UPS的內部接線及工作原理

2024年4月12日第一部分：概述1.1定義UPS（UninterruptiblePower），即不間斷電源，是將蓄電池與主機相連接，通過主機逆變器等模塊電路將直流電轉換成市電的系統設備。主要用于給單臺、計算機網絡系統或其它電力電子設備提供穩定、不間斷的電力供應。當市電輸入正常時，UPS將市電穩壓后供應給負載使用，此時的UPS就是一臺交流市電穩壓器，同時它還向機內電池充電；當市電中斷（事故停電）時，UPS立即將電池的直流電能，通過逆變零切換轉換的方法向負載繼續供應220V交流電，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。UPS設備通常對電壓過高或電壓過低都能提供保護。21.2UPS電源的分類按電路主結構分為四大類1）后備式UPS;2）在線式UPS；

3）串并聯調整式UPS；

4）在線互動式UPS。新疆寰球工程公司

2024年4月12日3新疆寰球工程公司4

2014年4月2日按后備時間分類：標準機和長效機（1）標準機：配備有內置蓄電池組的UPS稱為標準機。一般配置蓄電池容量較小，用于短時間供電（如5-15分鐘），使用戶及時保存數據和系統正常關機。由于受體積和重量的限制，標準機僅局限于中、小功率的UPS。（2）長效機：需外接蓄電池組的UPS稱為長效機，長效機的容量從幾百伏安到幾十千伏安可供選擇。在實際應用中長效機有著很大的機動性，用戶可以根據自己所需后備時間的長短來確定采用何種容量的蓄電池。新疆寰球工程公司5

2024年4月12日1.3主要組成部分其中（1）整流器整流器把交流電能變為直流電能，為逆變器和蓄電池提供能量，其性能的優劣直接影響UPS的輸入指標。①可控硅整流器可控硅整流器輸出容量大，可靠性高，工作頻率低，濾波器體積大，噪聲大，適用于輸入電壓低、功率大的UPS。②二極管與絕緣柵雙極晶體管(IGBT)組合型整流器二極管與IGBT組合型整流器的工作頻率高，具有功率因數校正功能，濾波器體積小，嗓聲低，可靠性高，適用于中小功率UPS。新疆寰球工程公司6

2024年4月12日（2）逆變器逆變器用以把市電經整流后的直流電能或蓄電池的直流電能轉換為電壓和頻率都比較穩定的交流電能，其性能的優劣直接影響UPS的輸出性能指標。IGBT逆變器工作頻率高(2OkHz)，濾波器體積小，噪聲低，可靠性高。新疆寰球工程公司7

2024年4月12日（3）旁路開關旁路開關是為提高UPS系統工作的可靠性而設置的，能承受負載的瞬時過載或短路電流。因UPS的逆變器采用電子器件，如IGBT管的過載能力僅為125%，當UPS供電系統出現過載或短路故障時，UPS將自動切換到旁路，以保護UPS的逆變器不會因過載而損壞。UPS供電系統轉入旁路供電后，是由市電直接供給負載的，因市電的系統容量大可提供足夠的時間使過載或短路回路的斷路器跳閘，待系統切除過載或短路回路后，旁路開關將自動轉換回來，由UPS繼續向其他負載供電。旁路開關可分為以下幾種。新疆寰球工程公司8

2024年4月12日①靜態旁路開關靜態旁路開關為無觸點開關，由晶閘管開關器件構成。所謂電子式靜態轉換開關，是將一對反向并聯的快速晶閘管連接起來，作為UPS在執行由市電旁路供電至逆變器供電切換操作時的元件。由于快速晶閘管的接通時間為微秒級，同小型繼電器毫秒級的轉換時間相比，它只是小型繼電器的千分之一左右。因此，依靠這種先進技術，可以對負載實現轉換時間為零的不間斷供電。正常工作時，只有逆變器供電通道或交流旁路電源通道中的一路電源向負載供電。只有當UPS需要執行由交流旁路電源供電至逆變器供電切換操作時，才會出現短暫的(約幾毫秒至幾十毫秒)兩路交流電源在時間上重疊向負載供電的情況。靜態開關可以將轉換時間縮短到lms以下，甚至1OOus以內，但損耗較大。新疆寰球工程公司9

