01

UPS是什么？

UPS是英文 Uninterruptable PowerSupply 的縮寫，中文譯為“不間斷電源”；它是能夠實現兩路電源之間不間斷地相互切換的電氣裝置。

UPS：利用電池化學能等作為后備能量，在市電斷電等電網故障時，不間斷地為用戶設備提供（交流）電能的一種能量轉換裝置。

從嚴格意義上講，UPS不是一種電源，它不是依靠能量形式的轉換來提供電能，它只是提供一種兩路電源之間無間斷相互切換的機會，這才是UPS的主要設計思想；UPS的價格之所以昂貴，就是貴在這種不間斷切換的特點上。

UPS系統組成：一個完備的UPS系統，是由UPS主機、電池、市電（發電機)、后臺監控或網絡監控軟/硬件等單元共同組成的。

UPS的主要作用：

①兩路電源之間的無間斷相互切換；

②隔離作用：將瞬間間斷、諧波、電壓波動、頻率波動以及電壓噪聲等電網騷擾阻擋在負載之前，即使電網中的騷擾不影響負載，又使負載對電網不會產生騷擾：

③電壓變換作用：輸入電壓等于或不等于輸出電壓，如380V/380V，380V/220V，包括穩壓作用：

④頻率變換作用：輸入頻率等于或不等于輸出頻率，如50Hz/50Hz，50Hz/60Hz，包括穩頻作用：

⑤提供一定的后備時間：UPS的電池貯存一定的能量，在電網停電或間斷時繼續供電一段時間來保護負載；后備時間為10分鐘、30分鐘、60分鐘或更長。

①和⑤是保證對負載供電的連續性；②、③和④是保證對負載供電的質量。

02

UPS的基本拓撲結構

GB/T7260.3描述了UPS的三種分類方法和拓撲結構：

VFD級-被動后備式(Passive Standby-“Off-line” )：負載的電壓V和頻率F取決于電網電源(Depends)；電壓和頻率都沒有經過調整。

VI級-線交互式(Line Interactive)：負載的電壓V與電網電源無關(Independent)；頻率沒有經過調整。

VFI級-雙轉換式(Double Conversion-“On-Line” )：負載的電壓V和頻率F都與電網電源無關(Independent)；負載的電壓和頻率都是經過“再生”調整的(re-generated)。

IEC 62040-3/GB 7260.3定義：

（1）被動后備式-VFD(Passive Standby，也稱離線式OFF-Line)

組成：充電器，逆變器，電池，濾波器/調壓器；

應用：小于2KVA的UPS；

優點：電路簡單，價格便宜；

缺點：頻率不能調節，切換時有間斷。

（2）線交互式-VI (Line Interactive)

組成：靜態開關，雙向逆變器，電池，旁路開關。

應用：此種配置不太適合中-大功率和為敏感性負載的供電，因為無法進行頻率的調節。

優點：電路簡單，效率高；

缺點：頻率不能調節，動態特性差。

對間斷敏感的負載，有另外一種結構的UPS，特別提到靜態開關作用（防止逆變器的電流進入電網）。

（3）雙轉換式-VFI (Double－ Conversion，又稱為在線式On-Line)

基本組成：整流器/充電器，逆變器，靜態旁路開關，手動維修旁路開關，電池。

逆變器串聯在交流輸入與負載之間。

通過運行方式，引進旁路的概念。如果市電正常，整理逆變壞，也送不到負載，需要靜態旁路，如果故障，引入手動旁路。

應用：在這種配置中，由于使用了靜態開關，將負載切換到逆變器所需的時間可以忽略不計；而且，輸出的電壓和頻率完全獨立于輸入電壓和頻率。這意味著這種類型的UPS可以被設計作為頻率轉換器使用。

