后備時間顯示實際后備時間顯示微處理器微處理器計算軟件計算軟件初始電壓Eo，初始內阻Ro，初始溫度to，初始容量C10，放電系數k1-k2，充電系數1- 2串聯只數，并聯組數，終止電壓等全面全面考慮電池

26、參數考慮電池參數:市電正常時，顯示額定后備時間市電正常時，顯示額定后備時間市電停電時，顯示剩余后備時間市電停電時，顯示剩余后備時間根據實際環境根據實際環境及及電池參數電池參數測量電池的實際后備時間測量電池的實際后備時間電池電壓電池電壓電池電流電池電流負載功率負載功率電池電池溫度溫度電池電池使用年期使用年期放電結束預報警放電結束預報警電池壽命終止預報警電池壽命終止預報警五、電池的監測與保護五、電池的監測與保護w電池后備時間的電池后備時間的智能化監測功能智能化監測功能N252021年年12月月20日日UPS技術培訓資料K = 電池廠家提供的放電系數電池廠家提供的放電系數S = 電池充電狀態系數電池

27、充電狀態系數 (10)U = Eo R*iR =RoSktR=f ( Sk)RRoEoUt1t2t(R1)(R2)電池電壓電池電壓U是內阻是內阻R的函數的函數五、電池的監測與保護五、電池的監測與保護N262021年年12月月20日日UPS技術培訓資料t電池電壓電池電壓UEndE0t1t2t3t0U額定負載率額定負載率(C10)低負載率低負載率(0.5C10 )w電池放電曲線是負載率的（非線性）函數電池放電曲線是負載率的（非線性）函數五、電池的監測與保護五、電池的監測與保護k2k1N272021年年12月月20日日UPS技術培訓資料t電池電壓電池電壓UEndE0t1t2t3t0U帶帶100%負載時，負載時，t1=10分鐘分鐘w實際后備時間是負載率的（非線性）函數實際后備時間是負載率的（非線性）函數五、電池的監測與保護五、電池的監測與保護帶帶50%負載時負載時, t2 = 25分鐘，分鐘，而不是而不是20分鐘分鐘N282021年年12月月20