2024年4月12日②動態旁路開關動態旁路開關為有觸點開關，由接觸器和斷路器構成，靠機械動作完成轉換，動態開關轉換過程會有幾十毫秒的供電中斷，故不能應用于重要的負載場合，現代的UPS己很少采用。(4)蓄電池蓄電池用以為UPS提供一定后備時間的電能輸出。在市電正常時，由充電器為其提供電能并轉換為化學能；在市電中斷時，其將化學能再轉換為電能，為逆變器提供能量。新疆寰球工程公司10

2024年4月12日(5)隔離變壓器在ups電源供電系統中之所以要配置隔離變壓器，有些是ups電源設備本身要求的，隔離變壓器是ups電源電路的一個重要的組成部分；有的是為了改善系統供電質而設置的；還有的是為了電網與負載設備的電壓置式之間的匹配而設置的。新疆寰球工程公司11

2024年4月12日第二部分：

UPS的工作原理及特點2.1后備式UPS特點：結構簡單、價格便宜、噪聲低，但絕大部分時間，負載得到的是稍加穩壓處理過的“低質量”正弦波電源。轉換時間長，后備式UPS的逆變器不是經常工作的，因此不易掌握逆變器的動態狀況，容易形成隱性故障。適合不太重要的單臺PC機使用。新疆寰球工程公司12

2024年4月12日工作原理為：

當市電電正常時（電網電壓在UPS輸入電壓變化范圍內），一路市電通過整流器對蓄電池進行充電，而另一路市電通過自動穩壓器初步穩壓，吸收部分電網干擾后，再由旁路轉換開關直接提供給用戶。此時，蓄電池處在充電狀態，直到蓄電池充滿而轉人浮充狀態。

當電網電壓或電網頻率超出UPS的輸入范圍時，即在非正常的情況下，交流電的輸入被切斷，充電器停止工作，蓄電池進行放電，在控制電路的控制下逆變器開始工作，使逆變器產生220V、50Hz的交流電，此時UPS供電系統轉換為由蓄電池一逆變器繼續向負載供電。新疆寰球工程公司13

2024年4月12日后備式正弦波輸出UPS的主要特點①輸出波形失真系數小于5%。當負載過輕時，其波形失真系數將有所增大，因此這種UPS的負載需達到其額定值的30%以上。②控制電路采用了5OHz市電同步技術，在一定程度上解決了市電一逆變器之間供電轉換時的交流電同步問題。目前轉換時間大約為4ms。其轉換時間決定了它對負載大約有4ms的供電中斷，小于微型計算機允許的中斷值lOms。③處于市電供電狀態時，由于市電是直接通過抗干擾濾波器對負載供電的，因此噪聲較小；處于逆變器工作狀態時，由于脈寬調制頻率為8kHz，因此噪聲偏大，一般在55dB左右。④市電或逆變器供電時均采用同一電源變壓器，其交流輸出端的相線與零線的位置是固定的。新疆寰球工程公司14

2024年4月12日2.2在線式UPS新疆寰球工程公司15

2024年4月12日工作原理及特點：不管電網電壓是否正常，負載所用的交流電壓都要經過逆變電路，即逆變電路始終處于工作狀態。在線式UPS一般為雙變換結構。所謂雙變換是指UPS正常工作時，電能經過了AC/DC、DC/AC兩次變換后再供給負載。當然為了提高的可靠性，雙變換大線式UPS一般增加了自動旁路電路。小功率采用繼電器轉換便能滿足要求，而大功率一般為采用可控硅（SCR）方式的靜態開關。功率較大的UPS在此基礎上還增加了手動旁路（維修開關），用于維修時保證負載繼續運行。新疆寰球工程公司16

