1、第第3-2节节 UPS电源系统电源系统 的设计的设计N22023年年2月月11日日UPS技术培训资料发电机组CB1MLVS主低压开关柜CB2UPS1UPS2SineWaveSineWave中压低压变压器主交流输入旁路交流输入断路器断路器In(额定电流)、使用分断能力、Ir(过流整定)、Im(短路整定)、Inst(瞬时整定的整定)、脱扣装置的类型电缆电缆长度、横截面积、压降、变压器和主低压柜间的电缆安装方法发电机组发电机组Sn,Un,Xd=(亚瞬态电抗，计算电压失真度)Xd=(瞬态电抗，计算短路电流)一、一、UPS系统的技术参数系统的技术参数N32023年年2月月11日日UPS技术培训资料工业过
2、程处理CB3SineWavePMM同步电信、数据中心UPS1UPS2断路器断路器(CB3)In(额定电流)、Ics(分断能力)、脱扣装置的类型、Ir、Im和Inst的设置电缆电缆长度,截面积,CB3和负载之间的电缆安装方法输出隔离变压器或输出隔离变压器或三次谐波滤波器三次谐波滤波器一、一、UPS系统的技术参数系统的技术参数N42023年年2月月11日日UPS技术培训资料w输入输入-输出电缆的设计输出电缆的设计 UPS输入输出电缆取决于UPS的输入输出电流值。在UPS的安装手册中通常直接给出电流数值，有些厂家甚至直接给出最小的电缆截面积，这样有利于电缆的设计和选择。例如某UPS产品安装手册的数据
3、如下：二、二、UPS电源系统的设计电源系统的设计相电流(安培)铜电缆的截面积(平方毫米)UPS 额定输出功率(KVA)主电源带或不带电池旁路交流电源和负载电池主电源(带或不带电池)旁路交流电源和负载电池2035305216161630524672252525406961103353535508776128503550601059115450507080140121205957095100175152256957027012020918230895702701602762424109595295200346303512120120295N52023年年2月月11日日UPS技术培训资料电缆截面的选
4、择主要取决于两个因素：电缆截面的选择主要取决于两个因素：所允许的导线温升；所允许的导线温升；所允许的传输压降。所允许的传输压降。压降（压降（Voltage drops）电缆所允许的最大压降：交流电路（交流电路（50HZ或或60HZ）为）为3%；直流电路为直流电路为1%。通常UPS的输出电压可进行3%的调节，以弥补电缆压降。w输入输入-输出电缆的设计（续）输出电缆的设计（续）二、二、UPS电源系统的设计电源系统的设计N62023年年2月月11日日UPS技术培训资料w输入输入-输出电缆的设计输出电缆的设计注意问题：注意问题：UPS输入输出电缆的选择通常不要比给定的截面大两个等级，否则很难连接，并且
5、机柜下部的电缆转弯半径也不足；电缆通常采用铜芯结构，尽量不采用铝导线；电缆尽量采用下进下出的方式，顶部进线需增加进线柜；并联使用的电缆尽量不超过4根。中线电缆：中线电缆：在由众多的单相负载组成的三相配电系统中，由于三次谐波电流H3在中线上得以迭加，因此应选择：中线电缆截面=1.5 x 相线电缆截面这对于UPS的旁路输入或UPS输出电缆都是十分重要的。二、二、UPS电源系统的设计电源系统的设计N72023年年2月月11日日UPS技术培训资料单单 台台 U P S 上上 线线 保保 护护 装装 置置 的的 容容 量量 推推 荐荐 值值 (梅梅 兰兰 日日 兰兰 断断 路路 器器)主主 电电 源源
6、交交 流流 输输 入入 的的 断断 路路 器器旁旁 路路 电电 源源 交交 流流 输输 入入 的的 断断 路路 器器U P S 额额 定定 输输 出出功功 率率 (K V A)断断 路路 器器控控 制制 单单 元元断断 路路 器器控控 制制 单单 元元20N S 100N 3PT M 63DN S 100N 4PT M 63D30N S 100N 3PT M 63DN S 100N 4PT M 63D40N S 100N 3PT M 80DN S 100N 4PT M 80D50N S 100N 3PT M 100DN S 100N 4PT M 100D60N S 125E 3PT M 125
