UPS電源設備的原理與使用維護

　　UPS (UninterruptiblePowerSystem)是一種含有儲能裝置、以逆變器為主要元件、穩壓穩頻輸出的設備。由于計算機、程控交換機、數據通訊處理系統等對交流供電系統提出了不停電和可靠性要求,為提高網(wǎng)絡(luò )硬件設備工作的可靠性和可維性, 許多單位在局域網(wǎng)關(guān)鍵節點(diǎn)( 如網(wǎng)管中心) 配備了UPS 電源。UPS供電系統設備型號及系統容量有所不同,但其原理和主要功能基本相同。

　　1 　UPS 電源系統基本工作原理

　　UPS電源系統由4部分組成:整流、儲能、變換和開(kāi)關(guān)控制。其系統的穩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,本身具有可根據外電的變化控制輸出幅度的功能,從而當外電發(fā)生變化時(shí)(該變化應滿(mǎn)足系統要求),UPS輸出幅度基本不變的整流電壓。凈化功能由儲能電池來(lái)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。儲能電池除可存儲直流電能的功能外,對整流器來(lái)說(shuō)就象一只大容器,其等效電容與儲能電池容量大小成正比。由于電容兩端的電壓不能突變,即利用了電容器對脈沖的平滑特性消除了脈沖干擾,起到了凈化功能,也稱(chēng)對干擾的屏蔽。頻率的穩定則由變換器來(lái)完成,頻率穩定度取決于變換器的振蕩頻率的穩定程度。為方便UPS 電源系統的日常操作與維護,設計了系統工作開(kāi)關(guān),主機自檢故障后的自動(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,電網(wǎng)電壓正常時(shí)UPS 給負載供電,同時(shí)給儲能電池充電;當突發(fā)停電時(shí),由儲能電池供給負載所需電源,維持正常的生產(chǎn)(如粗黑線(xiàn)所示) ;當由于生產(chǎn)需要負載嚴重過(guò)載時(shí),由電網(wǎng)電壓經(jīng)整流直接給負載供電(如虛線(xiàn)所示) 。

圖1 　UPS 給負載供電示意圖

　　1. 1 　電源工作原理

　　(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)機時(shí)對電網(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)范圍內輸出阻抗特別小,具有快速響應特性。由于采用高頻調制限流技術(shù)和快速短路保護技術(shù),使逆變器無(wú)論是供電電壓瞬變還是負載沖擊或短路,均可安全可靠地工作。

　　(3) 控制驅動(dòng):控制驅動(dòng)是完成整機功能控制的核心,它除了提供檢測、保護、同步以及各種開(kāi)關(guān)和顯示驅動(dòng)信號外,還完成SPWM 正弦脈寬調制的控制,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(guò)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,輸出穩定的220 VAC 交流電壓,同時(shí)市電對電池充電。當市電欠壓或掉電,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。當電池能量即將耗盡時(shí),不間斷電源發(fā)出聲光報警,并在電池放電下限點(diǎn)停止逆變器工作,長(cháng)鳴告警。不間斷電源還有過(guò)載保護功能,當發(fā)生超載(150 %負載) 時(shí),跳到旁路狀態(tài),并在負載正常時(shí)自動(dòng)返回。當嚴重超載(超過(guò)200 %額定負載) 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)機即開(kāi)始恢復工作。為使不間斷電源正常工作,避免在過(guò)載或欠載下運行,電源在開(kāi)機前,首先計算負載容量。FR - U K 型不間斷電源按其標稱(chēng)額定功率80 %設計阻性負載能力,一般帶計算機負載時(shí)可承受的負載能力按下式估算:

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

　　每套PLC 功率: 220 V ×0. 5 = 110 VA

　　每臺操作站功率: 220 V ×2 A = 440 VA

　　IBM PC客戶(hù)機及服務(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(xiàn)上,采用10 kVA 的不間斷電源比較合適。

　　2 　UPS 的性能與指標

　　2. 1 　供電環(huán)境對UPS 的要求

　　作為電網(wǎng)與負載的中間環(huán)節,UPS 要適應當地電網(wǎng)環(huán)境,并且在運行中不能對電網(wǎng)產(chǎn)生不良影響。

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

　　防止UPS 對電網(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 電路本身應該具有去耦、濾波電路。逆變器的前級是整流電路,直接面對電網(wǎng)的污染。所以,技術(shù)人員提出了輸入功率因數校正措施,實(shí)際是一個(gè)有源濾波器。

　　2. 2 　UPS 的輸出應滿(mǎn)足不同負載要求

　　UPS 各項輸出性能指標應不低于或優(yōu)于電網(wǎng)電壓的正常指標。

　　輸出電壓額定值:我國一般的用電設備是交流單相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。當功率因數只有0. 6～0 . 8 ,負載有非線(xiàn)性成份時(shí),要留有余量。

　　輸出電壓穩定度: 一般在3 %～5 %。

　　輸出電壓頻率穩定度:一般小于3 %即可,當前大多數品牌都能達到±1 %。

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

　　輸出電壓波形總諧波失真度:一般應限制在3 %～5 %內。

　　過(guò)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(lái)UPS 的過(guò)載能力還很低。

　　轉換時(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),對負載的供電會(huì )出現瞬時(shí)斷電的現象。對于計算機系統, 這種斷電時(shí)間必須小于4ms ,在線(xiàn)式UPS 其轉換時(shí)間可小于0. 5 ms。