2024年4月12日在線式UPS真正實現了對負載的無干擾、穩壓、穩頻供電。在線式UPS輸出的正弦波的波形失真系數小，目前一般市售產品的波形失真系數均在3%以內。當市電供電中斷時，UPS的輸出不需要一個開關轉換時間，因此其負載電能的供應是平滑穩定的。在線式UPS能實現對負載的真正的不間斷供電，因此從市電供電到市電中斷的過程中，UPS對負載供電的轉換時間為零。由于在線式UPS工作過程是平時對蓄電池充電，當市電供電中斷或超出UPS允許輸入范圍時，再由逆變器將蓄電池的電能逆變成交流電能，因此其電能的轉化過程中有大約20%的電能損失，而且該過程所產生的熱能又影響周圍蓄電池的壽命和電路的可靠性。新疆寰球工程公司17

2024年4月12日傳統雙變換在線式UPS這是一種目前應用歷史最長，認為性能最好的UPS。它的結構特點是除了具有整流器和逆變器外，還有輸出隔離變壓器。增加隔離變壓器主要原因是：由于過去電力電子器件的限制，缺少高耐壓、大電流的功率器件作逆變器，整流器變換出的直流電壓不能很高，所以逆變器輸出的交流電電壓較低，需要輸出隔離變壓器再進行一次升壓。因其配有輸出隔離變壓器，可以將負載與市電中線進行有效的隔離和緩沖。它的工作特點是交流市電經整流器變為穩壓直流，經過電容濾波后由逆變器變換為純凈的交流電，再經輸出隔離變壓器輸出穩定適用的交流電壓供給負載。新疆寰球工程公司18

2024年4月12日2.3在線互動式UPS新疆寰球工程公司19

2024年4月12日工作原理及特點：在線互動式UPS有時被稱為“準在線”輸出UPS。在市電正常時，在線互動式UPS供給負載的是改善了的市電；市電故障時，負載完全由蓄電池提供的能量經逆變器變換后供電。在線互動式UPS中有一個雙向，既可以當逆變器使用，又可作為充電器。所謂互動式就是指電源根據輸入市電情況通過升降壓或逆變實時調整電壓輸出。在線互動式UPS與雙變換式相比，由于沒有經過兩次變換，其功率損失明顯低于雙變換機，因而效率高，可達95%以上，在市電供電時過載能力可達200%。不帶PFC的雙變模式UPS由于采用可控硅（或二極管）整流，即使負載為線性負載，也會對市電產生較強的諧波電流，但互動式UPS在帶線性負載時不會對市電產生污染。這種拓樸的缺點是：新疆寰球工程公司20

2024年4月12日①在市電供電時，輸入電壓只是幅度有所改善，而輸入的失真、干擾等傳遞給了輸出；②動態性能不好，在輸入電壓或負載電流突變時，輸出電壓突變較大，恢復到新穩態所需時間長；③穩壓精度較差，對電網適應范圍窄，如要提高精度和擴大適應范圍。則必須增加變壓器抽頭的個數；④UPS的輸入功率因數由負載決定，如帶計算機等整流性負載時，其輸入功率因數也只有0.7左右；⑤當雙向變換器作為充電器使用時，其充電電壓和電流不可控，大大地降低了蓄電池的使用壽命。

新疆寰球工程公司21

2024年4月12日2.4串并聯調整式UPS串并聯調整式UPS多采用雙逆變電壓補償技術也稱為Delta技術，它成功地將交流穩壓技術中的電壓補償原理運用到UPS的主電路中。

Delta變換型UPS的結構圖新疆寰球工程公司22

2024年4月12日工作原理及特點：Delta變換器是一個正弦波電流源，串接在主電路中，它的功能是提供正弦波電流，監控蓄電池組的充電電平，調整輸入功率因數，以及補償市電電壓與輸出電壓之間的差值△U。從電路結構上講，它是一個雙向變換器，逆變時輸出功率，在主電路中對輸入電壓進行補償；整流時吸收功率，對輸入電壓進行補償。該拓樸一般應用在三相大功率UPS中，這種雙變換電路拓樸把交流穩壓技術中的電壓補償原理應用到UPS的主電路拓樸中。在主調壓的基礎上，再疊加一個可大可小、可正可負的電壓，來彌補UPS輸出電壓與輸入市電的差異，使UPS拓寬了市電輸入范圍。提高了輸出穩壓精度。新疆寰球工程公司23

