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1、UPS原理和應用課程綱要l 電源的問題l UPS基本原理l UPS種類和架構l 三相UPS系統l UPS一般應用l 網路UPS應用l UPS 產業概況l UPS的未來趨勢l 參考資料電力系統電源的重要性l 不穩定的電源嚴重的金錢損失l 根據統計，一半企業停電一小時約損失USD$5,000，更有一些企業認為損失達USD$50,000l 電力問題是資料漏失最大原因，佔所有原因45%以上l 設置購買保險l 電源的問題不只是斷電，即使是再好的電力公司也不能防止天然災害，尤其是雷擊輸電故障比率1977-1981 日本輸電線事故統計，共計24,876件電源的九個問題（一）l 停電（斷電,Black Out
2、）：l 指電源“完全”中斷l 可能原因：l 電力公司停電l 斷電器（保險絲）開路l 雷擊或意外災害l 造成的問題l 系統癱患l 設備損壞l 資料消失電源的九個問題（二）l 瞬間低壓（Sag）：l 指市電有“短暫”（通常指幾個週期）的低壓l 可能原因：l 受到其它較大負載“拖累”l 其它設備損壞l 電力系統切換l 造成影響：l 和斷電相似，嚴重會損壞設備電源的九個問題（三）l 瞬間高壓（Surge）：l 指市電有短暫的高壓，通常指高於的正常電壓l 可能原因：l 其它較大負載瞬間切離，關機l 電力系統切換l 造成的問題l 設備損壞電源的九個問題（四）l 低壓（Under voltage,Brown
3、 out）：l 指電源“較長時間”的低壓，通常是幾分鐘，甚至是數天l 可能原因：l 電力系統容量不足l 電力尖峰時間節電l 造成的問題l 系統失效（不正常，Failure）電源的九個問題（五）l 過壓（Over voltage）：l 指電源“較長時間”的高壓，通常是幾分鐘，甚至是數天l 可能原因：l 電力離峰時間l 造成的問題l 設備損壞l 資料遺失電源的九個問題（六）l 電源雜訊（Noise）：l 指電源上帶有高頻的雜訊，l 可能原因：l 其它設備干擾，如無線電，焊接設備l 雷擊l 造成的問題l 系統不正常l 資料錯誤l 嚴重會損壞設備電源的九個問題（七）l 頻率變動（Frequency v
4、ariation）：l 指電源的頻率不穩定l 可能原因：l 發電機（尤其是小型發電機）負載變化l 造成的問題l 系統失效（不正常，Failure）l 資料遺失l 設備損壞電源的九個問題（八）l 切換瞬變（Switching transient）：l 很短時間（通常是nS或uS）的電壓變化l 可能原因：l 高頻切換元作動作l 造成的問題l 設備損壞電源的九個問題（九）l 諧波失真：l 指電源上載有高頻的諧波l 可能原因：l 非線性負載造成，如SPS,FAX or Copy machine，變頻馬達l 造成的問題l 通訊錯誤l 設備損壞解決電源問題的方法l 並聯式儲能系統l 靜態轉換開關（Stat
5、ic Transfer Switch,STS）l 動態電壓恢復設備（Dynamic Voltage Restorer,DVR）l 靜態電壓調整變壓器（Static Voltage Regulator,SVR）l 動態式柴油引擎不斷電系統（Diesel UPS）l 電池儲能式不斷電系統（UPS）並聯式儲能系統儲能系統市電 負載l 儲能系統和市電併聯l 隔離開關和市電不正常時將系統和市電切開l 儲能系統可以是l 電容l 電池l 超導磁線圈l 轉動慣量l 切換時間要小於4mS靜態轉換開關（）l 分別從不同獨立獨立饋線供電l 用戶選擇一可靠電源供電l 開關作合適的隔離和切換供電系統一供電系統二負載NC
6、NONCNCNO動態電壓恢復設備l 市電降低時提供“補償”l 串聯設備通常是電容l 可提供數秒的低電壓補償l 可提供數個週期的斷電供電l 低價，體積小，重量輕串聯設備負載市電靜態電壓調整器l“靜態”“分段式”調整l 可以在1/4個週期內動作l 高功率，高壓適用l 多為被動元件，相對較可靠l 體積較大動態式柴油引擎l 組成如右圖l 利用的慣性達成不斷電l 會有短暫的電壓降低和頻率不穩定l 沒有電池，可長時工作l 可做l 適用於大型系統 市電 柴油引擎 感應耦合系統 電力備份總成 發電機 濾波器總成 負載 輸出 濾波電感 輸入各種電源保護的比較UPS的基本原理l UPS:Uninterruptib
7、le Power System，不中斷的電源系統l 顧名思義，就是在電源中斷時由其它的“媒介”產生電力，其媒介有：l 發電機l 慣性轉輪l 電池，電容l 以下我們討論會放在“用電池的靜態UPS”常用名詞解釋（一）l 市電：在台灣即台電來的交流電，其電壓形狀為正弦波，有110V/60Hz和220V/60Hzl 三相：標準的電力系統是三相電源，因為每一相均為正弦波且相位各差120度，而單相僅為三相中的某一相而已l 有效值：Root-Mean-Square(RMS)：或稱均方根值。在交流電或正弦波中，電壓的有效值為峰值的0.707l 負載：指接在市電或輸出端的設備（如電腦，傳真機等）l 斷電：指市電
