UPS标准

UPS 的结构和 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 Topologies And Standards THE MERLIN GERIN KNOW-HOW UPS 的结构与标准 MGE UPS SYSTEMS MGE0248FRI – 11/99 2 作者: J.P. BEAUDET - J.N. FIORINA - O. PINON 目录 1. 概述.................................................................3 2. 标准.................................................................4 n 新标准产生的背景......................................................4 n 新标准的产生..........................................................6 3.新标准定义............................................................7 n 定义..................................................................7 n 被动后备式UPS.........................................................7 n 在线互动式 UPS........................................................9 n 双转换式 UPS.........................................................10 4. 结论................................................................13 概述 MGE UPS SYSTEMS MGE0248FRI – 11/99 3 一．概述 随着敏感性电子设备种类的急剧增长，UPS(不间断电源)的额定功率范围 已从用于保护台式计算机硬件的几百伏安，增长到用于大型计算机和电信中 心的数百万伏安(兆伏安)，采用的技术是多种多样的，而且在市场上使用的 产品名称现在也各不相同，有些甚至给消费者造成了理解上的混乱。 这就是为什么IEC(国际电工委员会)要为不同类型的UPS结构和性能测 试方法建立一套完整的标准，这些标准的内容是由Cenelec（欧洲标准化委 员会）决定选用的。IEC 62040-3 标准和等效的欧洲ENV 50091-3 标准现在 已清楚地定义3种标准化的UPS类型和用以检测它们性能的方法。 这3种类型的UPS是: n 被动后备式（Passive standby）; n 在线互动式（Line-interactive）; n 双转换式（Double conversion）。 这3种UPS结构之间的比较结果表明，双转换式结构提供的优点最多， 由于UPS是串联连接到市电电源与负载之间，其优点包括: n 负载同上线的供电系统相隔离; n 较宽的输入电压容限范围和精确的输出电压调整; n 输出频率的精确调整, 并且UPS可用作频率转换器的模式; n 在稳态和暂态条件下有优良的性能; n 在转换到电池供电状态和旁路方式时,电源对负载的供电不会中断; n 设有手动旁路装置用作维修。 特别是这种类型的UPS弱点很少, 虽然它的价格较高，但其优良的性能 足以弥补这一弱点，正是这些优良的性能常常使双转换式UPS成为保护敏感 性负载所必须的。比较而言，其它类型的UPS结构则具有以下缺点： n 被动后备式UPS没有电压调整; n 被动后备式和在线互动式UPS没有频率调整; n 由于被动后备式和在线互动式的UPS是并联连接在市电电源与负载之 间的，因此对于市电干扰仅有十分基本的保护(例如：只有浪涌、尖峰 放电等)。 基于以上的理由：在小容量(<2千伏安)范围内，3种标准类型的UPS都 可使用，然而对于大容量范围，几乎是双转换式UPS独占的。 标准 MGE UPS SYSTEMS MGE0248FRI – 11/99 4 二．标准 新标准产生的背景 多种多样的UPS类型 批量生产的UPS第一次出现在市场上是1970年, 最初的需求来自大型计 算机系统在电源供电的连续性和高质量的要求上。随后开发的UPS要适应更多 的敏感性电子设备的迅猛增长，研究开发的各种各样的UPS是基于数字控制技 术的爆炸性发展。UPS的改进是满足所遇到的多种应用上的需要，例如小型和 后来的微型计算机、工业过程处理、仪器仪表、电信等等。 为了适应市场上发生的这种快速变化，需要一个广泛的技术革新和容量的 扩展，结果在这两方面都取得了进展，发展了更小和更大的额定容量，去满足 微机和数字化电信系统的核心应用。这就是为什么今天的UPS产品已覆盖了从 几百伏安到数百万伏安十分不同的产品范围。 