實際上，這種類型是中大功率的主要配置（10KVA以上）。

注意：這種類型的UPS常常被稱作“在線式”，這表示負載由逆變器連續供電而不管交流輸入電源的狀態如何。

優點：穩壓穩頻、切換無間斷；缺點：價格昂貴。

UPS的組成：

一臺在線式（雙轉換）UPS單線圖。

UPS常用術語：

1、VA & W：UPS 的容量單位，VA 為視在功率，W為有功功率。

2、功率因數（PF）：對一臺設備有輸入功率因數和輸出功率因數兩個不同的參數，功率因數絕對值介于0于1之間，它是W（有功功率）與VA（視在功率）之間的比數。輸入功率因數越高表明UPS對電網利用效能越高。

從輸出端考慮，輸出功率因數越高則UPS帶載能力越強。

例如：一臺UPS的參數為：3000VA/2400W，可以知道輸出功率因數為2400W/3000VA=0.8。

3、峰值因數（CF）：指周期波形的峰值與有效值之比。

由于計算機性負載接受正弦波電壓 會產生CF（介于2.4-2.6倍的電流），因此，UPS設計時常需能提供CF值3的規格，以滿足電腦性負載的應用。

4、輸入電壓范圍：UPS允許市電變化的范圍，范圍越大說明UPS適應性越好。

5、失真：失真分為波形失真，電壓失真等，不論是體積失真，皆以百分比來計算，其失真的大小與諧波、電壓、電流以及功率因數有關系。

6、效率（EFFICIENCY）：是輸出瓦特數與輸入瓦特數之比，若此數越接近1，則顯示其效率越好，以在線式UPS而言，一般的效率約為85%~90%之間，即輸入1000W，輸出約為850W~900W之間，UPS本身即消耗100W~150W的功率；

