不间断电源系统

UPS (Uninterruptable Power Supply)

一． 定义：

UPS系统是连接在输入电源和负载之间，为重要负载提供不受电网干扰、稳压、稳频的电力供应的电源设备，在市电掉电后，UPS可继续给负载提供一段时间的供电，为通信、能源、化工、医疗等重要负载提供足够的后备时间。 二． 应用范围：

UPS系统适用于不间断用电场合，主要作为各种计算机机房的不间断电源系统，广泛应用于金融证券、邮电通信、机关、能源化工、交通运输等各行各业。

三．系统组成：

UPS系统主要包括由整流模块(REC)和逆变模块(INV)组成的AC-DC-AC变换主回路、由两组反向并联的可控硅组成的旁路静态开关、维修旁路空开Q3BP、输出隔离变压器和静态开关、蓄电池组以及输入/输出空开Q1/Q5等，如图1所示。

Q3BP旁路输入Q1主路输入 Q2 静态开关 ~TR2 -REC- KM~INV Q5 UPS输出静态开关 蓄电池

图1 UPS原理框图

UPS系统基本工作方式是主路交流电源从空气断路器Q1输入，经过整流模块将交流电源变成

直流电源，完成AC/DC变换，一方面给并接在直流母线上的蓄电池组进行浮充充电，另一方面向逆变模块提供可靠的输入直流电。逆变器进行DC/AC变换，将整流模块和蓄电池提供的直流电源变换成交流电源，经过隔离变压器输出。UPS系统应用实时处理和全数字控制技术，从主回路静态开关输出稳定、洁净、不间断的交流电源。输入电源也可以从包含有静态开关的旁路回路向负载供电。另外，在要求负载电源不停电而对UPS内部进行维修时，可使用维修旁路开关Q3BP。

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四．工作原理

UL33系列UPS单机系统主电路如图2所示。

TR1AC2 Q1A1B1C1FU1KM1L1FU2FU3KA1Res1Res2Q2A2B1C1N2KM2BPBNDC1 DC2 DC3 Q3BPFU4UVWNQ5FU5FU6AC4 AC3TR2 DZN6+++

图2 三进三出UPS单机主电路原理图

主路输入电源从空气断路器Q1输入，通过熔断器保护系统，经自耦变压器降压，通过输入电感进入高频六管整流单元，高频整流/充电器将三相交流电变换为稳定的直流电源，同时实现功率因素校正；该部分电路采用分步式多重软启动功率回路和DSP实时处理的全数字控制技术，提高了系统的抗冲击能力和直流母线电压的稳定性，可减小蓄电池充电纹波，延长蓄电池的寿命。

蓄电池通过接触器接入，只有在直流母线电压达到一定阀值时接触器才能将蓄电池组与直流母线并联接通，蓄电池通过直流滤波电路向逆变器提供直流电源。

逆变器采用DSP实时处理的全数字矢量控制技术，通过SVPWM调制六只IGBT功率开关器件，把直流母线电源变换成三相交流。输出经过△/Z0变压器、静态开关、快速熔断器、空气断路器等功能单元，实现负载端与输入侧的隔离。

旁路输入电源从空气断路器Q2输入，通过旁路静态开关的控制后输出。

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双DSP和单片MCU组成全数字控制系统，为本机强大的功能提供了可靠保证。通过控制旁路静态开关和逆变器输出静态开关的通断状态可实现多种工作模式的切换，先进的电池管理可延长电池寿命，多种通信接口和管理软件为管理个性化提供了可能。

UPS并机系统采用全数字、分散式在线并联。各台UPS由并机板引入并机逻辑信号和环流检测信号，可实现最多8台同型号UPS的直接并联。UL33系列UPS电源能够实现N+X冗余并联、扩容并联及串联热备份等多种工作方式。在线并机方式不需增加任何辅助设备，可缩短停电时间甚至无需断电，从而提高系统可靠性。

五．结构布局

如图3和图4所示， UPS系统主要由整流模块、逆变模块、辅助电源、输入输出配电、监控系统、并机控制、防雷和EMI系统、风扇制冷系统、输入输出隔离滤波系统等组成。

1：风扇 2：整流模块 3：两块辅助电源板ULW2L61M5 4：交流接触器 5：电池输入接线端子 6：手动维修空气断路器Q3BP 7：逆变模块 8：配电板ULK2L61R1 9：D级防雷器SPD12Z 10： 输出空气断路器Q5 11：主路输入空气断路器Q1 12：旁路电源输入空气断路器Q2