不确切的和使人易误解的专业名词 在发展和演变的过程中，UPS所应用的技术变得更加多样化, 这取决于被 保护的负载类型、负载的重要性和供电等级。同时，描述UPS产品质量的语言 也更加多样化，常常使消费者相互混淆，甚至于引起误解。 "在线式" UPS（On-line） “在线式”UPS这一名词在1970年就开始普遍采用了，它表示UPS的主要 技术含义(见图1)是： n 输入整流器/充电器，把交流输入电压整流后用于给电池充电和向逆 变器供电； n 在市电电源发生断电时，由电池提供后备能量； n 逆变器向负载的供电是一个连续的高质量电源(频率、电压等在很小 的容限范围内变化)； n 静态开关或静态旁路有能力将负载转换到旁路电源而不会中断负载的 供电，这样使负载能够“降级”运行(即未使用通过逆变器供给的高 质量电源)。 标准 MGE UPS SYSTEMS MGE0248FRI – 11/99 5 图 1. “在线式” UPS简图. 如果把“在线式”（On-line）这个名词作为标准化专业名词来考察，其 字面上的含意是“在市电上”（On utility power），但它并不能代表这种 UPS结构的实际情况，因为这时的负载是由逆变器供电而并非直接由交流市电 供电。这个专业名词涉及的主要是大功率UPS(³10千伏安)。 “离线式“UPS（Off-line） 在80年代, 由于负载类型和容量范围的显著增长，开发出“离线式” UPS。“离线式”这个专业名词仅简单地对应着“在线式”的相反含义。这个 专业名词所描述的UPS结构(见图2)，其逆变器并不是串联连接到交流主电源 上的，更确切地说，这种被动后备式结构是并联连接的，它不是连续长期地运 行在逆变器供电上，而只是在交流输入电压偏离容限范围时逆变器才运行。 这种结构包括一个功能定义并不是很明确的滤波器，这常引起人们误解它 具有电压调整的作用。这种结构不包括静态开关(或静态旁路)，其结果是对某 些应用场合来说，负载从市电电源切换到逆变器的间断时间太长。 图2。所谓“离线式”UPS的简图 标准(续) MGE UPS SYSTEMS MGE0248FRI – 11/99 6 从标准化角度来看“离线式”（Off-line）这个专业名词，其字面上的 含意是“不接在市电上”（Not on utility power） ，但它并不代表这种结 构的实际情况，它的负载直接地由交流电源供电,并且逆变器仅仅在市电出现 问题时才运行。尽管如此，用户还是相当迅速地接受了这种技术，而这个专 业名词“离线式”主要应用于小功率UPS (£ 2千伏安)。 其它专业名词 90年代初期，UPS技术进一步得以开发，“在线互动式”（Line- interactive）这一专业名词应用于UPS，表示可实现逆向的逆变器。然而， 由于这种结构在技术上有许多不同的说法，因而给客户造成了误解。例如在某 些情况下，专业名词“in-line”的使用就十分容易让人误解为“On-line”而 被错误地使用。 新标准的产生 在一个时期内，这种专业名词被模糊滥用的情况让某些不顾客户利益的完 全骗人的制造商酿成了更加混乱不堪的局面。因此这就需要建立一个新的标 准，明确地定义技术名词，这就是为什么IEC (国际电工委员会)工作组着手 于制订UPS类型和性能测试方法的标准，而Cenelec(欧洲标准化委员会)则采 用了IEC标准中的全部内容。 这些努力，终于产生了IEC 62040-3标准和等效的欧洲标准ENV 50091- 3(这里V表示的是发布达3年以上的经过考验的暂行标准), 这就清楚地定义 了UPS类型和性能测试方法的标准。 UPS的标准化类型见下页内容，它还包括了每种类型的优点和缺点以及 它们各自的应用领域。 新标准的定义 MGE UPS SYSTEMS MGE0248FRI – 11/99 7 三．新标准的定义 IEC 62040-3和ENV 50091-3标准，定义了下列3种UPS结构类型的区别: n 被动后备式（passive standby）; n 在线互动式（line-interactive）; n 双转换式（double conversion）. 这些专业名词是根据UPS在市电电源（即UPS上线配电系统）上的运行方 式来定义的，此标准为UPS的输入电源作出如下定义： n 主要电源（Primary power）: 可正常连续供电的交流电源，通常由 公用电力部门供电，但有时也由用户自己的发电机（厂）供电。 n 后备电源（Standby power）: 在主要电源发生故障时，能替代主要 电源的电源。 就实际而言，一台UPS应具有一个或两个输入端口: n 正常交流输入端（Normal AC input），有时称为电源1（Mains 1） 是由主要电源供电的; n 旁路交流输入端（Bypass AC input），有时称为电源2（Mains 2）, 如果它存在的话，可以由主要电源或由后备电源(例如，从同一个主 低压配电盘分开提供的电缆)供电。 被动后备式UPS 运行原理 F 逆变器是并联连接到市电与负载之间的，仅简单地作为备用电源使用。 图3。