7、DN S 125E 4PT M 125D80N S 160N 3PT M 160DN S 160N 4PT M 160D100N S 250N 3PT M 200DN S 250N 4PT M 200D120N S 250N 3PT M 250DN S 250N 4PT M 250D160N S 400N 3PS T R 23 S EN S 400N 4PS T R 23 S E200N S 400N 3PS T R 23 S EN S 400N 4PS T R 23 S Ew输入输入-输出断路器的选择：输出断路器的选择：UPS断路器的设计是一个极为专业和复杂的过程，应由设计部门完成；UPS的
8、输入断路器的输入断路器在UPS的安装手册上一般具有明确的说明，例如：二、二、UPS电源系统的设计电源系统的设计N82023年年2月月11日日UPS技术培训资料w输入输入-输出断路器的选择：输出断路器的选择：UPS的输出断路器的输出断路器在UPS的安装手册上一般具有明确的说明，如果没有按照所推荐的下线保护装置选择，则当某一路负载输出发生短路或故障时，其结果可能是使UPS输出的所有各路中断。单台单台 UPS 下线保护装置的容量下线保护装置的容量(梅兰日兰断路器梅兰日兰断路器)下线断路器下线断路器UPS 额定输出额定输出功率功率(KVA)断路器控制单元20 到 40kVAC60NC 10A/B 20
9、A50 到 60kVAC60NC 20A/B 32A80 到 120kVAC60N/NC100C 50A/B 63A160 到 200kVANC100C 63A/B100A二、二、UPS电源系统的设计电源系统的设计注意：注意：该断路器的容量为该断路器的容量为UPS输出端容量最大的负载支路，而非总容量。输出端容量最大的负载支路，而非总容量。N92023年年2月月11日日UPS技术培训资料w输入输入-输出断路器的选择：输出断路器的选择：注意问题：注意问题：主电源输入断路器通常按照1.2倍的输出相电流选择，无需过大（IGBT整流器可选择1.1倍）；旁路断路器通常按照输出的额定电流选择；单机UPS的输
10、出总开关，最好选择负荷开关而不用断路器，以增加上下线之间的选择性；并联UPS的输出，最好在每台增加一个隔离开关，以方便维修和测试，如下页图。二、二、UPS电源系统的设计电源系统的设计N102023年年2月月11日日UPS技术培训资料 负载Q4S Q3BP QF1 QF1 Q1 Q1 Q5N Q5N Q1BP Q20 Q10 电流互感器 1 电流互感器 3 Q5N 静态开关柜电池 2 旁路交流输入电池 1 主交流输入 测试负载测试负载主交流输入page 11断路器的选择性断路器的选择性脱扣曲线脱扣曲线CB3脱扣曲线CB2脱扣曲线1011000.10.010.001110100Im下线Im上线以秒
11、计算的脱扣时CB2曲线CB3曲线发电机短路电流静态开关热过载上线断路器的电流比I/In Ir：过载整定 Im：短路整定 Inst：瞬间短路整定Ir上线Ir下线变压器的起动电流UPS全部负载的起动电流CB1：主电源输入 CB2：旁路输入 CB3：输出为主电源的短路保护选择CB1和CB2的分断容量(上线电源通常为变压器)当下线发生短路时，CB1和CB2必须脱扣(特别是电源为发电机时)当负载发生短路时，CB2必须能够保护UPS的静态开关静态开关的过载能力通常为10到16 In持续20毫秒N122023年年2月月11日日UPS技术培训资料w运行环境的确定运行环境的确定 1）UPS的热损耗的热损耗 UP
12、S的热损耗通常在用户手册或安装手册中都会有明确的数值，按照该数值确定空调系统的制冷容量即可。但在机房设计时，可能UPS的品牌尚不能完全确定，这时可按照下式进行估算：式中：表示UPS的整机效率。功率因数容量热损耗1UPS 2）UPS的排风量的排风量 UPS的排风量通常在用户手册或安装手册中都会有明确的数值（立方米/小时），需要按照该数值计算空调系统的通风量，如果通风量要求不能满足，则UPS的环境温度仍然不能降低到所允许的温度。3）UPS运行的海拔高度运行的海拔高度 UPS在高原、山地运行时，由于空气的稀薄，气压低，造成UPS不能带额定负载运行，这就是所谓的功率折算的问题。UPS的功率折算表通常在