　　UPS 的平均無(wú)故障時(shí)間MTBF 大多數在幾萬(wàn)至十幾萬(wàn)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、整機配置、生產(chǎn)工藝、運行環(huán)境和維護水平都直接影響它的可靠性。

　　3 　UPS 的使用和維護

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

　　3. 1 　UPS 的使用

　　3. 1. 1 　嚴格遵守開(kāi)關(guān)機程序和要求

　　開(kāi)機,UPS 內部的功率元件都有一定的額定工作電流,沖擊電流過(guò)大,會(huì )使功率元件壽命縮短甚至燒毀。因此開(kāi)機時(shí)應先開(kāi)啟UPS 的市電開(kāi)關(guān),再逐一打開(kāi)負載。先開(kāi)沖擊電流大的負載(如顯示器、打印機等) ,再開(kāi)沖擊電流小的負載, 最后開(kāi)啟UPS 前面板開(kāi)關(guān)使UPS 處于逆變工作狀態(tài)。開(kāi)機時(shí)決不能將所有負載同時(shí)開(kāi)啟,更不能帶載開(kāi)機。

　　關(guān)機,UPS 不允許帶載關(guān)機。應先關(guān)閉負載, 讓UPS 空載運行幾分鐘,待機內熱量排出后,再按與開(kāi)機相反的順序關(guān)閉UPS 。

　　3. 1. 2 　UPS 所帶負載功率

　　UPS 的最大啟動(dòng)負載最好控制在80 %額定輸出功率內。實(shí)踐證明將UPS 的負載控制在標稱(chēng)功率的30 %～65 %之內為最佳。在局域網(wǎng)系統中使用時(shí),一般應將UPS 的負載量控制在其額定功率的50 %～80 %左右,最高不超過(guò)85 % ,不要把一些根本就沒(méi)有必要進(jìn)行電源保護的設備連接到UPS 上,額外加重UPS 運行負擔,縮短使用壽命。

　　嚴格控制負載類(lèi)型,在UPS 的輸出端接入感性負載如風(fēng)扇、空調、打印機及其它通過(guò)大功率降壓變壓器工作的用電設備往往會(huì )超過(guò)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載等。

　　3. 1. 3 　工作溫度及供電條件

　　UPS 的電池對溫度要求較高,盡量不要超過(guò)15℃～30 ℃。為了確保UPS 使用安全,與UPS 相連的配電柜應使用空氣開(kāi)關(guān)。UPS 輸入端的電源電壓、波形、頻率、幅度等也必須滿(mǎn)足要求,否則容易造成工作異?；驌p壞。

　　3. 2 　UPS 的維護要點(diǎn)

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

　　3. 2. 1 　主機維護

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

　　3. 2. 2 　負載連接

　　UPS 的連接是一個(gè)十分重要的環(huán)節,由于組合電池組電壓很高,存在電擊危險,因此裝卸導電連接條和輸出線(xiàn)時(shí)應有安全保障防止電池接線(xiàn)柱以及連線(xiàn)之間發(fā)生短路,使用的工具應絕緣良好,特別是輸出接點(diǎn)應有防觸摸措施。UPS 接入電路時(shí)應嚴格按照規定的極性,以及零線(xiàn)、火線(xiàn)、地線(xiàn)順序和標識等進(jìn)行連接,對于三相UPS 還應確保相序準確。

　　3. 2. 3 　蓄電池保養

　　目前使用的UPS 蓄電池主要是閥控式鉛酸蓄電池。在實(shí)際應用中因電池故障而導致UPS 不能正常工作的機率達30 %以上。因此,正確使用及維護好蓄電池是至關(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阻。若單個(gè)電池的端電壓低于其最低安全電壓或電池內阻大于80 mΩ 時(shí),應及時(shí)更換或進(jìn)行均衡充電。

　　(2) 避免過(guò)電流充電和過(guò)電壓充電。前者會(huì )損壞電池內部正負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(guò)流充電”和“瞬時(shí)過(guò)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,應該使用具有防過(guò)流和過(guò)壓功能的充電器充電。

　　(4) 避免短路放電或過(guò)度放電。否則會(huì )嚴重損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(cháng)期處于市電供電狀態(tài)時(shí),應每隔一段時(shí)間對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(cháng)其使用壽命。

　　(6) UPS 長(cháng)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) 蓄電池應在0～30 ℃的環(huán)境溫度下使用。環(huán)境溫度過(guò)高,會(huì )縮短其使用壽命;過(guò)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(guò)低而自動(dòng)關(guān)機。此時(shí)不能再開(kāi)機繼續使用,以免電池因過(guò)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(guò)小。否則會(huì )造成電池使用壽命的快速縮短和電池內阻的反常增大。

　　4 　結束語(yǔ)

　　隨著(zhù)科技的發(fā)展,計算機、數據通訊處理系統等精密儀器對UPS 的要求越來(lái)越高,UPS 電源技術(shù)將不斷完善。了解其原理,正確地使用與維護保養可避免UPS 電源及負載出現大面積故障。掌握其工作原理,正確地管理和維護好UPS , 減少其故障率、延長(cháng)其使用壽命,使其更安全更可靠地為我們服務(wù)。