13：操作键盘板ULW2L61K1 14：液晶显示屏 15：并机板ULW2L61M3 16：监控板ULW2L61U2 17：地脚螺钉四个

图3 20k/30k UPS元器件布局图

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1：风扇 2：整流模块 4：交流接触器

3： 软启动继电器

5：两块辅助电源板ULW2L61M5 7： 霍尔电流传感器

9：手动维修空气断路器Q3BP 11： 旁路电源输入空气断路器Q2 13： 快速熔断器

15： EMI板ULW2L61M4

6：D级防雷器SPD12Z 8：电池输入接线端子

10： 主路输入空气断路器Q1 12： 逆变模块

14： 并机板ULW2L61M3 16： 磁环

17： 输出空气断路器Q5

19：液晶显示屏 21： 蓄电池EMI板

18： 操作键盘板ULW2L61K1 20： 监控板ULW2L61U2 22： 熔断器NT00

23：地脚螺钉四个

图4 40k/60kVA UPS元器件布局图

七．基本功能

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1．工作模式

1．1 正常工作模式

在主路市电正常时，UPS一方面通过整流器、逆变器给负载在线提供高品质交流电源；另一

方面通过整流器为电池充电，将能量储存在电池中。原理框图见图5。

交流电故障后由发电机供电且发电机容量足够大时，称为智能发电机工作模式。

BypassMains ~- - ~output 图5 正常工作模式

1．2 电池工作模式

当主路市电异常时，系统自动无间断地切换到电池工作模式，由电池逆变出用户所需的三相四线交流电源向负载供电。市电恢复后系统自动无间断地恢复到正常工作模式。原理框图见图6。

图6 电池工作模式

BypassMains ~- - ~output 1.3 旁路工作模式

旁路工作方式有两种，一种能自动恢复到正常工作模式；另一种需人工干预才能回到正常工作模式。

在逆变器过载延时时间到、逆变器受大负载冲击等情况下，系统自动无间断切换到静态旁路电源向负载供电。在UPS恢复正常后，系统自动恢复正常供电方式。

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当用户关机，或主路市电异常且电池储能耗尽，或发生严重故障等情况下，逆变器关闭，系统会停留在旁路工作模式。此后若需恢复到正常工作模式，则需要用户重新开机。原理框图见图7。

BypassMains ~- - ~output

图7 旁路工作模式

1．4 ECO工作模式

如果负载对电源的质量要求不是很高(如用户设备允许断电达20ms)，而对系统的效率要求较高时，可通过设置让系统工作在“ECO工作方式”。这种方式下，旁路电源正常时系统通过静态旁路给负载供电，主路通过整流器给电池充电；当旁路电源断电或超出允许范围时，UPS会自动将负载切换到由主路或电池逆变器供电(间断时间＜15ms＝。当旁路电源恢复正常后（在允许范围内），系统会自动地恢复到ECO工作模式，从而大大提高了系统的效率。原理框图见图8。

BypassMains ~- - ~output 图8 ECO工作模式

1．5 维修工作模式

需要对UPS系统及电池等进行全面检修或设备故障需维修时，可以通过闭合维护开关Q3BP，将负载转向维修旁路直接供电，以实现对UPS不停电维护。维修时需要断开UPS内部的主路输入、旁路输入电源和电池输入开关以及输出开关，实现UPS内部不带电而对负载仍然维持供电的维修工作模式。原理框图见图9。

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BypassMains ~- - ~ output

图9 维修工作模式

1．6 联合供电工作模式

柴油发电机组与蓄电池联合供电模式。当市电无法供电，柴油发电机组输出功率又不满足负荷需求时，蓄电池会自动辅助供电，实现联合供电模式。联合供电时间应当服从电池管理系统的设置。原理框图见图10。

BypassMains ~- - ~output

图10 联合供电工作模式

1．7 并机工作模式

多台UPS(最多8台)在冗余并机或增容并联的工作方式时，各台UPS之间自动均分负载，如果其中一台UPS出现故障，该台UPS自动退出运行，剩余UPS均分负载；如果系统过载，则整个UPS系统转旁路运行。并机工作又有正常工作模式、电池工作模式、旁路供电模式、维修工作模式和联合供电模式等多种工作模式。 1．8 多种电源输入方式

