UPS电源设备的原理与使用维护

　　UPS (UninterruptiblePowerSystem)是一种含有储能装置、以逆变器为主要元件、稳压稳频输出的设备。由于计算机、程控交换机、数据通讯处理系统等对交流供电系统提出了不停电和可靠性要求,为提高网络硬件设备工作的可靠性和可维性, 许多单位在局域网关键节点( 如网管中心) 配备了UPS 电源。UPS供电系统设备型号及系统容量有所不同,但其原理和主要功能基本相同。

　　1 　UPS 电源系统基本工作原理

　　UPS电源系统由4部分组成:整流、储能、变换和开关控制。其系统的稳压功能通常是由整流器完成的,整流器件采用可控硅或高频开关整流器,本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能,从而当外电发生变化时(该变化应满足系统要求),UPS输出幅度基本不变的整流电压。净化功能由储能电池来完成,由于整流器不能消除瞬时脉冲干扰,整流后的电压仍存在干扰脉冲。储能电池除可存储直流电能的功能外,对整流器来说就象一只大容器,其等效电容与储能电池容量大小成正比。由于电容两端的电压不能突变,即利用了电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干扰,起到了净化功能,也称对干扰的屏蔽。频率的稳定则由变换器来完成,频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度。为方便UPS 电源系统的日常操作与维护,设计了系统工作开关,主机自检故障后的自动旁路开关,检修旁路开关等开关控制。

　　如图1 所示,电网电压正常时UPS 给负载供电,同时给储能电池充电;当突发停电时,由储能电池供给负载所需电源,维持正常的生产(如粗黑线所示) ;当由于生产需要负载严重过载时,由电网电压经整流直接给负载供电(如虚线所示) 。

图1 　UPS 给负载供电示意图

　　1. 1 　电源工作原理

　　(1) AC - DC 变换:将电网来的交流电经自耦变压器降压、全波整流、滤波变为直流电压,供给逆变电路。AC - DC 输入有软启动电路,可避免开机时对电网的冲击。

　　(2) DC - AC 逆变电路:采用大功率IGB T 模块全桥逆变电路,具有很大的功率富余量,在输出动态范围内输出阻抗特别小,具有快速响应特性。由于采用高频调制限流技术和快速短路保护技术,使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路,均可安全可靠地工作。

　　(3) 控制驱动:控制驱动是完成整机功能控制的核心,它除了提供检测、保护、同步以及各种开关和显示驱动信号外,还完成SPWM 正弦脉宽调制的控制,由于采用静态和动态双重电压反馈,极大地改善了逆变器的动态特性和稳定性。不间断电源工作原理框图如图2 所示。

图2 　不间断电源工作原理框图

　　1. 2 　电源工作过程

　　市电正常时直流主回路有直流电压,供给DC -AC 交流逆变器,输出稳定的220 VAC 交流电压,同时市电对电池充电。当市电欠压或掉电,则由电池组通过隔离二极管开关向直流回路馈送电能。从电网供电到电池供电没有切换时间。当电池能量即将耗尽时,不间断电源发出声光报警,并在电池放电下限点停止逆变器工作,长鸣告警。不间断电源还有过载保护功能,当发生超载(150 %负载) 时,跳到旁路状态,并在负载正常时自动返回。当严重超载(超过200 %额定负载) 时,不间断电源立即停止逆变器输出并跳到旁路状态,此时前面空气开关也可能跳闸。消除故障后,只要合上开关,重新开机即开始恢复工作。为使不间断电源正常工作,避免在过载或欠载下运行,电源在开机前,首先计算负载容量。FR - U K 型不间断电源按其标称额定功率80 %设计阻性负载能力,一般带计算机负载时可承受的负载能力按下式估算:

　　式中, P 为不间断电源输出容量(VA) ; Pi 为第i 个负载伏安数。

　　每套PLC 功率: 220 V ×0. 5 = 110 VA

　　每台操作站功率: 220 V ×2 A = 440 VA

　　IBM PC客户机及服务器:220V ×1. 5 A = 330 VA

　　则总功率:10 ×110 VA + 4 ×440 VA + 11 ×330VA = *90 VA

　　6490 VA/ 0. 8 = 8 112 VA

　　因此,在这条生产线上,采用10 kVA 的不间断电源比较合适。

　　2 　UPS 的性能与指标

　　2. 1 　供电环境对UPS 的要求

　　作为电网与负载的中间环节,UPS 要适应当地电网环境,并且在运行中不能对电网产生不良影响。

　　对电网环境的适应能力:UPS 对电网的适应能力主要指电网电压的变化、频率变化、波形失真和各种干扰情况下UPS 的运行能力。根据我国电网情况,UPS允许的电压变化范围一般为±25 %, 而且我国电网电压的频率也存在着不稳定的因素,UPS 必须在50Hz ±5 %范围内能正常运行,特别是UPS 输入端有降压变压器的波形畸变干扰时,UPS 的输入端要有较强的滤波和抗干扰功能。

　　防止UPS 对电网的污染:UPS 电路中的主要功率部件是逆变器,它产生的高频干扰最有可能反馈到电网中去。因此,UPS 电路本身应该具有去耦、滤波电路。逆变器的前级是整流电路,直接面对电网的污染。所以,技术人员提出了输入功率因数校正措施,实际是一个有源滤波器。

　　2. 2 　UPS 的输出应满足不同负载要求

　　UPS 各项输出性能指标应不低于或优于电网电压的正常指标。

　　输出电压额定值:我国一般的用电设备是交流单相220 V、三相380 V ,50 Hz。

　　输出容量:一般用VA 表示额定容量,使用时充分考虑效率。当功率因数只有0. 6～0 . 8 ,负载有非线性成份时,要留有余量。

　　输出电压稳定度: 一般在3 %～5 %。

　　输出电压频率稳定度:一般小于3 %即可,当前大多数品牌都能达到±1 %。

　　三相输出时,要求UPS 在不平衡负载(100 %) 下工作时,输出电压三相不平衡度应小于2 %～3 % ,相位差120°±2°。

　　输出电压波形总谐波失真度:一般应限制在3 %～5 %内。

　　过载能力:局部供电配置的UPS 容量是有限的。

　　与电网直接供电比较起来UPS 的过载能力还很低。

　　转换时间:一般后备式UPS 在电网断电启动并切换到逆变工作时,对负载的供电会出现瞬时断电的现象。对于计算机系统, 这种断电时间必须小于4ms ,在线式UPS 其转换时间可小于0. 5 ms。

　　UPS 的平均无故障时间MTBF 大多数在几万至十几万小时,但这是一种理想情况,实际上元器件和部件的质量、整机配置、生产工艺、运行环境和维护水平都直接影响它的可靠性。

　　3 　UPS 的使用和维护

　　实践表明,UPS 故障有60 %是使用或管理不当造成的。因此, 全面地掌握UPS 的使用技巧, 是延长UPS 使用寿命, 提高系统可靠性的重要环节。

　　3. 1 　UPS 的使用

　　3. 1. 1 　严格遵守开关机程序和要求

　　开机,UPS 内部的功率元件都有一定的额定工作电流,冲击电流过大,会使功率元件寿命缩短甚至烧毁。因此开机时应先开启UPS 的市电开关,再逐一打开负载。先开冲击电流大的负载(如显示器、打印机等) ,再开冲击电流小的负载, 最后开启UPS 前面板开关使UPS 处于逆变工作状态。开机时决不能将所有负载同时开启,更不能带载开机。

　　关机,UPS 不允许带载关机。应先关闭负载, 让UPS 空载运行几分钟,待机内热量排出后,再按与开机相反的顺序关闭UPS 。

　　3. 1. 2 　UPS 所带负载功率

　　UPS 的最大启动负载最好控制在80 %额定输出功率内。实践证明将UPS 的负载控制在标称功率的30 %～65 %之内为最佳。在局域网系统中使用时,一般应将UPS 的负载量控制在其额定功率的50 %～80 %左右,最高不超过85 % ,不要把一些根本就没有必要进行电源保护的设备连接到UPS 上,额外加重UPS 运行负担,缩短使用寿命。

