UPS電源工作原理及應(yīng)用

一、引言
保證任何情況下的正常供電，是冶金行業(yè)的重要基礎(chǔ)。為此,除工業(yè)電網(wǎng)正常供電外，還需配備UPS供電系統(tǒng)。UPS電源是保障供電穩(wěn)定和連續(xù)性的重要設(shè)備，因其主要機(jī)智能化程度高，儲(chǔ)能器材采用免維護(hù)蓄電池，使得在運(yùn)行中往往忽略了對(duì)該系統(tǒng)的維護(hù)與檢修。其實(shí)維護(hù)的好壞，對(duì)電源的壽命和故障率有很大影響，下面根據(jù)我們使用中的具體情況和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)介紹UPS電源的使用注意事項(xiàng)和日常維護(hù)要求。
雖說(shuō)各企業(yè)配置的UPS供電系統(tǒng)設(shè)備型號(hào)及系統(tǒng)容量有所不同，但其原理和主要功能基本相同。在UPS電源類型選擇上各站都選擇了在線式，這時(shí)因?yàn)樵诰€式UPS電源系統(tǒng)具有對(duì)各類供電的零時(shí)間切換，自身供電時(shí)間的長(zhǎng)短可選，并具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、凈化的特點(diǎn)。
當(dāng)UPS電源系統(tǒng)本身出現(xiàn)故障時(shí)有自動(dòng)旁路功能，當(dāng)需要檢修時(shí)可采用手動(dòng)旁路，使檢修、供電互不影響。在功率選擇上，萊鋼中小型棒材生產(chǎn)線選用了中功率系統(tǒng)。
二、UPS電源系統(tǒng)
UPS電源系統(tǒng)由4部分組成：整流、儲(chǔ)能、變換和開(kāi)關(guān)控制。其系統(tǒng)的穩(wěn)壓功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高頻開(kāi)關(guān)整流器，本身具有可根據(jù)外電的變化控制輸出幅度的功能，從而當(dāng)外電發(fā)生變化時(shí)（該變化應(yīng)滿足系統(tǒng)要求），輸出幅度基本不變的整流電壓。凈化功能由儲(chǔ)能電池來(lái)完成，由于整流器對(duì)瞬時(shí)脈沖干擾不能消除，整流后的電壓仍存在干擾脈沖。儲(chǔ)能電池除可存儲(chǔ)直流直能的功能外，對(duì)整流器來(lái)說(shuō)就象接了一只大容器電容器，其等效電容量的大小，與儲(chǔ)能電池容量大小成正比。由于電容兩端的電壓是不能突變的，即利用了電容器對(duì)脈沖的平滑特性消除了脈沖干擾，起到了凈化功能，也稱對(duì)干擾的屏蔽。頻率的穩(wěn)定則由變換器來(lái)完成，頻率穩(wěn)定度取決于變換器的振蕩頻率的穩(wěn)定程度。為方便UPS電源系統(tǒng)的日常操作與維護(hù)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)工作開(kāi)關(guān)，主機(jī)自檢故障后的自動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)，檢修旁路開(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)控制。

如圖1所示，在電網(wǎng)電壓工作正常時(shí)，給負(fù)載供電如所示，而且，同時(shí)給儲(chǔ)能電池充電；當(dāng)突發(fā)停電時(shí)，UPS電源開(kāi)始工作，由儲(chǔ)能電池工給負(fù)載所需電源，維持正常的生產(chǎn)（如粗黑→所示）；當(dāng)由于生產(chǎn)需要，負(fù)載嚴(yán)重過(guò)載時(shí)，由電網(wǎng)電壓經(jīng)整流直接給負(fù)載供電（如虛線所示）。