具有被动后备式拓扑的UPS n 正常运行方式 新标准的定义 MGE UPS SYSTEMS MGE0248FRI – 11/99 8 ¨ 负载由市电交流输入供电，一般地说是通过一个滤波器或调节器， 它可消除某些干扰，还可以提供一定的电压调整。IEC标准并不关 注这个滤波器而只将这个滤波器简称作“UPS开关”（UPS Switch）。然而IEC标准规定“附加的装置可以包括具有电源调整 作用的设备，例如：铁磁谐振变压器或自动调节抽头的变压器”。 ¨ 逆变器处于被动后备式。 n 后备方式 ¨ 当交流输入电压超过规定的容限范围或故障时, 电池和逆变器保证 在很短的转换时间内 (一般地小于10毫秒)继续供电给负载。IEC 标准并不规定这种转换的时间，但是限定“负载直接地转换到逆变 器或UPS开关（UPS开关可以是电子的或电子-机械式的）”。 ¨ 在后备时间内UPS 继续运行在电池供电状态，直到交流输入电压恢 复到规定的容限范围之内，这时UPS又恢复到它的正常方式运行。 优点 n 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 简单 n 成本低 n 体积小。 缺点 n 负载同上线供电系统没有真正隔离 n 较长的转换时间，缺少真正的静态开关，这意味着把负载转换到逆 变器所需要的时间相对较长。虽然某些应用场合下这种转换时间是可 以接受的（例如，单独的计算机等），但这种性能是不能满足大型或 复杂的敏感型负载的要求（例如，大型计算机中心，电话交换机等） n 输出电压不能调整 n 输出频率取决于交流输入电源的频率，而不能调整。 应用 这种UPS结构是将电源干扰降低到可接受的程度与设备成本之间的折衷。 事实上这正是在这个文件开始时所表达的“离线式”结构。详细地说，由于上 述缺点，这种结构的UPS仅用于小额定功率(< 2 千伏安)，并且它不能用于频 率转换器方式工作。 IEC标准宣布今后不再使用“离线式”这一专业名词，他们推荐使用专业 名词“被动后备式”，因为它能更准确地描述这种结构UPS的运行原理。 在线互动式UPS 新标准的定义 (续) MGE UPS SYSTEMS MGE0248FRI – 11/99 9 运行原理 F 逆变器是并联连接到市电与负载之间的，仅起到后备电源的作用，它同时还为 电池充电。通过它的可逆运行方式，它与市电相互作用，因此被称作“互动式”。 所谓的“升压/补偿式”（Boost/Buck）、“自动电压调整式”（Automatic Voltage Regulation）和 “Delta变换式”等都属于在线互动式结构。 图4。 在线互动式UPS的结构 IEC标准定义了三种运行方式： n 正常方式 负载通过与交流市电并联连接的逆变器提供“经调压的市电电源”。 逆变器运行在调整输出电压和/或给电池充电的状态。输出频率依赖 于主交流输入的频率。 n 后备方式 ¨ 如果交流输入电压超过UPS预设的容限范围或故障，电池通过逆变器 继续供电给负载。静态开关断开交流输入电源以防止从逆变器倒送 到交流输入。 ¨ 在后备时间之内，UPS 运行在电池放电方式直到交流输入电源恢复到 UPS预设的容限范围之内，这时UPS恢复到正常运行方式。 n 旁路方式 这种类型的UPS可以包括一个维修旁路。在UPS发生内部故障时， 负载可以通过维修旁路转换到旁路电源上。 优点 新标准的定义 (续) MGE UPS SYSTEMS MGE0248FRI – 11/99 10 n 同样的额定功率，在线互动式UPS的成本要比双转换式UPS低。 缺点 n 负载同上线供电系统之间没有真正的隔离 n 输出频率未经调整，它取决于交流输入市电的频率 n 对防止尖峰脉冲和过电压缺乏保护 n 输出电压的调节作用是中等水平的，因为逆变器并不是串联连接到交 流输入上的，所谓的通过逆变器并联连接到交流市电的“调压”作 用，由于逆变器的可逆向运行，而限制了调节作用 n 如果运行在非线性负载上，它的效率很低 应用 这种结构的UPS对中大额定功率的敏感型负载不适用，因为不能调整频 率。由于此种理由，它几乎没有在大中功率UPS中被采用。 双转换式UPS 运行原理 F逆变器是串联连接在交流输入与负载之间的，电源通过逆变器连续地向负载电。 图5。双转换结构的UPS IEC标准定义了三种运行方式： n 正常方式 负载是通过整流器/充电器与逆变器结合在一起连续供电的，实现交 新标准的定义 (续) MGE UPS SYSTEMS MGE0248FRI – 11/99 11 流-直流-交流的双重转换，因此这种结构以此命名。 n 后备方式 ¨ 如果交流输入电压超过UPS预设的容限范围或故障，电池通过逆变器 继续供电给负载 ¨ 在后备时间内，UPS运行在电池放电方式直到交流输入电源恢复到 UPS预设的容限范围之内，这时UPS恢复到正常方式 n 旁路方式 这种类型的UPS一般具有静态旁路（常称为静态开关），因此根据 下列条件，负载就能够通过静态旁路的转换而不会中断供电电流： o UPS内部故障; o 瞬态负载电流冲击或故障电流; o 过载; o 电池备用时间终了. 然而，旁路的出现意味着输入和输出的频率必须是相同的。