2024年4月12日（1）Delta變換器它是一組DC/AC和AC/DC雙向變換器，它的輸出變壓器的副邊串聯在UPS主電路中，其作用有三個：①對UPS輸入端進行輸入功率因數補償，使輸入功率因數等于1，輸入諧波電流降到3%以下。②當市電存在時，與主變換器一起完成對輸入電壓的補償：當輸入電壓高于輸出電壓額定值時，Delta變換器吸收功率，反極性補償輸入、輸出電壓的差值；當輸入電壓低于輸出電壓額定值時，Delta變換器輸出功率，正極性補償輸入、輸出電壓的差值，是串聯補償。變換器承擔的最大功率（當輸入電壓處于上限和下限時）僅為；輸出功率的20%（相當于輸入電壓變化范圍），新疆寰球工程公司24

2024年4月12日所以功率強度很小（最大有功功率僅為輸出功率的1/5左右），功率余量大，這就大大增強了UPS的輸出能力。與雙變換在線式UPS相比，過載能力得到了增強（200%，1min），不再對負載電流波峰系數予以限制，可從容地對付沖擊性負載，也不再對負載功率因數進行限制，輸出有功功率可以等于標定的kVA值。③與主變換器一起完成對蓄電池的充電和浮充功能。新疆寰球工程公司25

2024年4月12日（2）主變換器該變換器同樣是DC/AC和AC/DC雙向變換器，它的功能有四個：①同Delta變換器一起完成對輸入、輸出電壓差值的補償；②同Delta變換器一起完成對蓄電池的充電和電壓浮充功能；③隨時檢測輸出電壓，保證輸出電壓的穩定（是個電壓源），并對負載電流諧波成分進行補償，使其不對電網產生影響（屬于并聯補償）；④當市電中斷時，全部輸出功率由主變換器給出，并且保證輸出電壓不間斷，輪換時間為零，當負載電流發生畸變時，也由主變換器調整補償掉。在市電存在時，由于兩個逆變器承擔的最大有功功率僅為輸出功率的1/5左右，所以元器乃至整機的壽命可靠性必然大幅度提高。整機效率在很大的功率范圍內都可達到96%。新疆寰球工程公司26

2024年4月12日串并聯調整結構UPS的缺陷①在市電存在時，Delta變換器承擔的最大有功功率為額定功率的20%左右，但兩個變換器承擔的無功功率可能為輸出功率的一倍。②效率是個可變量，只有市電輸入為額定值，負載為線性負載時，效率才達到最高值。③盡管輸入由兩只可控硅隔離，當輸入停電甚至出現短路時，相當于Delta變換器的負載出現過載或短路，將會斷電，Delta變換器將進入保護狀態。若保護失效，則故障將是毀滅性的。新疆寰球工程公司27

2024年4月12日Delta變換型UPS雖然也是一種雙變換電路，但不同于傳統雙變換型UPS。傳統型UPS中兩個變換器的工作是不可逆的，即第一個變換器只管整流，第二個變換器只管逆變。而圖中兩個變換器都是可逆工作的，兩個變換器隨時交替工作在整流和逆變狀態下，在PWM控制下經LC濾波后取平均值。整流寬度大于逆變寬度時，平均值效果是給出功率，反之是吸收功率。新疆寰球工程公司28

2024年4月12日不同UPS的比較

第三部分：UPS的選擇與配置3.1UPS常用的三種供電方案：

29

2024年4月12日新疆寰球工程公司正常時由UPS主回路整流、逆變雙轉換進行負載供電；當整流器故障或主輸入電源消失，則由后備蓄電池組逆變轉換給負載供電；當逆變器故障或后備電池消失后，轉由旁路電源進行供電；當UPS需要維護時，可切換至維修旁路回路工作。正常工作時，由UPS主回路整流、逆變雙轉換進行負載供電，兩臺UPS平均承擔系統總負載，各承擔50%；當主機整流器故障或主輸入電源消失，則由后備蓄電池組逆變轉換給負載供電，兩臺UPS仍然各承擔50%負載。當1臺UPS故障時，系統自動識別并使其自動脫離整個系統，由另1臺帶100％負載繼續供電。當2臺UPS同時有故障時，負載可經UPS內部靜態旁路開關轉到公用旁路供電。30