UPS電源系統(tǒng)主要分兩大部分，主機(jī)和儲(chǔ)能電池。額定輸出功率的大小取決于主機(jī)部分，并與負(fù)載屬那種性質(zhì)有關(guān)，因?yàn)閁PS電源對(duì)不同性能的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力不同，通常負(fù)載功率應(yīng)滿足UPS電源70％的額定功率。儲(chǔ)能電池容量的選取當(dāng)負(fù)載功率確定后主要取決其后備時(shí)間的長(zhǎng)短，這個(gè)時(shí)間因各企業(yè)情況不同而不同，主要由備用電源的接入時(shí)間來(lái)定，通常在幾分鐘或幾個(gè)小時(shí)不等。萊鋼中小型棒材生產(chǎn)線因生產(chǎn)需要不允許斷電，因此，UPS電源系統(tǒng)在檢測(cè)到電網(wǎng)電壓中斷后，可自行啟動(dòng)供電，且隨著儲(chǔ)能電池慢慢放電，儲(chǔ)能電池的容量隨著時(shí)間會(huì)逐漸降低，考慮到壽命終止時(shí)儲(chǔ)能電池容量下降到50％并留有一定的余量，我廠UPS電源系統(tǒng)的工作時(shí)間當(dāng)儲(chǔ)能電池滿容量時(shí)為2小時(shí)，半容量為1小時(shí)。
2.1電源工作原理
2.1.1 AC-DC變換：將電網(wǎng)來(lái)的交流電經(jīng)自耦變壓器降壓、全波整流、濾波變?yōu)橹绷麟妷?，供給逆變電路。AC-DC輸入有軟啟動(dòng)電路，可避免開(kāi)機(jī)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
2.2 .2 DC-AC逆變電路：采用大功率IGBT模塊全橋逆變電路，具有很大的功率富余量，在輸出動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)輸出阻抗特別小，具有快速響應(yīng)特性。由于采用高頻調(diào)制限流技術(shù)，及快速短路保護(hù)技術(shù)，使逆變器無(wú)論是供電電壓瞬變還是負(fù)載沖擊或短路，均可安全可靠地工作。
2.3.3 控制驅(qū)動(dòng)：控制驅(qū)動(dòng)是完成整機(jī)功能控制的核心，它除了提供檢測(cè)、保護(hù)、同步以及各種開(kāi)關(guān)和顯示驅(qū)動(dòng)信號(hào)外，還完成SPWM正弦脈寬調(diào)制的控制，由于采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)雙重電壓反饋。極大地改善了逆變器的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性。不間斷電源工作原理框圖如圖2所示。

2.3電源工作過(guò)程
當(dāng)市電正常380Vac時(shí)，直流主回路有直流電壓，供給DC-AC交流逆變器，輸出穩(wěn)定的220Vac交流電壓，同時(shí)市電對(duì)電流充電。當(dāng)任何時(shí)候市電欠壓或突然掉電，則由電池組通過(guò)隔離二極管開(kāi)關(guān)向直流回路饋送電能。從電網(wǎng)供電到電池供電沒(méi)有切換時(shí)間。當(dāng)電池能量即將耗盡時(shí)，不間斷電源發(fā)出聲光報(bào)警，并在電池放電下限點(diǎn)停止逆變器工作，長(zhǎng)鳴告警。不間斷電源還有過(guò)載保護(hù)功能，當(dāng)發(fā)生超載（150%負(fù)載）時(shí)，跳到旁路狀態(tài)，并在負(fù)載正常時(shí)自動(dòng)返回。