8、中斷停止供應電l 電池：在UPS內的電池，大多採用免保養鉛酸密閉式電池，其主要功能為儲存能量l 轉換時間：指從正常供電換成電池供電的時間l 放電時間：指用電池供應電力可維持的時間常用名詞解釋（二）l 功率l 視在功率(Apparent Power):VA=VxAl 實功（）：實際消耗的功率，電表上的讀值 當電壓電流皆為弦波時 WVAx cos l 虛功（VAR）：無效功率,當電壓電流皆為弦波時 VARx sin IVI II III IVl 功率因素(Power Factor)：PF=W/VA=cos PF大-電壓電流愈相似and/or相位差愈小PF小-電壓電流愈不相似and/or 相位差愈大
9、常用名詞解釋（三）l 轉換效率：指UPS輸出和輸入功率的比例=Pout/Pin,Pout指輸出功率，而Pin在一般狀況時指市電進入UPS的功率；放電時指電池提供的功率l 轉換時間：指UPS狀態轉變的時間，通常有l Line mode Battery model Bypass Inverterl 有的機種在轉換時會有斷電時間，但是一般都會在4ms以下常用名詞解釋（四）l 功率因素校正(PFC,Power Factor Correction)一般而言，經過整流線路的輸入電流波型如圖，其電流帶有很高的諧波成份。這會造成干擾其它設備，但是最重要的是，在輸出功率和輸入電壓相同的情況下，輸入電流會較大，其
10、關係式輸入電流會變大！輸入電流會變大！常用名詞解釋（四）l 功率因素校正(PFC,Power Factor Correction)功率因素正就是要讓輸入電流的波型和輸入電壓l 同相化l 相似化l 方法分被動和主動式兩種IVIV常用名詞解釋（四）l 被動式被動式濾波電感之功率因素修正電路加入部份平坦電容的功率因素修正電路 常用名詞解釋（四）l 主動式l 中用Boost架構l 習慣上用PFC IC l Current mode controll DSP control分類l 習慣上，UPS分成三大類l 在線式(On-Line UPS,In-Line UPS)l 離線式(Off-Line UPS,S
11、tandby UPS)l 在線互動式(Line-Interactive UPS)l 不論是那一種UPS，主要的組成不外乎是下列排列l 整流器(Rectifier,AC/DC)：將市電轉成直流電l 直流對直流轉換(DC/DC)：將電池的直流電轉成直流給變流器l 充電器(Charger)：將能量傳給電池l 變流器(Inverter)：將直流電轉成交流給負載使用l 開關(Switch)：由SCR，Relay等構成，隔離市電或輸出l 控制單元(Control Unit)：監控UP和電源狀況l 輸入和輸出濾波器：濾除高頻雜訊，spike在線式（一）l 中容量(5KVA)UPS中常使用的架構l 輸出輸入變
12、壓器可以完全隔離，但是會降低轉換效率和增加體積電池充電器和整流器變流器(DC/AC)交流開關（二）optional交流輸入交流輸出交流開關（一）optional正常電流方向放電電流方向旁路電流方向在線式（二）l 目前較流行的架構（15KVA）l 可具備功因校正（PFC）的功能l 轉換效率較高(88%)l 雙轉換（Double conversion）l 正弦波輸出電池充電器和整流器變流器(DC/AC)交流開關（二）optional交流輸入 交流輸出交流開關（一）optional正常電流方向放電電流方向升壓整流器和功因校正電池昇壓(DC/C)能量儲存電容在線式（三）電池充電器和整流器變流器(DC/
13、AC)交流開關（二）optional交流輸入 交流輸出交流開關（一）optional正常電流方向放電電流方向升壓整流器和功因校正能量儲存電容l 適合於電池電壓較高的l 較前一個更簡單l 容量l 正弦波輸出離線式電池充電器變流器(DC/AC)交流開關（二）交流輸入交流輸出交流開關（一）正常負載電流方向放電電流方向正常充電電流方向l 小容量適用（）l 結構簡單，有輸出變壓器l 通常是方波輸出，但是也有高頻弦波輸出l 低壓轉高壓變流器在線互動式（一）整流器和變流器交流輸入交流輸出交流開關（一）正常負載電流方向放電電流方向正常充電電流方向l 小容量適用（）l 輸出變壓器是雙向的l 結構簡單l 低壓高壓
14、變流器在線互動式（二）變流器交流輸入交流輸出交流開關正常負載電流方向放電電流方向BoostNormalBuck電池充電器正常充電電流方向l 小容量適用（）l 輸出變壓器可有可無l 可補償市電不正常高低壓變化l 放電時通常是高頻弦波在線互動式（三）在線補償變流器交流輸入交流輸出交流開關正常負載電流方向補償和放電電流方向電池充電器正常充電電流方向三埠變壓器l True Line-Interactive?Also called“Delta Conversion”l 變流器“全時”透過三埠變壓器和負載“分擔”電流l 可處理Sag，但是不能處理 Surgel 不會斷電，效率較高補償電流方向各種架構的比較
