UPS 方案設計

1 設計目的
隨著電子計算機在國防、科研、生產自動化、管理等領域的廣泛應用，近二十幾年里在我國如雨后春筍般地建成了很多大、中、小各種規模的計算機機房，為計算機尋求和建造一個合適的工作環境以確保計算機可靠，充分發揮其設計性能，延長機器的使用壽命以及確保工作人員身心健康的問題越來越受到建設方的重視，并成為追求目標。
2 設計任務與要求
2.1 設計任務
設計一個10K UA 不間斷電源，不僅能夠不間斷供電，還要能夠對負載實現抗干擾供電，工作穩定性高，電路中含有保護電路。
2.2 設計要求
    說明電路的工作原理，原理圖，以及參數的選擇和相關參數計算，參數計算中包括P－電池放電功率，UPS電池放電功率，A－UPS功率因數，電源逆變效率。
3 UPS設計方案
3.1 電路工作原理
按UPS的工作方式來分，可分為在線（on－line）式UPS和離線（off－line）式UPS。離線式UPS又稱后各式UPS，它還可分為正弦波輸出、方波輸出、帶穩壓的或不帶穩壓的。
（1）后各式UPS 后各式UPS是指UPS中的逆變器只在市電中斷或欠壓失常狀態（欠壓值約在170V，即UPS投人電壓）下才工作，向負載供電，而平時逆變器不工作，處于各用狀態。
圖1為后備式UPS電能流程圖。市電供電正常時，市電一方面直接通過交流旁路支路轉換開關，經濾波器輸出至負載；另一方面通過電源變壓器，經整流后變成直流電，再經充電回路向蓄電池組充電。當市電供電中斷時，蓄電池儲存的電能通過逆變器變成交流電，經濾波器繼續向負載供電。 　　在后各式UPS中實際電路也含有各種保護、告警等控制回路，比較復雜。
　　（2）在線式UPS 圖2為在線式UPS電能流程圖。市電供電正常時，市電經過電源變壓器、整流器后，一路經逆變器、濾波器輸出至負載；另一路經充電回路向蓄電池組充電。當市電中斷，蓄電池組端電壓低于設定值或逆變器故障時，市電就通過旁路支路經轉換開關、濾波器向負載供電。由此可見，不管市電正常或中斷，在線式UPS的逆變器總是在工作。 　　（3）UPS的主要組成部分 UPS主要由逆變器、蓄電池、整流器／充電器和轉換開關等組成。逆變器主要由晶體三極管、變壓器和控制回路等組成，其作用是變直流為交流輸出，它是UPS的核心部分，UPS的技術性能、質量主要取決于它。蓄電池是UPS儲能裝置。UPS中的蓄電池應具有良好的大電流放電特性，能經得住反復地充放電，壽命要長，目前UPS常用的是免維護密封式鉛酸蓄電池。整流器／充電器是把市電變成直流電，為逆變器和蓄電池提供電能的裝置。轉換開關（靜態開關）的作用是通過瞬時的高速檢測回路，當市電有干擾或出現大的浪涌時，把UPS迅速轉到旁路輸出，以保護UPS；它的第二個作用是提供維修通道。對轉換開關要求切換時間快、過載能力大。
　　（4）各類UPS的特點
　　①在線式UPS的特點
　　a．在線式UPS都為正弦波輸出，其最顯著的特點是實現了對負載的真正不間斷供電。
　　b．在線式UPS實現了對負載的抗干擾供電。因為在線式UPS無論由市電或蓄電池對負載供電，都要通過逆變器進行，這就可能從根本上消除來自市電電網上的所有電壓波動和電干擾對負載的影響，UPS始終向負載提供一個穩壓穩頻的高質量交流電源。而且，在線式UPS的正弦失真系數最小。
　　c．與后各式UPS相比，在線式UPS具有優良的瞬時特性時，它在100％負載加載或減載時，其輸出電壓的變化小于4％，時間約10～40ms。
　　d．在線式UPS具有較高的工作可靠性。
　　②后備式正弦波輸出的UPS的特點
　　a．一般后各式正弦波輸出的UPS電路中均采用抗干擾式分級調壓穩壓技術，當市電在180～250V的范圍內時，能輸出一個具有抗干擾的穩壓的正弦波電壓。
　　b．切換時間較短，約4ms，最短2ms。
　　c．其輸出端的零線和火線是固定的，這是因為UPS中市電供電或逆變器對負載供電都是由同一電源變壓器來完成。所以用戶在連接這種UPS時，應符合廠家的規定。后各式正弦波輸出的UPS都有零、火線判錯電路，一旦發現輸人端零、火線與UPS要求的不一致，UPS會自動保護，沒有輸出。還需指出的是，后各式UPS中220V輸人的零線就是UPS控制線路的地線。
　　③后備式方波輸出的UPS的特點