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重超載（超過(guò)200%額定負(fù)載）時(shí)，不間斷電源立即停止逆變器輸出并跳到旁路狀態(tài)，此時(shí)前面空氣開(kāi)關(guān)也可能跳閘。消除故障后，只要合上開(kāi)關(guān)，重新開(kāi)機(jī)即開(kāi)始恢復(fù)工作。為使不間斷電源充分工作，避免在過(guò)載或欠載下運(yùn)行，電源在開(kāi)機(jī)前，首先計(jì)算負(fù)載容量。FR-UK型不間斷電源（標(biāo)稱額定功率）80%的阻性負(fù)載設(shè)計(jì)負(fù)載能力，一般帶計(jì)算機(jī)負(fù)載時(shí)可承受的按下式估算：
∑i=1 n Pi≤P
其中P為不間斷電源輸出容量（VA），P為第i個(gè)負(fù)載伏安數(shù)
每套PLC功率： 220V*0.5=110VA
每臺(tái)操作站功率： 220V*2A=440VA
IBM PC客戶機(jī)及服務(wù)器：220V*1.5A=330VA
則總功率：10*110VA+4*440VA+11*330VA=6490VA
6490VA/0.8=8112VA
因此，在這條棒材生產(chǎn)線上，采用10KVA的不間斷電源比較合適。
三、UPS電源系統(tǒng)的使用與維護(hù)
1 、UPS電源系統(tǒng)開(kāi)、關(guān)機(jī)
1.1 第一次開(kāi)機(jī)
(1)按以下順序合閘：儲(chǔ)能電池開(kāi)關(guān)→自動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)→輸出開(kāi)關(guān)依次置于“ON。

(2)按UPS啟動(dòng)面板“開(kāi)”鍵，UPS電源系統(tǒng)將徐徐啟動(dòng)，“逆變”指示燈亮，延時(shí)1分鐘后，“旁路”燈熄滅，UPS轉(zhuǎn)為逆變供電，完成開(kāi)機(jī)。
經(jīng)空載運(yùn)行約10分鐘后，按照負(fù)載功率由小到大的開(kāi)機(jī)順序啟動(dòng)負(fù)載。
1.2 日常開(kāi)機(jī)
只需按UPS面板“開(kāi)”鍵，約20分鐘后，即可開(kāi)啟電腦或其它儀器使用。通常等UPS啟動(dòng)進(jìn)入穩(wěn)定工作后，方可打開(kāi)負(fù)載設(shè)備電源開(kāi)關(guān)（注：手動(dòng)維護(hù)開(kāi)關(guān)在UPS正常運(yùn)行時(shí)，呈“OFF狀態(tài)）。
1.3 關(guān)機(jī)
先將電腦或其它儀器關(guān)閉，讓UPS空載運(yùn)行10分鐘，待機(jī)內(nèi)熱量排出后，再按面板“關(guān)”鍵。
2、UPS電源系統(tǒng)使用注意事項(xiàng)
UPS電源系統(tǒng)因其智能化程度高，儲(chǔ)能電池采用了免維護(hù)蓄電池，這雖給使用帶來(lái)了許多便利，但在使用過(guò)程中還應(yīng)在多方面引起注意，才能保證使用安全。
(1)UPS電源主機(jī)對(duì)環(huán)境溫度要求不高，+5℃～40℃都能正常工作，但要求室內(nèi)清潔，少塵，否則灰塵加上潮濕會(huì)引起主機(jī)工作紊亂。儲(chǔ)能蓄電池則對(duì)溫度要求較高，標(biāo)準(zhǔn)使用溫度為25℃，平時(shí)不能超過(guò)+15℃～+30℃。溫度太低，會(huì)使儲(chǔ)電池容量下降，溫度每下降1℃，其容量下降1％。其放電容量會(huì)隨溫度升高而增加，但壽命降低。如果在高溫下長(zhǎng)期使用，溫度每高10℃，電池壽命約降低一半。