13、用户手册或安装手册中都会有明确的数值，在设计计算机房UPS电源系统时，应予以重视。二、二、UPS电源系统的设计电源系统的设计N132023年年2月月11日日UPS技术培训资料wUPS通信与监控管理的确定通信与监控管理的确定 UPS与其环境的通信与其环境的通信，在各个UPS产品中都以标准配置或选件的形式配备了通信接口板，用来与不同的环境交换数据或指令，这包括：电力环境电力环境(PLC、监控，等等)；计算机环境计算机环境(网络和计算机系统)。数字通信技术是通过标准网络实施的数字通信技术是通过标准网络实施的，使用的接口板有四种：RS232 U-talk 或或 RS485 JBUS，用于通过点对点连接
14、、本地总线或公共电话交换网(PSTN)与电气环境进行通信；SNMP/以太网以太网，用于在以太网上与计算机环境进行通信；http 或或 XML，用于将UPS直接连接到因特网；USB/HID，通过Solution-Pac或Manage-Pac软件在 Windows 2000 或 OS Mac 9.04的电源管理功能上提供信息。二、二、UPS电源系统的设计电源系统的设计N142023年年2月月11日日UPS技术培训资料w电池在电池在UPS中的作用：中的作用：UPS要为负载提供一定的后备时间，就必须具有电能的储存；到目前为止，还没有找到一种技术能够储存交流电能，也就是说电能的储存技术仍然只能采用直流形
15、式。电池在UPS电源中的主要作用就是储存电能，一旦市电中断，由电池放电供给逆变器，由逆变器将电池释放出的直流电转变为正弦交流电，维持UPS电源的正常输出，确保计算机在一定的时间内正常用电。在市电正常供电时，电池在整流充电电路中储存电能，同时对直流电路起到平滑滤波的作用，并在逆变器发生过载时，起到缓冲器的作用。三、三、UPS电池容量的选择电池容量的选择N152023年年2月月11日日UPS技术培训资料w电池的分类电池的分类：电池在电池在UPS中已得到广泛的应用，其品种繁多，型号齐全，规格各异，但中已得到广泛的应用，其品种繁多，型号齐全，规格各异，但按其基本性质电池可以分为按其基本性质电池可以分为
16、酸性电池酸性电池和和碱性电池碱性电池两大类两大类：酸性电池酸性电池：酸性电池的电解液一般是由稀硫酸（H2SO4）或者胶体硫酸构成，极板由铅Pb和过氧化铝PbO2构成，通过化学反应贮存电荷，起到电池储能的作用；碱性电池碱性电池：碱性电池的电解液一般是由氢氧化钾KOH或者氢氧化钠NaOH（烧碱）组成。极板由于电池的结构不同而各异。如镉镍电池正极板是氢氧化镍Ni(OH)3，负极板是镉Cd；铁镍电池的正极板是氢氧化镍Ni(OH)3，负极板是铁Fe；银锌电池的正极板是过氧化银Ag2O3，负极板是锌Zn。电池也可以按照使用方式进行分类电池也可以按照使用方式进行分类：开口型开口型、密封型密封型。三、三、UP
17、S电池容量的选择电池容量的选择N162023年年2月月11日日UPS技术培训资料w电池的充电：电池的充电：电池的电池的充电特性充电特性曲线具有三个阶段曲线具有三个阶段：恒流充电阶段：恒流充电的控制方法是降压限流，随着电池容量的恢复，电池的电压不断上升，一直达到恒压充电电压为止，因此这一过程也称之为升压充电(Boostcharging)。放电越深则恒流充电阶段越长，反之则较短。恒压充电阶段：电池电压保持不变，充电电流逐渐减小，对密封电池来说，应维持在68小时，然后转入浮充状态，恒压充电过程也称之为恢复充电(Recharging)。浮充电阶段：这一过程是为保持电荷的储量及防止自放电所必需的维持充电
18、。通常认为每安培小时的充电电流降至10毫安以下时即认为电池已进入浮充电状态。浮充电流通常很微弱故有时又称为涓流充电(Trickling charging)。三、三、UPS电池容量的选择电池容量的选择N172023年年2月月11日日UPS技术培训资料w电池的放电：电池的放电：电池的电池的放电特性放电特性曲线具有三个曲线具有三个特征：特征：当负载(即放电电流)较小时，电池的放电曲线较平滑，放电的时间较长。无论负载的轻重如何，在放电的初始阶段都有电池电压突然下降较多，然后略有回升的现象，这个过程形成电池电压有较大的低谷；无论放电电流的大小，电池的端电压最终将出现急剧下降的拐点，以拐点连接得到的曲线就