UPS系统主路输入和旁路输入可以是同一路电源也可以是两路不同的电源。输入连接方式见图11图12。

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Mains ~- - ~ output

BypassMains ~- - ~ output 图3-7 一路电源输入方式

图3-8 两路电源输入方式

2 电池管理：

2．1 常规电池管理功能

电池管理系统可以实现多种常规电池管理功能，主要有自动均浮充转换控制、电池预告警关机、定期自动维护、手动电池自检等功能。 2． 2 电池故障检测

电池故障检测是通过放电法来实现在线检测的，控制电池在某些确定的功率下放电，并测试停止放电时电池端电压，用所得端电压值与该种型号新电池同样放电情况下的端电压相比较，以确定其容量衰减比率，容量衰减超过某一设定比率时提示更换电池。 2．3 预测电池放电后备时间

预测电池放电后备时间，以新电池恒功率放电曲线以及电池检测所得电池容量衰减比率为依据，通过实时计算和监测电池的容量，实现电池在任何状态下对当时负载放电的后备时间预测和显示。

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3 告警和保护

UPS系统具有多种告警方式，可通过声、光、LCD、干接点以及网络传输方式对当前发生的告警进行及时、准确的告警和详细提示，在提高系统可靠性的同时，帮助维护人员准确快速地定位及排除故障。

根据显示方式可以将告警信息分为提示性弹出告警和已发生告警两类，提示性弹出告警用于提示用户，防止用户因进行某种操作而导致危险，已发生告警主要是指已经发生且当前仍然存在的UPS告警信息。

通过设置历史记录查看范围可通过LCD查看最近1～30天或全部的历史记录信息，监控系统在UPS中最多可储存200条事件历史记录，后台监控软件可以存储2万条事件历史记录。监控系统提供UPS电源系统参数的统计信息（如切换到电池后备供电的次数、切换到静态旁路的次数、电池后备时间、逆变器和旁路电源的运行时间），方便用户维护管理和故障判断。

系列UPS电源系统具有完备的保护功能。系统提供过压、过流、过温等常规保护措施，功率器件还进行了大幅度的降额设计，同时，系统提供了完备的散热系统。为延长电池的使用寿命，系统不仅提供完备的电池管理，而且在电池能量快用尽时，系统发出预报警并自动安全关机。这些保护措施为系统的可靠工作提供了保证，1+1并机时的MTBF可达120万小时。

4冷启动

在没有交流电源输入但蓄电池组一直挂在直流母线的情况下，可用电池启动UPS。启动后将由电池后备供电一段时间，时间长短由电池充电水平和负载所需功率决定。但是电池的放电时间不允许超过设置的电池最大供电时间。

5 市电恢复自启动

市电恢复自启动功能是专门针对UPS设备接有后备电池的应用场合设计的，可以在后备电池实施欠压保护以后，与网络监控一起实现无人值守场合的UPS自动启机。

6 网络监控

UPS的监控系统支持灵活的网络化监控，通过RS232 、RS485、SNMP卡、MODEM等多种通讯方式可以充分满足不同用户的应用需求。

UPS系统具备自诊断、自保护功能，可以实现自动声光报警、E-mail和BP机报警

UPS电源的监控系统具有故障自诊断、自保护功能，同时提供LCD、LED、蜂鸣器等多种自动声光报警，通过强大的通信网络实现E-mail和BP机等远程报警指示。

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7 并机系统监控

并机系统监控采用自适应的RS485并机通讯技术，该技术能够自动适应UPS在线切入或者退出供电系统引起的通讯变化。当作为管理主机的UPS退出系统后，能够自动地选取一台UPS作为RS485并机通讯系统的管理主机，防止通讯系统的崩溃。

该技术同时保证了不需用户添加任何设备，就能够在任意一台UPS上看到并联后UPS的关键数据。

用户可以选取RS232、RS485、SNMP、MODEM等多种后台通讯方式，对并机系统进行监控。

8 紧急关机

在任何状态下，若发现负载、线路或UPS本身发生危害安全的严重故障，可通过“紧急关机”按钮关闭整流器、逆变器，封锁输出（包括旁路和逆变器），同时将断开电池连接。

若故障已排除，可操作面板上的“故障清除”按钮，让系统退出紧急关机状态。进入正常状态之后，整流器重新启动，电池接触器吸合，旁路可向负载供电。但若想逆变器工作，用户需重新操作“逆变器启机”按钮，人为启动逆变器。

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八 UPS系统并机

1 简介

iTrust UL33系列UPS系统采用可靠的分散式智能并机技术，能实现最多8台同容量UPS的并联运行。在UPS并机系统中，各台UPS的旁路和输出分别并接在一起，主路则可能采用不同的电源，负载由各台UPS共同分担。