7、可靠性（MTBF）：用來描述設備平均能正常工作的時間長短的參數，MTBF越大表示該設備的壽命越長。

8、高頻機：利用高頻開關技術，以高頻開關元件替代整流器和逆變器中笨重的工頻變壓器的UPS俗稱高頻機，高頻機體積小、效率高。

9、工頻機：采用工頻變壓器做為整流器和逆變器部件的UPS俗稱工頻機，主要特點是主功率部件穩定、可靠、過負荷能力和抗沖擊能力強。

10、無功功率：單位是 VA，它不為負載所吸收，因此稱為無功功率，它組成了視在功率的另一部分。降低無功功率有利于提高電網的利用率。

11、有功功率：單位是W，是負載真正吸收轉換的能量部分，它組成了視在功率的一部分。

03

UPS的不同運行方式

單機系統：

優點：系統配置簡單，硬件購置成本低；UPS系統得到充分的利用，因為UPS的容量和系統負載的容量接近。

缺點：UPS出現問題時系統的可用性降低。對UPS進行維護時系統將直接切換到市電供電；如果UPS故障，系統沒有冗余；多單點故障系統。

串聯運行：

提高UPS可靠性的方法－串聯熱備份：

可由兩臺不同容量的UPS組成，主機帶重要負載，備機帶次要負載或不帶載；主機到備機的切換無間斷。

優點：可靠性高；連接簡單。

缺點：不能增容；過載能力不能增大；UPS不能充分利用。

并聯運行：

提高UPS可靠性的方法-直接并聯。

由2到4臺單機型UPS組成，每臺UPS具有各自的靜態旁路，可實現：

并聯冗余；并聯增容。

優點：并聯簡單；不增大占地；價格適當；負載均分。是目前使用最多的運行方式。

公共旁路并聯運行：

提高UPS可靠性的方法-公共旁路并聯。

由2到6臺同等容量的并聯型UPS組成，采用大容量的公共靜態旁路開關柜，以便實現：并聯冗余；或并聯增容。

優點：公共旁路過載能力大；可靠性高。

缺點：占地面積稍大；價格較貴。

04

UPS的配置方法

個案中涉及到UPS配置的基本問題：

1.負載容量-決定配多大的UPS，多少臺UPS；

2.負載的重要程度-決定UPS運行和配電方式；

3.所需要的后備時間-決定配置多大的電池；

4.對某些指標的特殊要求-決定UPS型號的選擇或選項；

5.對某些性能或功能的特殊要求-決定配置哪些選項；

6.與UPS項目有關的工程(機房建設、配電建設、系統監控……)。

-決定自己獨立完成或合作完成此項目。

1 UPS容量的確定：

1）用戶直接提出容量需求

可配置單機滿足容量需求，可配置并機滿足更大容量的需求。

2）用戶只告訴你負載容量

認真了解實際負載量，并按高出負載的容量配置UPS。

高出的比例視負載性質決定1：1.2(1.3、1.5、2、2.5）

例：計算機類負載按1：1.3或1：1.4配置UPS；電動機類負載按1：2或1：3配置UPS。

2負載的重要程度

1）單機：對重要程度一般的用戶，可配置一臺單機；例如對可以有計劃停電或可以臨時決定停電的用戶。

2）并機：對單機無法滿足容量需求的用戶，用并機提高供電容量

3）冗余并機：對不允許停電或停電會造成經濟、政治、社會各方面嚴重影響；和損失的用戶需要配置冗余并機系統，提高供電可靠性

4）單機或并機雙總線供電、分布冗余方式供電：用于對供電可靠性極高，對供電無理論單一故障點的需求單位。

案例介紹：

造價最低的無單一故障點，UPS系統：

造價較高的并機雙總線，供電系統：

造價較高的大容量高可靠系統。

系統組成：中國銀聯數據中心UPS系統共由10臺400KVA GALAXY UPS組成1000KVA 設計輸出容量的雙總線鏡相冗余UPS系統，每套UPS系統由5臺400KVA UPS組成（4＋1）冗余，一期共安裝6臺，每套3臺及一臺2000KVA的公共靜態旁路柜。

例：做一個UPS配置方案。

項目背景：山西某鐵路段道路控制系統，此系統不是一般的運輸調度而是對火車運行道路的控制。其負載設備是多臺單電源服務器，總負載容量接近30KVA。設計單位要求提供UPS配置方案。