(2)主機(jī)中設(shè)置的參數(shù)在使用中不能隨意改變。特別是對(duì)電池組的參數(shù)，會(huì)直接影響其使用壽命，但隨著環(huán)境溫度的改變，對(duì)浮充電壓要做相應(yīng)調(diào)整。通常以25℃為標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境溫度每升高或降低1℃時(shí)，浮充電壓應(yīng)增加18mV（相對(duì)于12V蓄電池）。
(3)在無(wú)外電靠UPS電源系統(tǒng)自行供電時(shí)，應(yīng)避免帶負(fù)載啟動(dòng)UPS電源，應(yīng)先關(guān)斷各負(fù)載，等UPS電源系統(tǒng)起動(dòng)后再開(kāi)啟負(fù)載。因負(fù)載瞬間供電時(shí)會(huì)有沖擊電池，多負(fù)載的沖擊電流和加上所需的供電電流會(huì)造成UPS電源瞬間過(guò)載，嚴(yán)重時(shí)將損壞變換器。
(4)UPS電源系統(tǒng)按使用要求功率余量不大，在使用中要避免隨意增加大功率的額外設(shè)備，也不允許在滿負(fù)載狀態(tài)下長(zhǎng)期運(yùn)行。但工作性質(zhì)決定了UPS電源系統(tǒng)幾乎是在不間斷狀態(tài)下運(yùn)行的，增加大功率負(fù)載，即使是在基本滿載狀態(tài)下工作，都會(huì)造成主機(jī)出故障，嚴(yán)重時(shí)將損壞變換器。
(5)自備發(fā)電機(jī)的輸出電壓，波形、頻率、幅度應(yīng)滿UPS電源對(duì)輸入電壓的要求，另久發(fā)電機(jī)的功率要遠(yuǎn)大于UPS電源的額定功率，否則任一條件不滿，將會(huì)造成UPS電源工作異?；驌p壞。
(6)由于組合電池組電壓很高，存在電擊危險(xiǎn)，因此裝卸導(dǎo)電聯(lián)接條、輸出線時(shí)應(yīng)用安全保障，工具應(yīng)采用絕緣措施，特別是輸出接點(diǎn)應(yīng)有防觸摸措施。 　　
(7)不論是在浮充工作狀態(tài)還是在充電、放電檢修測(cè)試狀態(tài)，都要保證電壓、電流符合規(guī)定要求。過(guò)高的電壓或電流可能會(huì)造成電池的熱失控或失水、電壓、電流過(guò)小會(huì)造成
電池虧電，這都會(huì)影響電池的使用壽命，前者的影響更大。
(8)在任何情況下，都應(yīng)防止電池短路或深度放電，因?yàn)殡姵氐难h(huán)壽命和放電深度有關(guān)。放電深度越深、循環(huán)壽命越短。在容量試驗(yàn)中或是放電檢修中，通常 放電達(dá)到容量的30％～50％就可以了。
(9)對(duì)電池應(yīng)避免大電流充放電，雖說(shuō)在充電時(shí)可以接受大電流，但在實(shí)際操作中應(yīng)盡量避免，否則會(huì)造成電池極板膨脹變形，使得極板活性物質(zhì)脫落，電池內(nèi)阻增大，溫升越高，嚴(yán)重時(shí)將造成容量下降，壽命提前終止。
3、日常維護(hù)與檢修
(1)UPS電源在正常使用情況下，主機(jī)的維護(hù)工作很少，主要是防塵和定期除塵。特別是氣候干燥的地區(qū)，空氣中的灰粒較多，機(jī)內(nèi)的風(fēng)機(jī)會(huì)將灰塵帶入機(jī)內(nèi)沉積、當(dāng)遇空氣潮濕時(shí)會(huì)引起主機(jī)控制紊亂造成主機(jī)工作失常，并發(fā)生不準(zhǔn)確告警，大量灰塵也會(huì)造成器件散熱不好。一般每季度應(yīng)徹底清潔一次。其次就是在除塵時(shí)，檢查各連接件和插接件有無(wú)松動(dòng)和接觸不牢的情況。 　　
(2)雖說(shuō)儲(chǔ)能電池組目前都采用了免維護(hù)電池，但這只是免除了以往的測(cè)比、配比、定時(shí)添加蒸餾水的工作。但外因工作狀態(tài)對(duì)電池的影響并沒(méi)有改變，不正常工作狀態(tài)對(duì)電池造成的影響沒(méi)有變，這部分的維護(hù)檢修工作仍是非常重要的，UPS電源系統(tǒng)的大量維修檢修工作主要在電池部分。
