UPS電源設(shè)備的原理與使用維護(hù)

　　UPS (UninterruptiblePowerSystem)是一種含有儲(chǔ)能裝置、以逆變器為主要元件、穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的設(shè)備。由于計(jì)算機(jī)、程控交換機(jī)、數(shù)據(jù)通訊處理系統(tǒng)等對(duì)交流供電系統(tǒng)提出了不停電和可靠性要求,為提高網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備工作的可靠性和可維性, 許多單位在局域網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)( 如網(wǎng)管中心) 配備了UPS 電源。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。

　　1 　UPS 電源系統(tǒng)基本工作原理

　　UPS電源系統(tǒng)由4部分組成:整流、儲(chǔ)能、變換和開關(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),UPS輸出幅度基本不變的整流電壓。凈化功能由儲(chǔ)能電池來完成,由于整流器不能消除瞬時(shí)脈沖干擾,整流后的電壓仍存在干擾脈沖。儲(chǔ)能電池除可存儲(chǔ)直流電能的功能外,對(duì)整流器來說就象一只大容器,其等效電容與儲(chǔ)能電池容量大小成正比。由于電容兩端的電壓不能突變,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)工作開關(guān),主機(jī)自檢故障后的自動(dòng)旁路開關(guān),檢修旁路開關(guān)等開關(guān)控制。

　　如圖1 所示,電網(wǎng)電壓正常時(shí)UPS 給負(fù)載供電,同時(shí)給儲(chǔ)能電池充電;當(dāng)突發(fā)停電時(shí),由儲(chǔ)能電池供給負(fù)載所需電源,維持正常的生產(chǎn)(如粗黑線所示) ;當(dāng)由于生產(chǎn)需要負(fù)載嚴(yán)重過載時(shí),由電網(wǎng)電壓經(jīng)整流直接給負(fù)載供電(如虛線所示) 。

圖1 　UPS 給負(fù)載供電示意圖

　　1. 1 　電源工作原理

　　(1) AC - DC 變換:將電網(wǎng)來的交流電經(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,可避免開機(jī)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

　　(2) DC - AC 逆變電路:采用大功率IGB T 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)和快速短路保護(hù)技術(shù),使逆變器無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。

　　(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。

圖2 　不間斷電源工作原理框圖

　　1. 2 　電源工作過程

　　市電正常時(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220 VAC 交流電壓,同時(shí)市電對(duì)電池充電。當(dāng)市電欠壓或掉電,則由電池組通過隔離二極管開關(guān)向直流回路饋送電能。從電網(wǎng)供電到電池供電沒有切換時(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)嚴(yán)重超載(超過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)前面空氣開關(guān)也可能跳閘。消除故障后,只要合上開關(guān),重新開機(jī)即開始恢復(fù)工作。為使不間斷電源正常工作,避免在過載或欠載下運(yùn)行,電源在開機(jī)前,首先計(jì)算負(fù)載容量。FR - U K 型不間斷電源按其標(biāo)稱額定功率80 %設(shè)計(jì)阻性負(fù)載能力,一般帶計(jì)算機(jī)負(fù)載時(shí)可承受的負(fù)載能力按下式估算:

　　式中, P 為不間斷電源輸出容量(VA) ; Pi 為第i 個(gè)負(fù)載伏安數(shù)。

　　每套PLC 功率: 220 V ×0. 5 = 110 VA

　　每臺(tái)操作站功率: 220 V ×2 A = 440 VA

　　IBM PC客戶機(jī)及服務(wù)器:220V ×1. 5 A = 330 VA

　　則總功率:10 ×110 VA + 4 ×440 VA + 11 ×330VA = *90 VA

　　6490 VA/ 0. 8 = 8 112 VA

　　因此,在這條生產(chǎn)線上,采用10 kVA 的不間斷電源比較合適。

　　2 　UPS 的性能與指標(biāo)

　　2. 1 　供電環(huán)境對(duì)UPS 的要求

　　作為電網(wǎng)與負(fù)載的中間環(huán)節(jié),UPS 要適應(yīng)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)環(huán)境,并且在運(yùn)行中不能對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不良影響。

　　對(duì)電網(wǎng)環(huán)境的適應(yīng)能力:UPS 對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)能力主要指電網(wǎng)電壓的變化、頻率變化、波形失真和各種干擾情況下UPS 的運(yùn)行能力。根據(jù)我國(guó)電網(wǎng)情況,UPS允許的電壓變化范圍一般為±25 %, 而且我國(guó)電網(wǎng)電壓的頻率也存在著不穩(wěn)定的因素,UPS 必須在50Hz ±5 %范圍內(nèi)能正常運(yùn)行,特別是UPS 輸入端有降壓變壓器的波形畸變干擾時(shí),UPS 的輸入端要有較強(qiáng)的濾波和抗干擾功能。