　　a．與后備式正弦波輸出的UPS一樣，該線路中采用抗干擾式分級調壓穩壓技術，當市電在180～250V之間變化時，它的穩壓精度在5％～10％；市電中斷時，逆變器對負載提供∵個穩定度在±5％、無干擾的方波電源。
　　b．方波輸出的后備式UPS的控制線路中未采用與市電同步的技術，其切換時間相應比正弦波輸出的后各式UPS要長一些，約4～9ms。
　　c．與后備式正弦波輸出的UPS一樣，它的輸出端零、火線是固定的。使用時，交流輸入端的極性應符合出廠規定。
　　d．不能接像日光燈那類性質的負載，否則會達不到機器的出廠指標，或損壞UPS本身。并且，它不能進行頻繁的關閉和啟動。UPS關機后，如立即再啟動，它就不能正常工作，此時無電壓輸出且蜂鳴器長鳴，稱為啟動失敗。所以，關機后，如需重新開機，要等6s以上時間。
3.2 電源工作過程
當市電正常380Vac時，直流主回路有直流電壓，供給DC-AC交流逆變器，輸出穩定的220Vac交流電壓，同時市電對電流充電。當任何時候市電欠壓或突然掉電，則由電池組通過隔離二極管開關向直流回路饋送電能。從電網供電到電池供電沒有切換時間。當電池能量即將耗盡時，不間斷電源發出聲光報警，并在電池放電下限點停止逆變器工作，長鳴告警。不間斷電源還有過載保護功能，當發生超載（150%負載）時，跳到旁路狀態，并在負載正常時自動返回。當發生嚴重超載（超過200%額定負載）時，不間斷電源立即停止逆變器輸出并跳到旁路狀態，此時前面空氣開關也可能跳閘。消除故障后，只要合上開關，重新開機即開始恢復工作。為使不間斷電源充分工作，避免在過載或欠載下運行，電源在開機前，首先計算負載容量。FR-UK型不間斷電源（標稱額定功率）80%的阻性負載設計負載能力，一般帶計算機負載時可承受的按下式估算：
∑i=1 n Pi≤P其中P為不間斷電源輸出容量（VA），P為第i個負載伏安數
每套PLC功率： 220V*0.5=110VA
每臺操作站功率： 220V*2A=440VA
IBM PC客戶機及服務器：220V*1.5A=330VA
則總功率：10*110VA+4*440VA+11*330VA=6490VA
6490VA/0.8=8112VA
因此，在這條棒材生產線上，采用10KVA的不間斷電源比較合適。
3.3 UPS電源系統的使用與維護
3.3.1 UPS電源系統開、關機
3.3.1.1 第一次開機
(1)按以下順序合閘：儲能電池開關→自動旁路開關→輸出開關依次置于“ON"。
(2)按UPS啟動面板“開”鍵，UPS電源系統將徐徐啟動，“逆變”指示燈亮，延時1分鐘后，“旁路”燈熄滅，UPS轉為逆變供電，完成開機。
經空載運行約10分鐘后，按照負載功率由小到大的開機順序啟動負載。
3.3.1.2 日常開機
只需按UPS面板“開”鍵，約20分鐘后，即可開啟電腦或其它儀器使用。通常等UPS啟動進入穩定工作后，方可打開負載設備電源開關（注：手動維護開關在UPS正常運行時，呈“OFF"狀態）。
3.3.1.3 關機
先將電腦或其它儀器關閉，讓UPS空載運行10分鐘，待機內熱量排出后，再按面板“關”鍵。
3.3.2 UPS電源系統使用注意事項
UPS電源系統因其智能化程度高，儲能電池采用了免維護蓄電池，這雖給使用帶來了許多便利，但在使用過程中還應在多方面引起注意，才能保證使用安全。
(1)UPS電源主機對環境溫度要求不高，+5℃～40℃都能正常工作，但要求室內清潔，少塵，否則灰塵加上潮濕會引起主機工作紊亂。儲能蓄電池則對溫度要求較高，標準使用溫度為25℃，平時不能超過+15℃～+30℃。溫度太低，會使儲電池容量下降，溫度每下降1℃，其容量下降1％。其放電容量會隨溫度升高而增加，但壽命降低。如果在高溫下長期使用，溫度每高10℃，電池壽命約降低一半。
(2)主機中設置的參數在使用中不能隨意改變。特別是對電池組的參數，會直接影響其使用壽命，但隨著環境溫度的改變，對浮充電壓要做相應調整。通常以25℃為標準，環境溫度每升高或降低1℃時，浮充電壓應增加18mV（相對于12V蓄電池）。
(3)在無外電靠UPS電源系統自行供電時，應避免帶負載啟動UPS電源，應先關斷各負載，等UPS電源系統起動后再開啟負載。因負載瞬間供電時會有沖擊電池，多負載的沖擊電流和加上所需的供電電流會造成UPS電源瞬間過載，嚴重時將損壞變換器。