2024年4月12日新疆寰球工程公司新疆寰球工程公司31

2024年4月12日正常工作時，雙電源負載由來自于不同交流UPS電源供電，由UPS主回路整流、逆變雙轉換后進行負載供電，兩臺UPS不存在平均承擔系統總負載的問題。無論UPS運行在逆變、電池或旁路狀態，只要UPS輸出端口有輸出，則每一個負載都有兩路獨立的電源負載供電。當其中1臺UPS完全故障（全停）并退出時，所有負載仍可由另1臺UPS繼續供電。3.2一般UPS系統設計過程如下

UPS負載分類及容量統計

UPS采用供電體系判別

UPS供電方案確定

UPS系統如何配置隔離變壓器

電池后備時間計算

UPS的監控及后臺管理32

2024年4月12日新疆寰球工程公司

新疆寰球工程公司33

2024年4月12日UPS容量計算

工作時當負載容量為UPS容量的60%-70%時，UPS處于最佳工作狀態。經驗公式：列：問用電負荷為5kW,功率因數為0.8時，選多大容量UPS？計算：選10KVAUPS即可。

新疆寰球工程公司34

2024年4月12日UPS供電方案確定：UPS系統應采用何種供電體系，起決于系統帶負載的容量和輸入電源要求（需要單相供電還是三相供電）。只要負載中有一個三相負載，就必須采用三進三出的UPS系統；如果所有的負載都是單相負載，則選用何種供電體系，起決于所有的負載的容量總合。一般來說：10KVA容量以下系統，采用單進單出供電體系；10~80KVA容量的系統，采用三進單出供電體系；100KVA以上系統，采用三進三出供電體系。在一些工廠，雖然所有的負載都是單相，但也只在10~40KVA容量的系統采用三進單出供電體系。主要原因源于《供配電系統設計規范》GB500522009中的規定，是上游變壓器容量和允許的不平衡電流大小決定的。新疆寰球工程公司35

2024年4月12日具體應采用何種供電方案，起決于系統所帶負載的重要性，對于運行當中可以有計劃中斷或停止運行的設備，可以選用單機供電；對于運行當中不能停電的重要單電源負載，選用并機供電；對于可以接入兩路UPS電源的負載，優先選用雙母線供電方案。選用具體的供電方案可以參考下表。實際運用中必須根據行業具體的項目，負載重要程度，運行中的實踐經驗積累，進行合理的選擇。UPS供電方案保護目的用戶可接受的實際效果單機運行保持數據完整，保護硬件安全負載可有計劃中斷檢修1＋1并機運行盡可能增加裝置持續運行的時間盡可能的無時間中斷雙輸出方式運行系統始終無間斷的供電不允許任何時間中斷新疆寰球工程公司36

2024年4月12日UPS系統如何配置隔離變壓器隔離變壓器在UPS中起到的主要作用可以歸納為：改變系統接地形式、提升輸出電壓、抑制共模電壓干擾、抑制對上游配電系統的3次諧波干擾、對輸入電源進行電氣隔離。①改變系統接地形式采用脈沖整流、IGBT逆變方式的UPS，由于采用的是全橋變換器，其經過逆變器的輸出回路是不帶中性線的。一般來說，UPS的負載通常必須具有中性線，因此，該UPS的輸出電壓不能直接接至負載，必須在UPS逆變器的輸出端增加中性線。通過在UPS逆變器的輸出端增加“三角-星”隔離變壓器，便可在輸出端增加中性線，從而改變系統的接地形式。新疆寰球工程公司37

2024年4月12日設置在逆變器輸出端的隔離變壓器同時還起到了逆變器與用電設備的電氣隔離的作用。新疆寰球工程公司38

2024年4月12日②提升輸出電壓采用脈沖整流、IGBT逆變方式的UPS，整流器將市電轉換為直流電源，400V直流電源經PWM脈寬調制后，相電壓只有180V。因此，在逆變器的輸出端需設置變比為1∶1.22的輸出隔離變壓器，以便將180V脈寬調制波提升到輸出相電壓幅值220V。③抑制對上游配電系統的3次諧波干擾用電負荷中熒光燈、節能燈、辦公設備等產生3次諧波的設備較多時，采用三角-星接法的隔離變壓器，可抑制3次諧波對上游配電系統的影響。新疆寰球工程公司39