　　防止UPS 對(duì)電網(wǎng)的污染:UPS 電路中的主要功率部件是逆變器,它產(chǎn)生的高頻干擾最有可能反饋到電網(wǎng)中去。因此,UPS 電路本身應(yīng)該具有去耦、濾波電路。逆變器的前級(jí)是整流電路,直接面對(duì)電網(wǎng)的污染。所以,技術(shù)人員提出了輸入功率因數(shù)校正措施,實(shí)際是一個(gè)有源濾波器。

　　2. 2 　UPS 的輸出應(yīng)滿足不同負(fù)載要求

　　UPS 各項(xiàng)輸出性能指標(biāo)應(yīng)不低于或優(yōu)于電網(wǎng)電壓的正常指標(biāo)。

　　輸出電壓額定值:我國(guó)一般的用電設(shè)備是交流單相220 V、三相380 V ,50 Hz。

　　輸出容量:一般用VA 表示額定容量,使用時(shí)充分考慮效率。當(dāng)功率因數(shù)只有0. 6～0 . 8 ,負(fù)載有非線性成份時(shí),要留有余量。

　　輸出電壓穩(wěn)定度: 一般在3 %～5 %。

　　輸出電壓頻率穩(wěn)定度:一般小于3 %即可,當(dāng)前大多數(shù)品牌都能達(dá)到±1 %。

　　三相輸出時(shí),要求UPS 在不平衡負(fù)載(100 %) 下工作時(shí),輸出電壓三相不平衡度應(yīng)小于2 %～3 % ,相位差120°±2°。

　　輸出電壓波形總諧波失真度:一般應(yīng)限制在3 %～5 %內(nèi)。

　　過載能力:局部供電配置的UPS 容量是有限的。

　　與電網(wǎng)直接供電比較起來UPS 的過載能力還很低。

　　轉(zhuǎn)換時(shí)間:一般后備式UPS 在電網(wǎng)斷電啟動(dòng)并切換到逆變工作時(shí),對(duì)負(fù)載的供電會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)斷電的現(xiàn)象。對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng), 這種斷電時(shí)間必須小于4ms ,在線式UPS 其轉(zhuǎn)換時(shí)間可小于0. 5 ms。

　　UPS 的平均無故障時(shí)間MTBF 大多數(shù)在幾萬至十幾萬小時(shí),但這是一種理想情況,實(shí)際上元器件和部件的質(zhì)量、整機(jī)配置、生產(chǎn)工藝、運(yùn)行環(huán)境和維護(hù)水平都直接影響它的可靠性。

　　3 　UPS 的使用和維護(hù)

　　實(shí)踐表明,UPS 故障有60 %是使用或管理不當(dāng)造成的。因此, 全面地掌握UPS 的使用技巧, 是延長(zhǎng)UPS 使用壽命, 提高系統(tǒng)可靠性的重要環(huán)節(jié)。

　　3. 1 　UPS 的使用

　　3. 1. 1 　嚴(yán)格遵守開關(guān)機(jī)程序和要求

　　開機(jī),UPS 內(nèi)部的功率元件都有一定的額定工作電流,沖擊電流過大,會(huì)使功率元件壽命縮短甚至燒毀。因此開機(jī)時(shí)應(yīng)先開啟UPS 的市電開關(guān),再逐一打開負(fù)載。先開沖擊電流大的負(fù)載(如顯示器、打印機(jī)等) ,再開沖擊電流小的負(fù)載, 最后開啟UPS 前面板開關(guān)使UPS 處于逆變工作狀態(tài)。開機(jī)時(shí)決不能將所有負(fù)載同時(shí)開啟,更不能帶載開機(jī)。

　　關(guān)機(jī),UPS 不允許帶載關(guān)機(jī)。應(yīng)先關(guān)閉負(fù)載, 讓UPS 空載運(yùn)行幾分鐘,待機(jī)內(nèi)熱量排出后,再按與開機(jī)相反的順序關(guān)閉UPS 。

　　3. 1. 2 　UPS 所帶負(fù)載功率

　　UPS 的最大啟動(dòng)負(fù)載最好控制在80 %額定輸出功率內(nèi)。實(shí)踐證明將UPS 的負(fù)載控制在標(biāo)稱功率的30 %～65 %之內(nèi)為最佳。在局域網(wǎng)系統(tǒng)中使用時(shí),一般應(yīng)將UPS 的負(fù)載量控制在其額定功率的50 %～80 %左右,最高不超過85 % ,不要把一些根本就沒有必要進(jìn)行電源保護(hù)的設(shè)備連接到UPS 上,額外加重UPS 運(yùn)行負(fù)擔(dān),縮短使用壽命。

　　嚴(yán)格控制負(fù)載類型,在UPS 的輸出端接入感性負(fù)載如風(fēng)扇、空調(diào)、打印機(jī)及其它通過大功率降壓變壓器工作的用電設(shè)備往往會(huì)超過額定電流的3～6 倍,從而引起UPS 瞬時(shí)超載,也不宜帶可控硅橋式整流或半波整流式負(fù)載等。