　　严格控制负载类型,在UPS 的输出端接入感性负载如风扇、空调、打印机及其它通过大功率降压变压器工作的用电设备往往会超过额定电流的3～6 倍,从而引起UPS 瞬时超载,也不宜带可控硅桥式整流或半波整流式负载等。

　　3. 1. 3 　工作温度及供电条件

　　UPS 的电池对温度要求较高,尽量不要超过15℃～30 ℃。为了确保UPS 使用安全,与UPS 相连的配电柜应使用空气开关。UPS 输入端的电源电压、波形、频率、幅度等也必须满足要求,否则容易造成工作异常或损坏。

　　3. 2 　UPS 的维护要点

　　按照正确的方法维护UPS ,可以减少故障率延长其使用寿命, 提高供电质量和工作可靠性。

　　3. 2. 1 　主机维护

　　应尽量使UPS 工作在清洁的环境中。空气中漂浮的灰尘进人UPS , 会对其内部器件造成腐蚀或短路,从而影响UPS 的正常工作甚至损坏。对于环境较差的机房,应每半年或一年对UPS 内部进行除尘和检查,以防止尘埃*或大功率器件散热片松动,使机内温度升高影响UPS 正常工作。

　　3. 2. 2 　负载连接

　　UPS 的连接是一个十分重要的环节,由于组合电池组电压很高,存在电击危险,因此装卸导电连接条和输出线时应有安全保障防止电池接线柱以及连线之间发生短路,使用的工具应绝缘良好,特别是输出接点应有防触摸措施。UPS 接入电路时应严格按照规定的极性,以及零线、火线、地线顺序和标识等进行连接,对于三相UPS 还应确保相序准确。

　　3. 2. 3 　蓄电池保养

　　目前使用的UPS 蓄电池主要是阀控式铅酸蓄电池。在实际应用中因电池故障而导致UPS 不能正常工作的机率达30 %以上。因此,正确使用及维护好蓄电池是至关重要的。

　　(1) 每4～6 个月检查一次蓄电池组中各电池的端电压和内阻。若单个电池的端电压低于其最低安全电压或电池内阻大于80 mΩ 时,应及时更换或进行均衡充电。

　　(2) 避免过电流充电和过电压充电。前者会损坏电池内部正负极板使电池电量下降;后者会使电池中电解液的水大量电解,使电解液浓度增大,导致蓄电池寿命缩短甚至烧坏。

　　(3) 避免用快速充电器充电否则会使蓄电池处于“瞬时过流充电”和“瞬时过压充电”状态。造成蓄电池可供使用电量下降甚至损坏蓄电池,应该使用具有防过流和过压功能的充电器充电。

　　(4) 避免短路放电或过度放电。否则会严重损坏蓄电池的再充电能力和蓄电能力,缩短其使用寿命。电池放电后要及时进行再充电。

　　(5) UPS 长期处于市电供电状态时,应每隔一段时间对UPS 电源进行一次人为断电,使UPS 电源在逆变状态下工作一段时间,以激活蓄电池的充放电能力,延长其使用寿命。

　　(6) UPS 长期不用时每隔一段时间须充电一次。蓄电池的充电间隔时间与环境温度密切相关,温度越高充电时间间隔越短。

　　(7) 蓄电池应在0～30 ℃的环境温度下使用。环境温度过高,会缩短其使用寿命;过低,释放的电量会大大减少。

　　(8) UPS 中在电池供电状态下,会因电池电压过低而自动关机。此时不能再开机继续使用,以免电池因过度放电而损坏。

　　(9) UPS 处于电池供电的状态下,电池放电电流不宜过小。否则会造成电池使用寿命的快速缩短和电池内阻的反常增大。

　　4 　结束语

　　随着科技的发展,计算机、数据通讯处理系统等精密仪器对UPS 的要求越来越高,UPS 电源技术将不断完善。了解其原理,正确地使用与维护保养可避免UPS 电源及负载出现大面积故障。掌握其工作原理,正确地管理和维护好UPS , 减少其故障率、延长其使用寿命,使其更安全更可靠地为我们服务。