a.儲(chǔ)能電池的工作全部是在浮充狀態(tài)，在這種情況下至少應(yīng)每年進(jìn)行一次放電。放電前應(yīng)先對(duì)電池組進(jìn)行均衡充電，以達(dá)全組電池的均衡。要清楚放電前電池組已存在的落后電池。放電過(guò)程中如有一只達(dá)到放電終止電壓時(shí)，應(yīng)停止放電，繼續(xù)放電先消除落后電池后再放。
b.核對(duì)性放電，不是首先追求放出容量的百分之多少，而是要關(guān)注發(fā)現(xiàn)和處理落后電池，經(jīng)對(duì)落后電池處理后再作核對(duì)性放電實(shí)驗(yàn)。這樣可防止事故，以免放電中落后電池惡化為反極電池。
c.平時(shí)每組電池至少應(yīng)有8只電池作標(biāo)示電池，作為了解全電池組工作情況的參考，對(duì)標(biāo)示電池應(yīng)定期測(cè)量并做好記錄。
d.日常維護(hù)中需經(jīng)常檢查的項(xiàng)目有：清潔并檢測(cè)電池兩端電壓、溫度；連接處有無(wú)松動(dòng)，腐蝕現(xiàn)象、檢測(cè)連接條壓降；電池外觀是否完好，有無(wú)殼變形和滲漏；極柱、安全閥周圍是否有酸霧逸出；主機(jī)設(shè)備是否正常。
e.免維護(hù)電池要維護(hù)，不是什么無(wú)稽之談，應(yīng)從廣義的維護(hù)立場(chǎng)出發(fā)，做到運(yùn)行、日常管理的周到、細(xì)致和規(guī)范性，保證設(shè)備（包括主機(jī)設(shè)備）保持良好的運(yùn)行狀況，從而延長(zhǎng)使用年限；保證直流母線經(jīng)常保持合格的電壓和電池的放電容量；保證電池運(yùn)行和人員的安全可靠。這就是電池維護(hù)的目的，也是電池運(yùn)行規(guī)程中包括的內(nèi)容和進(jìn)行規(guī)則。
(3)當(dāng)UPS電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)先查明原因，分清是負(fù)載還是UPS電源系統(tǒng)；是主機(jī)還是電池組。雖說(shuō)UPS主機(jī)有故障自檢功能，但它對(duì)面而不對(duì)點(diǎn)，對(duì)更換配件很方便，但要維修故障點(diǎn)，仍需做大量的分析、檢測(cè)工作。另外如自檢部分發(fā)生故障，顯示的故障內(nèi)容則可能有誤。 　　
(4)對(duì)主機(jī)出現(xiàn)擊穿，斷保險(xiǎn)或燒毀器件的故障，一定要查明原因并排除故障后才能重新啟動(dòng)，否則會(huì)接連發(fā)生相同的故障。
(5)當(dāng)電池組中發(fā)現(xiàn)電壓反極、壓降大、壓差大和酸霧泄漏現(xiàn)象的電池時(shí)，應(yīng)及時(shí)采用相應(yīng)的方法恢復(fù)和修復(fù)，對(duì)不能恢復(fù)和修復(fù)的要更換，但不能把不同容量、不同性能、不同廠家的電池聯(lián)在一起，否則可能會(huì)對(duì)整組電池帶來(lái)不利影響。對(duì)壽命已過(guò)期的電池組要及時(shí)更換，以免影響到主機(jī)。
四、結(jié)束語(yǔ)　　
再好的設(shè)備也有壽命，也會(huì)出現(xiàn)各類故障，但維護(hù)工作做的好可以延長(zhǎng)壽命，減少故障的發(fā)生，這和人的壽命長(zhǎng)短、生老病死是一樣的道理。不要因?yàn)楦咧悄?、免維護(hù)而忽略了本應(yīng)進(jìn)行的維護(hù)工作，預(yù)防在任何時(shí)候都是安全運(yùn)行的重要保障。