1 重要性判斷－此項目比較重要，因為山西鐵路線路繁忙，如控制系統癱瘓會發生撞車事故。

2 UPS系統采用冗余并機可以滿足供電安全要求。

3 UPS容量選擇2臺40KVA；

－還有哪些問題希望知道？氣候條件、后備時間、運行環境、上游供電情況。……

UPS中的電池：

UPS的額定直流電壓可能是360、384……

知道了直流電壓就知道應配多少只電池

電池可能需要1組、2組……

多組并聯是為延長后備時間：

12V電池只數＝額定電壓/12；2V電池只數＝額定電壓/12×6。

例 1臺Galaxypw UPS，每串電池由多少只12V，電池組成。

計算 384/12=32只。

UPS中的電池：

酸性電池每個單元電池(CELL)電壓為2V；

由6個單元電池組成的一塊電池(BATTERY)，其端電壓為12V；

由3個單元電池組成的一塊電池，其端電壓為6V；

堿性電池每個單元電池電壓為1.2V；

堿性電池一般不做成電池組。

UPS的配置方案：

1 根據額定容量和后備時間配電池：

電池放電時提供的功率 P=S×PF/η

式中：P-有功功率；S-UPS視在功率；

PF-UPS輸出功率因數；η-電池放電時UPS效率（0.9-0.96之間）。

步驟：1）求出放電時每個單元電池應提供的功率；

2）查閱相應電池資料確定電池型號（容量）。

例 1臺Galxy5000 120KVA UPS 配30分鐘電池；

要求：電池選用MGE M2AL電池，應如何配置

已知Galaxy 5000 可以配（30－35）只12V電池；UPS直流電壓下限為300V，暫且選擇30只電池的配置。

1）電池放電時需要提供的功率為120KVA×0.8/0.96=100KW=100000W

每個單元電池需要提供的功率為100000/30/6=556W

查電池資料：要用恒功率放電的表格，要用1.7V終止電壓的表格－講請原因；

可知選用M2AL 12-100電池3串，共計90只電池可滿足要求。

－說明查表步驟，以及數據有偏差時的處理。

2根據實際負載和后備時間配電池

根據實際負載配置電池可節省投資，避免不必要的浪費；計算每只單元電池功率時，P為實際功率值，其他步驟相同。

電池計算一般性的方法如下：

一 需要確定和知道的條件：

1 UPS容量S

2 UPS輸出功率因數PF

3 UPS直流關機電壓Udcmin

4電池供電時UPS效率η

5環境溫度15-25℃

6 UPS額定直流電壓U

7每串電池單體電池個數N ( U=2*N)

8所需要的后備時間

9準備選用的電池型號

10該型號電池資料(需要單體電池恒功率放電時間表)

二 計算：

1求單體電池放電終止電壓＝Udcmin / N

2求電池需要提供的總功率P＝S ×PF /η

3求每個單體電池（2V）需要提供的功率P1＝P/N

以下2步視需要計算

4求每個電池組（12V）需要提供的功率，如P2＝6*P/N

5求每個電池組（6V）需要提供的功率，如P3＝3*P/N

注：4 5 是在所提供的電池放電功率表是以每12V或每6V的情況下時才需要。

三 對照電池資料確定電池型號和數量：

根據以上計算結果，對照電池資料選擇合適的電池。

電池資料中有多個表格，各表格對應不同的終止電壓，我們所需要的表格應由上面計算出的Udcmin /N數值，即單體電池放電終止電壓來確定。根據放電時間和所需功率確定對應的電池型號。