15、（一）各種架構的比較（二）三相UPS系統（一）l 類似單相（架構，功能）l 高容量，通常容量l 三相輸入l 單相輸出或l 三相輸出三相UPS 系統（二）UPS的一般應用選擇l 是否需要UPS?l 設備斷電會造成損失l 電源問題造成損壞l 容量考量l 不論設備的總VA或瓦特數都要小於UPS的輸出l 負載容量=UPS5075%額定輸出是較經濟的選擇l 那一種UPS?l 參看選擇圖l 考慮停電的損失l 放電需求l 考慮負載量l 考慮時間l 選擇合適機型（有些不提供外加電池連接）l 負載1/2時間X3個人電腦？開始離線式(off line)YesNo市電狀況 不穩定伺服器在線式(on line)穩定互
16、動式(line interactive)Yes使用發電機？在線式(on line)YesNo？Yes在線式或特別的互動式No可接受方波輸入？互動式(line interactive)YesNo在線式(on line)結束斷電時間要求？高階互動式(line interactive)4mS4mSUPS選擇圖UPS的使用限制l 不合適接的設備l 電感性負載，如冷氣機，電風扇等l 半波整流負載，如吹風機等l 瞬間大電流，如影印機，雷射印表機l 電池維護l 注意電池的壽命，一般約三年要更換電池l 不要長時間不充電l 負載狀況l 衡量負載l 不要過載l 注意使用環境l 週溫l 濕度l 通風散熱UPS 的網
17、路應用l 不斷電？l 不只，現在的已經聰明的多了！l 有設備就要管理l 為什麼要管理？l 放電時間有限l 會有各種狀況l 一台對多台電腦l 讓管理人員隨時掌握狀況l 降低損失l UPS的通訊界面l RS232l USBl RS485l 乾接點(Dry Contact,AS400)l SNMPl Web CardUPS 的網路應用l 一對一l RS232 或l SNMPRS232EthernetUPS的網路應用l 一對多（一）l RS232 with master computerl Master will communicate with slave computersl Slaves can
18、 shutdown when receive signal from masterRS232EthernetMasterSlaveSlaveUPS的網路應用l 一對多（二）l UPS with SNMP cardl Master will communicate with slave computersl Slaves can shutdown when receive signal from masterEthernetHostClientClientUPS with SNMP cardUPS的網路應用EthernetClientClientClientUPS with SNMP cardR
19、S232EthernetHost HostClientClient多對一：主機可以控制網路上的任何UPSUPS的網路應用l 和網路瀏覽器結合l 利用HTTP為界面l 可以不用在遠端電腦加裝程式l 可以執行監視和控制的功能Picture got from Liebert Web CardUPS的網路應用監控畫面，可掌握每一部UPS的即時狀況TCP/IP網路協定，可同時監督多部UPS運作情況。UPS的網路應用可透過一部UPS控制同一個LAN上多部電腦開關機排程設定功能可幫您在需要的時間自動開啟及關閉您的電腦系統及UPSUPS的網路應用透過pager及e-mail的通知功能，即使不在辦公室也可掌握電
20、源狀況故障碼傳送功能，可以在UPS發生故障情況時自動將故障訊息發送e-mail至原廠維修中心UPS產業發展概況一.Frost&Sullivan調查報告,全球市場規模成長如下：1996年約34.4億美元2000年 約55.7億美元2006年 預計115.9億美元 1996-2006市場規模年複合成長率13%二.全球總需求量之統計：1996年 787萬台2000年 1,536萬台2006年 4,600萬台 1996-2006年需求量複合成長率19.3%UPS產業發展概況UPS產業發展概況 三.微型UPS為市場主流依照專業機構對電力容量的區分，微型(5KVA以下)UPS的市場需求成長快速，從1997
21、年佔總UPS49%(18.9億美元)，到2000年成長至58%(32.3億美元)。根據Frost&Sullivan機構預估，2004年佔有率將成長至69%(64.4億美元)。UPS產業發展概況四.UPS應用於電腦、資訊產品佔62%以上，主要銷售市場以美國佔40%以上若以全球UPS應用市場分佈情形觀之，根據Frost&Sullivan的統計資料，2002年UPS使用在電腦、通訊產品上所佔比率由1994年的57.8%提升至62.7%。因此，推斷UPS與電腦、通訊產業之興衰存在著密不可分的關係。未來隨著電腦、資訊及通訊產業持續成長，UPS的消費市場量值亦可同步成長。UPS產業發展概況五.全球UPS市佔率分析(一)就銷售地區分析，美國、歐洲和日本為主要銷售區域，美國UPS鋿售值約佔全球UPS銷售額40%左右，並呈持續成長，而歐洲及日本UPS銷售額則分別佔全球UPS銷售額之25%及15%左右。歐洲及日本等地區之銷售額比率陸續下降，主要原因為美國電腦及通訊相關產業之成長率較高，致使UPS銷售額比重處於逐年成長趨勢。