19、称为安全工作时的终止电压曲线，UPS的电池工作点都是设计在这条拐点曲线附近的。电池最低放电电压曲线以下的部分，表示低于此电压将造成电池特性的永久损坏；在UPS中，当直流电压过低时，将引起逆变器脉宽调制波的进一步变宽，而过大的直流分量将引起逆变变压器的磁饱和现象，从而导致正弦波的失真。三、三、UPS电池容量的选择电池容量的选择N182023年年2月月11日日UPS技术培训资料四、电池后备时间的计算四、电池后备时间的计算电池后备时间的计算，主要依赖于电池品牌的选择，包括电池的类型、电池的使用寿命、电池的安装方式等，可参照该品牌的电池参数，来计算电池的容量和数量。w按照按照UPS功率计算电池容量功率
20、计算电池容量 举例：一台举例：一台200KVA UPS，要求使用使用上海西恩迪的十年免维护电池，后备时间为要求使用使用上海西恩迪的十年免维护电池，后备时间为30分钟。分钟。UPS的电池终止电压为的电池终止电压为338V，逆变器效率为逆变器效率为0.94，输出功率因数为，输出功率因数为0.8，试选，试选择电池容量、串连只数、并联组数择电池容量、串连只数、并联组数。N192023年年2月月11日日UPS技术培训资料w按照按照UPS功率计算电池容量功率计算电池容量 UPS所需的直流功率为：所需的直流功率为：每组电池的串连只数为每组电池的串连只数为：根据电池放电功率表，选择根据电池放电功率表，选择MP
21、S12-100（12V-100AH）电池，每个单体电池，每个单体放电功率为放电功率为209W（1.65V/cell,30分钟时），则需要的电池组数为：分钟时），则需要的电池组数为：即需要的电池配置为：即需要的电池配置为：12V-100AH电池电池34只只4组。组。KWUPSPdc2.17094.08.0200逆变器效率功率因数容量）单体（电池终止电压终止电压cellVVUPSNo2058.20465.1338组组（单体数）单体数单体功率497.32052092.170WKWNoPdcG四、电池后备时间的计算四、电池后备时间的计算N202023年年2月月11日日UPS技术培训资料w按照放电电流计
22、算电池容量按照放电电流计算电池容量UPS所需的所需的最大直流最大直流电流电流为为：根据汤浅电池放电曲线可知，当电池终止电压为根据汤浅电池放电曲线可知，当电池终止电压为1.65V/cell（9.9V/只）只）时，与时，与30分钟的放电曲线交点为分钟的放电曲线交点为 1.05C，则需要电池的容量为：则需要电池的容量为：即：即：200KVA 30分钟后备时间，需要分钟后备时间，需要100AH-12V的电池的电池 5组并联，每组组并联，每组34只只，选择选择NP12-100电池电池。AVKWUBendPdcax5.5033382.170ImAHAHCAAC10055.47905.15.503电池放电速
23、率）电池放电电流（电池容量四、电池后备时间的计算四、电池后备时间的计算为什么不一致呢？为什么不一致呢？N212023年年2月月11日日UPS技术培训资料电池的充电特性电池的充电特性 恒流充电恒流充电I max=0.1C10 恒压充电恒压充电五、电池的监测与保护五、电池的监测与保护335 V0.1 C423 V463 V0t10U IUIN222023年年2月月11日日UPS技术培训资料电池的放电特性电池的放电特性 后备时间后备时间t t335 V423 V463 VU batw提供电池的后备时间计算和显示提供电池的后备时间计算和显示五、电池的监测与保护五、电池的监测与保护预报警电压预报警电压终
24、止电压终止电压tEndtAlarmN232023年年2月月11日日UPS技术培训资料U=E-R*ibS=1-idtC10R=f(S)=R0SKidtC10=电池实际输出的安时数电池实际输出的安时数/C10iUER电池监测的数学模型电池监测的数学模型R0=电池初始内阻：电池初始内阻：当电池充满电时，当电池充满电时，S=1，则，则 R=R0K=电池生产厂给出的放电系数电池生产厂给出的放电系数S=电池充电状态系数：电池充电状态系数：当电池开始放电时当电池开始放电时,t=0，则，则 S趋于趋于1 当电池放电终止时当电池放电终止时,t=tEnd，则则 S趋于趋于0C10=10小时放电制的电池容量，安时小