如果電池資料中也提供了6V和2V的表格,也可以根據自己的意愿選擇單體2V或6V的電池。

UPS的日常維護：

以下項目在UPS調試時，已由 工程師檢查過，但在日常巡檢中應隨時注意檢查：

環境：

檢查是否有可能阻塞UPS維護通道以及通風通道的雜物（盒子、包裝箱或設備等）；

檢查室內通風是否正常，UPS的進風口和出風口是否被雜物或灰塵堵塞；

檢查UPS機殼以及其他輔助柜是否已經可靠接地。

房間的類型：

應注意檢查是否存在以下隱患：

UPS嚴重積塵；

有腐蝕性氣體或房間內相對濕度很高；

UPS上方有水管，噴淋裝置等；

UPS室的排水（特別是安裝于地下室內）；

房間內可能產生導電的粉塵，如碳粉，金屬粉末等；

室內溫度受室外溫度的影響很大（變化劇烈）。

溫度的升高同時也會影響UPS機內電解電容的壽命。如果UPS室受外界環境影響，請特別注意溫度差的影響；

測量溫度：

如果安裝環境的檢查結果正常，則測量房間的溫度（環境溫度將決定UPS及其電池是否運行在最優的條件下）。

使用要點：

常見UPS可在35攝氏度的環境溫度下連續運行，或在40攝氏度的環境溫度下最長連續運行8個小時；

超過25攝氏度時，電池、交流直流電容以及風扇等部件的使用壽命將顯著減少。

房間的通風：

首先注意房間通風的類型，包括：自然通風，空調或強制通風；

檢查：

空調或風扇的溫度閥值的設定；

檢查UPS底部進風口通風是否通暢；

如果UPS室還需安裝其他設備，應注意要考慮其熱損耗和房間的通風。

通風結構和布局：

UPS具有后背排風和頂部排風兩種排風方式。

頂部排風可靠墻安裝，但是為了方便維護，建議留有一定的安裝距離。

房間的潔凈度：

如果房間里灰塵很大，應立即進行清掃（注意：UPS機內的清潔度直接取決于UPS室的清潔度）。

提高UPS清潔度的措施：安裝過濾網，安裝空調系統，室內加壓，地板刷漆。

05

UPS的維護使用技術及典型故障的處理

目檢：

檢查UPS外殼、內部防護擋板均完好，且沒有遺失。

清除堆放在UPS上的雜物或設備。

檢查設備使用手冊是否丟失。

檢查UPS的潔凈程度。

電氣環境：

檢查電纜的線徑是否符合安裝手冊中的要求，或滿足長期連續以額定電流運行的要求。

電纜線徑的選擇取決于：電流的大小；允許的電壓降落。

50或60赫茲交流電路：3%；

直流電路：1%。

電纜允許的溫升，取決于：電纜材質：銅或鋁；電纜的擺放。

確定UPS上線和下線斷路器的位置，各斷路器應有標記或貼標簽；

注意觀察在操作斷路器前是否還有其他的限制條件；

檢查斷路器的容量是否與安裝手冊中的相符并進行了正確的整定；（人身沒有保護，斷路器沒有選擇性，電纜過熱，斷路器頻繁跳閘）

使用要點：

優先選用主輸入與旁路輸入分離的供電方式；

優先選用高質量的市電為UPS供電。

典型故障：

UPS整流器故障導致負載供電中斷：

電池放不出電（蓄電池壽命過早到期）。

旁路超限：

UPS由發電機供電，引起頻率或電壓超限；市電電壓超限，

問題一：主輸入與旁路為同一路電，旁路電壓報超限而整流器運行正常；

問題二：旁路電壓在容限范圍以內，而旁路依然報電壓超限

旁路電壓超限時的影響：UPS的切換將引起負載供電中斷；此時，應注意控制負載。

電氣測量：

測量工具：數字萬用表和示波器。

一般巡檢可參考顯示屏給出的測量值。

故障：整流器故障的檢測。

接地：

了解UPS上線、下線的接地制式

檢測零地電壓：UPS對零地電壓不作調整。

典型故障：

UPS輸出零地電壓高；（與UPS無關）；

由于操作不當導致負載服務器電源板燒毀。（在UPS維護測試過程中應特別注意零線的狀態）

零地電壓升高的原因：

三相負載不平衡或負載富含諧波成分；“保護接零”和“保護接地“混接；零線電阻大或零線開路。

“保護接零”和“保護接地”混接：

UPS內部組件的檢測：

將負載不間斷切換至由維修旁路供電，UPS完全下電后進行檢查：

是否有過熱現象；金屬部分是否氧化；

檢查不同的模塊之間，電路板之間的連接，采樣線、扁平電纜等的連接；

檢查變壓器、電抗器和電解電容的外觀

檢查功率連線的連接是否牢靠，避免接觸不良引起的電纜局部過熱損壞甚至UPS宕機。在不能停電檢查的情況下，應使用紅外線探測儀測量連接頭的溫度。

UPS的潔凈度：