两台UPS组成的并机系统的示意图见图。

Mains2 ~- -~ UPS单机2outputBypass Mains1 ~- -~ UPS单机1

两台UPS并机方式

UL33系列UPS并机系统的主要特点是：

运行于并机系统中的UPS与运行在单机模式下的UPS，其软、硬件系统完全兼容，运行模式的更改只需通过软件设置即可完成。

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采用高精度的实时数字控制技术，在保证各台UPS输出电压严格同步的基础上，直接控制各台UPS的输出电流与并机系统平均电流的瞬时误差。这种快速响应、精准稳定的均流调节，能将各台UPS的负载不平衡度控制在2％以内，从而保证了并机系统的带载能力和可靠性。

采用简洁可靠、自动冗余的环形并机信号总线和高度灵活、智能协调的并机处理逻辑，能确保并机系统在各种工况下的整体动作最优以及各台UPS之间的高度协调。在保证系统可靠性的基础上，为用户提供了极大的灵活性，比如，用户基本无需关注开机及加载顺序，过载超时转旁路后系统能自动恢复等。即使在某台UPS发生故障退出运行以后，由余下UPS组成的子系统仍能稳定运行，但并机系统的带载能力会相应减小。

在每台UPS的面板上均能查看到整个并机系统的负载情况；同时，并机系统的后台监控可将整个并机系统的行为综合为一台“单机”，并实施相应的监控处理。

2 冗余并机系统

在由M台同容量UPS构成的UPS并机系统中，将能承担用户正常的最大负载所需的最少UPS台数称为并机系统基本台数N，而将剩余的UPS台数称为冗余台数X。这里，M=N+X≤8。

在所配置的UPS并机系统中，若冗余台数X≥1，则称为冗余并机系统。冗余并机系统中，设每台UPS的额定功率为Po，用户负载总功率的正常最大值为Pmax，则存在下述关系：(N-1)×PoUPS 1.UPS N负载( N-1 )×Po < Pmax <= N×PoUPS N+1.UPS N+X

冗余并联方式

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冗余并机系统可显著提高系统的可靠性。在正常情况下，每台UPS均未工作到满载，即使用户负载出现意外增大，系统一般仍能维持逆变侧供电而不会转旁路；而且当X台UPS出现故障时，剩余的N台UPS仍能承担用户的全部负载，维持系统的正常工作。当冗余并机系统因负载增大而导致失去冗余时，并机系统将发出告警。

尽管UPS单机系统的可靠性已经很高，但冗余并机系统仍能显著地提高其平均无故障时间（MTBF）。根据统计数据，典型的冗余并机系统所能提升的系统MTBF倍数如下表：

冗余并机方案 每台UPS所承担的负载百分比 最大输出功率为标称功率的倍数 并机系统MTBF为单机UPS MTBF的倍数 14 5.3 3.1 1＋1系统 50％ 2＋1系统 33.3％ 3＋1系统 25% 200％ 150% 133% 3 扩容并机系统

在所配置的UPS并机系统中，若冗余台数X=0，即总台数M=基本台数N，则称为扩容并机系统。扩容并机系统中，设每台UPS的额定功率为Po，用户负载总功率的正常最大值为Pmax，则存在下述关系：(N-1)×PoUPS 1.负载(N-1 )×Po < Pmax <= N×PoUPS N

扩容并联方式

扩容并机系统并不能提高系统的可靠性，但可增加整个并机系统的容量。其应用远没有冗余并机系统广泛。

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4 串联热备份系统

作为提高冗余度、增强可靠性的一种手段，串联热备份系统可作为1＋1冗余并机系统的替代方案。在串联热备份系统中需设置一个主机和一个从机，从机的输出作为主机的旁路，如图所示。

Bypass2Mains2 ~- -~ UPS单机2 Mains1 ~- -~ OutputUPS单机1 串联热备份冗余方式

两台UPS一般均处于逆变供电状态，其中任何一台UPS出现故障时系统仍能维持负载的正常供电。为实现两台UPS的寿命均衡，主、从机还可按照设定的倒换时间进行交替工作。

串联热备份系统与1＋1冗余并机系统的区别主要在于：

4．1、二者的冗余机制不同：串联热备份系统是通过UPS的串接实现冗余，而1＋1冗余并机系统则是通过UPS的并联来实现冗余。

4．2、串联热备份系统一般适用于两台UPS的场合，而1＋1冗余并机系统只是冗余并机系统的一种特例，易扩展为其他的N+X冗余并机系统。

4．3、正常情况下，串联热备份系统中一台UPS承担所有负载，另一台UPS则处于空载状态，而1＋1冗余并机系统中两台UPS各分担一半的用户负载。

4．4、1＋1冗余并机系统的带载能力较串联热备份系统大一倍，故在用户负载意外增大时仍不易转旁

路供电。

九．人机界面

全中文大屏幕液晶显示，中英文可选操作界面

全中文大屏幕图形液晶显示，中英文可选操作界面，可实现电气参数查询、UPS功能设置、电源事件告警提示和故障定位，方便用户使用。大屏幕图形液晶采用320×240点阵的蓝光LCD屏，同时支持中、英文显示。