25、时放电制的电池容量，安时(AH)五、电池的监测与保护五、电池的监测与保护(S表示电池的可用容量表示电池的可用容量)N242023年年2月月11日日UPS技术培训资料实际后备时间显示实际后备时间显示微处理器微处理器计算软件计算软件初始电压Eo，初始内阻Ro，初始温度to，初始容量C10，放电系数k1-k2，充电系数1-2串联只数，并联组数，终止电压等全面全面考虑电池参数考虑电池参数:市电正常时，显示额定后备时间市电正常时，显示额定后备时间市电停电时，显示剩余后备时间市电停电时，显示剩余后备时间根据实际环境根据实际环境及及电池参数电池参数测量电池的实际后备时间测量电池的实际后备时间电池电压电池电压
26、电池电流电池电流负载功率负载功率电池电池溫度溫度电池电池使用年期使用年期放电结束预报警放电结束预报警电池寿命终止预报警电池寿命终止预报警五、电池的监测与保护五、电池的监测与保护w电池后备时间的电池后备时间的智能化监测功能智能化监测功能N252023年年2月月11日日UPS技术培训资料K=电池厂家提供的放电系数电池厂家提供的放电系数S=电池充电状态系数电池充电状态系数(10)U=Eo R*iR=RoSktR=f(Sk)RRoEoUt1t2t(R1)(R2)电池电压电池电压U是内阻是内阻R的函数的函数五、电池的监测与保护五、电池的监测与保护N262023年年2月月11日日UPS技术培训资料t电池电
27、压电池电压UEndE0t1t2t3t0U额定负载率额定负载率(C10)低负载率低负载率(0.5C10)w电池放电曲线是负载率的（非线性）函数电池放电曲线是负载率的（非线性）函数五、电池的监测与保护五、电池的监测与保护k2k1N272023年年2月月11日日UPS技术培训资料t电池电压电池电压UEndE0t1t2t3t0U带带100%负载时，负载时，t1=10分钟分钟w实际后备时间是负载率的（非线性）函数实际后备时间是负载率的（非线性）函数五、电池的监测与保护五、电池的监测与保护带带50%负载时负载时,t2=25分钟，分钟，而不是而不是20分钟分钟N282023年年2月月11日日UPS技术培训资
28、料w电池生产厂给出的充放电系数表电池生产厂给出的充放电系数表电池监视：实际后备时间的计算电池监视：实际后备时间的计算五、电池的监测与保护五、电池的监测与保护N292023年年2月月11日日UPS技术培训资料w电池过放电的自动保护电池过放电的自动保护 当电池电压低于终止电压时，逆变器自动停机，切换至旁路供电；同时为了避免电池长时间小电流放电，造成电池永久性损坏，UPS可以设定时间T，在电池给逆变器供电达2T时，UPS会显示“电池低电压”的预报警，当电池给逆变器供电达3T时，逆变器自动停机切换至旁路供电。逆变器停止逆变器停止3t3t+2h电池开关断开电池开关断开tn市电停电市电停电t0五、电池的监
29、测与保护五、电池的监测与保护N302023年年2月月11日日UPS技术培训资料TminTmax浮充电压浮充电压 U下降下降溫度溫度 T上升上升!w温度补偿式充电温度补偿式充电环境温度对电池的使用影响很大，电池温度上升，意味着化学反应增强，电池的放电能力也增强，但电池寿命会降低。因此UPS中专门设置了电池温度传感器，用以控制浮充电压和电流。w电池电池使用寿命使用寿命的的计算计算UPS监视器还应设置计算电池寿命的计算器，根据电池温度和使用时间自动修正电池寿命，到电池寿命终止时，产生更换电池的报警提示。五、电池的监测与保护五、电池的监测与保护N312023年年2月月11日日UPS技术培训资料自动测试周期由用户设定：自动测试周期由用户设定：XX周，周，XX天，天，XX小时小时浮充电压浮充电压终止电压终止电压0 几秒钟几秒钟2分钟分钟微处理器计算得到的 终止时间终止时间w电池自动放电检测功能电池自动放电检测功能 自动放电开始时，整流-充电器将输出电压降低到终止电压+10V，电池带逆变器负载放电2分钟，电池带真实负载放电，有利于活化电池性能；2分钟之后，如果电池电压大于终止电压10V，则整流-充电器自动起动，恢复正常运行；如果在2分钟之内，电池电压降低到终止电压+10V，说明可能有电池故障，整流-充电器立即起动恢复到浮充电压，同时产生电池故障报警。五、电池的监测与保护五、电池的监测与保护