　　3. 1. 3 　工作溫度及供電條件

　　UPS 的電池對(duì)溫度要求較高,盡量不要超過15℃～30 ℃。為了確保UPS 使用安全,與UPS 相連的配電柜應(yīng)使用空氣開關(guān)。UPS 輸入端的電源電壓、波形、頻率、幅度等也必須滿足要求,否則容易造成工作異常或損壞。

　　3. 2 　UPS 的維護(hù)要點(diǎn)

　　按照正確的方法維護(hù)UPS ,可以減少故障率延長(zhǎng)其使用壽命, 提高供電質(zhì)量和工作可靠性。

　　3. 2. 1 　主機(jī)維護(hù)

　　應(yīng)盡量使UPS 工作在清潔的環(huán)境中?？諝庵衅〉幕覊m進(jìn)人UPS , 會(huì)對(duì)其內(nèi)部器件造成腐蝕或短路,從而影響UPS 的正常工作甚至損壞。對(duì)于環(huán)境較差的機(jī)房,應(yīng)每半年或一年對(duì)UPS 內(nèi)部進(jìn)行除塵和檢查,以防止塵埃*或大功率器件散熱片松動(dòng),使機(jī)內(nèi)溫度升高影響UPS 正常工作。

　　3. 2. 2 　負(fù)載連接

　　UPS 的連接是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié),由于組合電池組電壓很高,存在電擊危險(xiǎn),因此裝卸導(dǎo)電連接條和輸出線時(shí)應(yīng)有安全保障防止電池接線柱以及連線之間發(fā)生短路,使用的工具應(yīng)絕緣良好,特別是輸出接點(diǎn)應(yīng)有防觸摸措施。UPS 接入電路時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定的極性,以及零線、火線、地線順序和標(biāo)識(shí)等進(jìn)行連接,對(duì)于三相UPS 還應(yīng)確保相序準(zhǔn)確。

　　3. 2. 3 　蓄電池保養(yǎng)

　　目前使用的UPS 蓄電池主要是閥控式鉛酸蓄電池。在實(shí)際應(yīng)用中因電池故障而導(dǎo)致UPS 不能正常工作的機(jī)率達(dá)30 %以上。因此,正確使用及維護(hù)好蓄電池是至關(guān)重要的。

　　(1) 每4～6 個(gè)月檢查一次蓄電池組中各電池的端電壓和內(nèi)阻。若單個(gè)電池的端電壓低于其最低安全電壓或電池內(nèi)阻大于80 mΩ 時(shí),應(yīng)及時(shí)更換或進(jìn)行均衡充電。

　　(2) 避免過電流充電和過電壓充電。前者會(huì)損壞電池內(nèi)部正負(fù)極板使電池電量下降;后者會(huì)使電池中電解液的水大量電解,使電解液濃度增大,導(dǎo)致蓄電池壽命縮短甚至燒壞。

　　(3) 避免用快速充電器充電否則會(huì)使蓄電池處于“瞬時(shí)過流充電”和“瞬時(shí)過壓充電”狀態(tài)。造成蓄電池可供使用電量下降甚至損壞蓄電池,應(yīng)該使用具有防過流和過壓功能的充電器充電。

　　(4) 避免短路放電或過度放電。否則會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞蓄電池的再充電能力和蓄電能力,縮短其使用壽命。電池放電后要及時(shí)進(jìn)行再充電。

　　(5) UPS 長(zhǎng)期處于市電供電狀態(tài)時(shí),應(yīng)每隔一段時(shí)間對(duì)UPS 電源進(jìn)行一次人為斷電,使UPS 電源在逆變狀態(tài)下工作一段時(shí)間,以激活蓄電池的充放電能力,延長(zhǎng)其使用壽命。

　　(6) UPS 長(zhǎng)期不用時(shí)每隔一段時(shí)間須充電一次。蓄電池的充電間隔時(shí)間與環(huán)境溫度密切相關(guān),溫度越高充電時(shí)間間隔越短。

　　(7) 蓄電池應(yīng)在0～30 ℃的環(huán)境溫度下使用。環(huán)境溫度過高,會(huì)縮短其使用壽命;過低,釋放的電量會(huì)大大減少。

　　(8) UPS 中在電池供電狀態(tài)下,會(huì)因電池電壓過低而自動(dòng)關(guān)機(jī)。此時(shí)不能再開機(jī)繼續(xù)使用,以免電池因過度放電而損壞。

　　(9) UPS 處于電池供電的狀態(tài)下,電池放電電流不宜過小。否則會(huì)造成電池使用壽命的快速縮短和電池內(nèi)阻的反常增大。

　　4 　結(jié)束語(yǔ)

　　隨著科技的發(fā)展,計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通訊處理系統(tǒng)等精密儀器對(duì)UPS 的要求越來越高,UPS 電源技術(shù)將不斷完善。了解其原理,正確地使用與維護(hù)保養(yǎng)可避免UPS 電源及負(fù)載出現(xiàn)大面積故障。掌握其工作原理,正確地管理和維護(hù)好UPS , 減少其故障率、延長(zhǎng)其使用壽命,使其更安全更可靠地為我們服務(wù)。