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操作简单，\"一键开机\"

操作显示面板内容简洁，按键功能标示明确，真正做到“傻瓜”式操作面板，同时逆变开机通过“逆变启机”键即可完成。

支持远程、自动开机，实现无人值守

UPS系统在后备电池实施欠压保护以后，如市电恢复正常可自动启机。同时通过MODEM实现遥测、遥信功能，达到无人值守的目的，用户不在设备运行现场就可以获取设备的各种信息。

模块化电路结构，全正面操作，使用维护工作方便快捷

UPS系统的整流模块、逆变模块、辅助电源、并机控制、监控系统、防雷系统、EMI单元等各自，整流和逆变的硬件模块还可以完全互换，配电开关和监控显示操作面板全部在设备正面，因此使用、维护工作轻松快捷。

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附：UL33系列UPS特性参数

表5-1 UL33系列UPS电源特性参数指标

容量 型号 输入电压 输入方式 功率因数 输入 谐波电流 电压范围 频率范围 输入电压 旁路输入 输入电压范围 输入方式 频率范围 整流器输出指标 额定电压 稳压精度 电压范围 稳态电压精度（平衡负载） 动态电压瞬变 动态瞬变恢复时间 电压畸变（线性负载） 电压畸变（非线输出 性负载）功率因数 频率跟踪范围 频率精度（电池逆变） 三相相位差 100%不平衡负载电压时稳压精度 频率跟踪速率 逆变器过载能力 20kVA 30kVA 40kVA 60kVA UL33-0200L UL33-0300L UL33-0400L UL33-0600L 380V（线电压） 三相三线 >0.99 <3% +15%~-45% -20%~-45%之间降额使用 50Hz±10% 380V（线电压） ±10% 三相四线 50Hz±10% 405V ±0.5% (1.65×180~2.4×180)VDC ±1% ±5%（0~100%负载变化） <60ms THD<2%（相电压） THD<5%（相电压） 0.8（滞后） 50Hz±2Hz ±0.1% 120±1°（平衡或不平衡负载） ±2% <1Hz/s 105%Po<负载<125%时，10±0.1min后转旁路输出； 125%Po<负载<150%时，1分钟后转旁路输出； 负载>150%时，200ms后立即转旁路输出 16 / 18

容量 型号 旁路过载能力 输出电流峰值比 切换时间（正常模式） 切换时间（ECO模式） 系统效率（线性负载） 电池逆变效率（线性负载） 显示 传导 辐射 EMC/EMI 谐波电流 抗扰系统 性 MTBF(单机系统) 安规要求 噪音(2m) 空载环流（1+1） 空载环流（3+1） 电流不平衡度（1+1） 电流不平衡度（3+1） 绝缘电阻 绝缘强度 电涌保护 防护等级 电池节数 物理尺寸(W×H×D)mm3 20kVA 30kVA 40kVA 60kVA UL33-0200L UL33-0300L UL33-0400L UL33-0600L 135%额定电流以下可长期过载 1000%额定电流20ms 3：1 0 15ms 87% 92% 88% 93% LCD+LED EN50091-2 EN50091-2 CLASS-A IEC1000-3-4 IEC 61000-4-2.3.4..6.8.9.11 Level III， IEC 61000-4-5 Level Ⅳ 120万小时(MTTR=4小时) CCEE <60dB <1A <2A <1% <2% >2M(500VDC) (输入、输出对地)2820Vdc，1min无飞弧 达到IEC606-1规定的Ⅳ类安装位置要求，即承受 1.2/50μs+8/20μs混合波能力不低于6kV/3kA IP21 12V电池30节 600×1400×600×1400×800×1800×800×1800×860 860 860 860 <65dB % 93% 90% 94% 17 / 18

附： 用户设备容量的估算

根据用户实际情况仔细统计总的负荷情况，同时设计预留3~5年内扩容的可能容量，以此作为选择UPS容量的主要参考数据。

对于用户设备比较固定且不经常开关设备的场合，推荐用户设备容量不大于UPS额定功率的60~70%；对于用户设备不固定或经常启动或关闭的设备，设备实际最大可能出现的容量不应超过UPS额定功率的90%。

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