如果输入和输出 的电压不同，则必须在旁路上安装变压器。UPS 必须同旁路交流电压同步才 能保证不会在转换时造成负载的供电中断。 注意： 作为维修目的，通常还提供另一条支路称为维修旁路，用手动开关 实现其操作。 优点 n 无论逆变器的供电是由交流电源或是电池，它供给负载的电源都是连续的 n 负载同上线供电系统相隔离，因此防止了任何上线的干扰传送给负载，例 如尖峰脉冲、过电压等 n 很宽的输入电压容限范围和很精确的输出电压调整 n 输出频率的精确调整，并且如果不使用静态开关的话，UPS还可以用作频 率转换器运行 n 在稳态和瞬态条件下，具有很多优越的性能 n 在交流输入电源发生故障时，立即转换到电池放电方式运行 n 可不中断供电地转换到旁路方式 n 设计用于维修的手动旁路。 缺点 新标准的定义 (续) MGE UPS SYSTEMS MGE0248FRI – 11/99 12 n 较高的价格，但可从许多高性能的受益中得到弥补。 应用 这是在负载保护方面、可调整性方面和性能方面最完善的结构。事实上， 这就是在这个文件的开始所表明的“在线式”结构。IEC标准说明并公告“在 线式”这一专业名词已不再使用，它们建议采用“双转换”这一专业名词，因 为它更加准确地描述了其运行原理。 这种结构由于采用了静态开关，在负载从正常方式转换到旁路方式或者相 反转换时，使得负载的供电不会中断，它还保证了输出电压和频率相对于输入 电压和频率的完全的独立性。 由于它具有如此多的优点, 双转换式UPS几乎独占了用于保护较大额定功 率的关键性设备上(10千伏安以上)。 四．结论 结论 MGE UPS SYSTEMS MGE0248FRI – 11/99 13 新标准IEC 62040-3 和等效的欧洲标准 ENV 50091-3 已经为用户结束了 去定义3种UPS的类型和性能测试方法的困难时代。 3种UPS的类型标准由它们的结构和运行原理所定义。 3种UPS类型具有以下的结构: n 被动后备式(Passive standby，以前称为“离线式”Off-line); n 在线互动式（Line-interactive，In-line，Delta-conversion）; n 双转换式(Double conversion，以前称为“在线式” On-line). IEC标准建议采用上述的专业技术名词，不鼓励使用老的技术名词，因为 新的名词更确切地描述了3种UPS的运行原理。 比较3种类型UPS的关键要点： 这是因为双转换结构为敏感型负载的需要提供了最多的优点，主要是UPS的位 置与市电电源是串联连接的，它的重要优势是： n 对负载来说，由逆变器提供连续转换的供电; n 负载同上线的供电系统相隔离; n 宽广的输入电压容限和输出电压的精密调整; n 输出频率的精密调整和UPS可以作频率转换器运行; n 在稳态和瞬态条件下，更优良的性能水平; n 不中断地转换到储能方式和旁路方式; n 设计作维修用的手动旁路。 更为重要的是，这种类型的UPS只有很少的缺点，除了较高的价格之外 （但它可从优良的性能方面得到弥补，而这些性能又常常是被支持的负载所必 须的关键特性），效率略低一些(低几个百分点). 对于大中功率的UPS，其它结构尽管它们有很低的成本，但是大多数用户很少采 用。 它们还有下列缺点: n 对被动后备式 UPS，没有电压调整; n 对被动后备式和在线互动式UPS没有频率调整; n 由于UPS的位置与主电源是并联连接的，因此同主电源只有基本的 隔离（常常仅是一个浪涌抑制器）。 结论: 双转换式UPS代表了绝大多数的大中功率的UPS(几千伏安以上的95% 和10千伏安以上的98%). 结论 MGE UPS SYSTEMS MGE0248FRI – 11/99 14 F 对小功率(小于 2千伏安), 3种标准化的UPS类型都可采用 选择哪一种类型是由性能价格比所决定的，即根据负载能够运转可接受的风险 程度（对用户生产消耗的成本，等等）来决定。 F 对大的额定功率，双转换UPS几乎独占鳌头 MGE UPS SYSTEMS 140, avenue Jean Kuntzmann Zirst Montbonnot Saint Martin 38334 SAINT ISMIER Cedex France Tel : 33 (0) 4 76 18 30 00 www.mgeups.com MGE0248UKI As standards, specifications and designs change from time to time, please ask confirmation of the information given in this publication. Product names mentioned herein may be trademarks and/or registered trademarks of their respective companies. Published by: MGE UPS SYSTEMS - 11/99 Designed by: P. Andreani - INTERDOC