檢查UPS內部及各個部件是否有積塵，必要時應進行UPS內部除塵。

UPS應定期進行除塵；除塵后應注意檢查個部分的連接以及插接部件是否有松動。

UPS內部灰塵積累過多的危害在于：

機械器件或分斷器件的故障；影響散熱，危及系統的可靠性；減小絕緣間距。

溫度：

檢測電池室的溫度；電池室的最優溫度為15-25攝氏度。

使用要點：

電池建議安裝在有空調的房間，房間的溫度保持在15-25攝氏度；超過25攝氏度時，溫度每升高10度，電池的壽命縮短一半。

電池的外觀檢查：

檢查電池是否鼓脹，有裂紋或滲液；

檢查電池的連接頭是否松動或有腐蝕現象；

檢查電池極柱是否嚴重被氧化或損壞；

對損壞現象進行評估，采取必要的措施。

檢查電池組的絕緣：

斷開電池斷路器，分別測量電池正負極與電池柜（架）的金屬支架之間的電壓。

電池的參數：

例如：

品牌：

后備時間：10 mn；

類型：M2AL 12-100；

容量：100Ah；

電池只數：2×32；

調試時間 (1)：15/07/00；

（1）指整組電池的最初安裝時間

注意電池的壽命以及顯示屏上的電池后備時間。

電池電壓的測量：

檢測電池單體數量是否與充電電壓（直流母線電壓）相匹配：

合適的浮充電壓；

向后面的負載（逆變器）供電的要求。

在進行電池電壓測量時應確保：

對于后備時間為10分鐘的電池至少應充電5個小時以上；

對于后備時間為30分鐘的電池至少應充電8個小時以上。

查找有問題的電池：

用專用測量儀器測量電池的內阻

24Ah，小于12毫歐；

65Ah， 小于8毫歐。

使用放電器測量每塊電池放電時的端電壓

小于9V，電池損壞。

測量電池端電壓：

前提：充電器正常運行，并假定充電器的電壓是正確的。

計算電池組充電電壓：U = Nc×Uc

Nc：電池單體的數量

Uc：每個電池單體的電壓l

計算每塊電池的電壓：Uth = Utotal/N

N電池的只數

測量每塊電池的電壓Un：

計算電壓差 (Uth-Un)；

如果電壓差 ＞+ 或-6%，則該塊電池可能損壞。

放電測試：

電池放電曲線：通常為恒功率放電……

電池放電測試應當在確保負載安全的前提下進行：

已經用內阻儀或放電器對電池進行了檢測；

或使用UPS自帶的電池自動檢測功能。

使用要點：

斷開UPS主路輸入斷路器Q1進行日常電池放電維護；

進行電池放電測試同時也測試了以下內容：

帶載充電測試。

獲得較為準確的實際后備時間。

充電檢測：

充電電流限流為0.1C10

避免電池大電流充電；

避免在高溫下進行浮充電；

錯誤的觀點：

充電電壓越高越好；

免維護電池不用維護；

溫度補償可以避免熱失控。

電池的使用：

維護是影響電池使用壽命的一個非常重要的參數。

電池的維護：

定期充放電；

定期檢查電池以及電池室的狀態（溫度，通風等）；

當電池壽命快到期時，應提早作好更換所有電池的準備；壽命已過期的電池應當及時更換；

不同的電池（容量，品牌、參數）不能混合使用，并且各組電池所處環境應盡可能一致；

電池的并聯組數應限制在4組，最多不超過6組。

每日：堅持每日巡視，記錄UPS狀態和主要電氣參數；

每季度：電池定期充放電，活化電池；

每年：1-2次維護保養。

每5年：更換交直流電容、風扇等備件；根據實際情況更換電池。

故障處理：

準確定位故障現象：

故障發生時應首先判斷是UPS系統本身有問題還是外圍配電系統或環境出現了問題；是UPS主機出了問題還是電池組有問題；是UPS正常報警還是UPS出現了故障。

報修時應如實、準確、詳盡地反應故障現象；

與工程師的有效溝通有利于對故障的準確判斷，縮短維修時間；

故障發生后切忌盲目加電重新啟動；

盲目地加電重啟將擴大故障范圍，引起不必要的損失；

對UPS的操作必須嚴格按照操作手冊進行，UPS的維修必須由廠商認可的技術人員完成。

嚴禁憑經驗操作UPS；嚴禁根據其他品牌UPS操作規程或經驗操作UPS。

06

UPS系統的應急方案

1，熟悉UPS的操作，特別是維修旁路的操作。

2，能夠清楚的描述出UPS的狀態（電壓、電流、電池電壓、后備時間、報警信息、拓撲結構圖的狀態）。

3，熟悉UPS電源廠家的服務電話。

4，提前巡檢，消除隱患（特別是潛在的隱患，電池、電容、風扇等）。

5，機房環境的維護。