2024年4月12日④抑制共模電壓干擾在電氣設備的電源回路中，由于三相負荷的不平衡導致中性線和PE線間存在著電位差，這是因中性線通過三相不平衡電流產生的電壓降而引起的。電子信息設備的信號電壓和邏輯電壓只有幾伏，如果此電壓降過大將使電子信息設備不能正常工作，此電壓降被稱作共模電壓干擾。設置隔離變壓器將輸入電源與輸出電源電氣隔離，其二次繞組另起一電源系統給電子信息設備供電，則中性線與PE線間的電位差在此處又從0V開始，共模電壓干擾可有效地降低。新疆寰球工程公司40

2024年4月12日⑤對輸入電源進行電氣隔離UPS系統的旁路隔離變壓器主要作用是對旁路輸入電源進行電氣隔離，使來自于不同電源的電氣系統通過隔離變壓器形成新的電氣系統。如圖所示，UPS輸入端的兩個不同電源（主路輸入電源、旁路輸入電源）通過隔離變壓器進行隔離，在輸出端形成一個不受輸入電源影響的獨立的接地系統。新疆寰球工程公司41

2024年4月12日

新疆寰球工程公司42

2024年4月12日UPS電池的計算與選擇

蓄電池容量(AH)是指在標準環境溫度下（25℃），電池在給定時間指點終止電壓時（1.80v），可提供的恒定電流(0.1C10)A與持續放電時間(10h)H的乘積（I*T）。

確定了UPS和蓄電池的品牌和UPS系統的后備時間，可以根據蓄電池數據中提供的很功率放電數據表或恒電流放電曲線，通過功率法、估算法以及電源法等計算方法來計算確定蓄電池的型號和容量。

新疆寰球工程公司43

2024年4月12日1）恒功率法（查表發）這種方法比較簡便，根據蓄電池恒功率放電參數可以快速準確的選出蓄電池的信號。首先計算在后備時間內，每個2V單體電池至少應向UPS提供的恒功率。

根據廠家提供的Vmin下的恒功率放電參數表中，找出等于或大于Pnc的功率值，這一功率值所對應的型號既能滿足UPS系統的要求。如果表中所列的功率值小于Pnc值，可通過多組電池并聯的方式達到要求。

新疆寰球工程公司44

2024年4月12日2）估算法這是根據蓄電池恒電流放電曲線來確定蓄電池容量和型號的方法，首先計算UPS系統要求的電池最大電流：Imax電池組提供最大電流Umin電池組最低電壓根據UPS要求的后備時間從恒電流曲線查出放電速率n，然后根據放電速率定義：n=Imax/C10得出配置蓄電池的額定容量C10并確定電池型號

新疆寰球工程公司45

2024年4月12日3）電源法I電池組電流

Q電池組容量（ah）

K電池保險系數,取1.25

T電池放電時間

H電池放電系數，見表1

U蓄電池放電時逆變器的輸出電壓（V）（單體電池電壓為1.85V時）

A電池溫度系數（1/℃）當放電小時率≥10時，取0.006，當1≤放電率＜10時，取0.008，當放電率＜1時，取0.01。

t實際電池所在地最低環境溫度值，所在地有采暖設備時，按15℃考慮，無采暖設備時，按5℃考慮。

新疆寰球工程公司46

2024年4月12日表1電池放電系數表

新疆寰球工程公司47

2024年4月12日4）恒流法Q－所需配置的電池容量，單位－安培×小時（Ah）P－負載功率,單位－瓦（W）T－備用時間,單位－小時（h）V－電池組額定電壓，見產品手冊參數表η－電池逆變效率，見產品手冊參數表K－電池放電系數

新疆寰球工程公司48

2024年4月12日舉例說明：

臺達NT系列80KVA

UPS后備時間30min,選用中達電通DCF126-12系列電池.計算電池容量?

臺達NT80KVAUPS直流