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(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的設備。由于計算機、程控交換機、數(shù)據(jù)通訊處理系統(tǒng)等對交流供電系統(tǒng)提出了不停電和可靠性要求,為提高網(wǎng)絡硬件設備工作的可靠性和可維性, 許多單位在局域網(wǎng)關鍵節(jié)點( 如網(wǎng)管中心) 配備了UPS 電源。UPS供電系統(tǒng)設備型號及系統(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、儲能、變換和開關控制。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,從而當外電發(fā)生變化時(該變化應滿足系統(tǒng)要求),UPS輸出幅度基本不變的整流電壓。凈化功能由儲能電池來完成,由于整流器不能消除瞬時脈沖干擾,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,對整流器來說就象一只大容器,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,也稱對干擾的屏蔽。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,設計了系統(tǒng)工作開關,主機自檢故障后的自動旁路開關,檢修旁路開關等開關控制。

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

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 輸入有軟啟動電路,可避免開機時對電網(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,在輸出動態(tài)范圍內(nèi)輸出阻抗特別小,具有快速響應特性。由于采用高頻調(diào)制限流技術和快速短路保護技術,使逆變器無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(qū)動:控制驅(qū)動是完成整機功能控制的核心,它除了提供檢測、保護、同步以及各種開關和顯示驅(qū)動信號外,還完成SPWM 正弦脈寬調(diào)制的控制,由于采用靜態(tài)和動態(tài)雙重電壓反饋,極大地改善了逆變器的動態(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,同時市電對電池充電。當市電欠壓或掉電,則由電池組通過隔離二極管開關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間。當電池能量即將耗盡時,不間斷電源發(fā)出聲光報警,并在電池放電下限點停止逆變器工作,長鳴告警。不間斷電源還有過載保護功能,當發(fā)生超載(150 %負載) 時,跳到旁路狀態(tài),并在負載正常時自動返回。當嚴重超載(超過200 %額定負載) 時,不間斷電源立即停止逆變器輸出并跳到旁路狀態(tài),此時前面空氣開關也可能跳閘。消除故障后,只要合上開關,重新開機即開始恢復工作。為使不間斷電源正常工作,避免在過載或欠載下運行,電源在開機前,首先計算負載容量。FR - U K 型不間斷電源按其標稱額定功率80 %設計阻性負載能力,一般帶計算機負載時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 個負載伏安數(shù)。

　　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客戶機及服務器: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

　　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(jié),UPS 要適應當?shù)仉娋W(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(jù)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不穩(wěn)定的因素,UPS 必須在50Hz ±5 %范圍內(nèi)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,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,技術人員提出了輸入功率因數(shù)校正措施,實際是一個有源濾波器。

　　2. 2 　UPS 的輸出應滿足不同負載要求

　　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,使用時充分考慮效率。當功率因數(shù)只有0. 6～0 . 8 ,負載有非線性成份時,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,當前大多數(shù)品牌都能達到±1 %。

　　三相輸出時,要求UPS 在不平衡負載(100 %) 下工作時,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(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)換時間:一般后備式UPS 在電網(wǎng)斷電啟動并切換到逆變工作時,對負載的供電會出現(xiàn)瞬時斷電的現(xiàn)象。對于計算機系統(tǒng), 這種斷電時間必須小于4ms ,在線式UPS 其轉(zhuǎn)換時間可小于0. 5 ms。

　　UPS 的平均無故障時間MTBF 大多數(shù)在幾萬至十幾萬小時,但這是一種理想情況,實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 　嚴格遵守開關機程序和要求

　　開機,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,會使功率元件壽命縮短甚至燒毀。因此開機時應先開啟UPS 的市電開關,再逐一打開負載。先開沖擊電流大的負載(如顯示器、打印機等) ,再開沖擊電流小的負載, 最后開啟UPS 前面板開關使UPS 處于逆變工作狀態(tài)。開機時決不能將所有負載同時開啟,更不能帶載開機。

　　關機,UPS 不允許帶載關機。應先關閉負載, 讓UPS 空載運行幾分鐘,待機內(nèi)熱量排出后,再按與開機相反的順序關閉UPS 。

　　3. 1. 2 　UPS 所帶負載功率

　　UPS 的最大啟動負載最好控制在80 %額定輸出功率內(nèi)。實踐證明將UPS 的負載控制在標稱功率的30 %～65 %之內(nèi)為最佳。在局域網(wǎng)系統(tǒng)中使用時,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85 % ,不要把一些根本就沒有必要進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。

　　嚴格控制負載類型,在UPS 的輸出端接入感性負載如風扇、空調(diào)、打印機及其它通過大功率降壓變壓器工作的用電設備往往會超過額定電流的3～6 倍,從而引起UPS 瞬時超載,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關。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?；驌p壞。

　　3. 2 　UPS 的維護要點

　　按照正確的方法維護UPS ,可以減少故障率延長其使用壽命, 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。空氣中漂浮的灰塵進人UPS , 會對其內(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。對于環(huán)境較差的機房,應每半年或一年對UPS 內(nèi)部進行除塵和檢查,以防止塵埃*或大功率器件散熱片松動,使機內(nèi)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,因此裝卸導電連接條和輸出線時應有安全保障防止電池接線柱以及連線之間發(fā)生短路,使用的工具應絕緣良好,特別是輸出接點應有防觸摸措施。UPS 接入電路時應嚴格按照規(guī)定的極性,以及零線、火線、地線順序和標識等進行連接,對于三相UPS 還應確保相序準確。

　　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重要的。

　　(1) 每4～6 個月檢查一次蓄電池組中各電池的端電壓和內(nèi)阻。若單個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,應及時更換或進行均衡充電。

　　(2) 避免過電流充電和過電壓充電。前者會損壞電池內(nèi)部正負極板使電池電量下降;后者會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使蓄電池處于“瞬時過流充電”和“瞬時過壓充電”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。電池放電后要及時進行再充電。

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

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

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

　　(8) UPS 中在電池供電狀態(tài)下,會因電池電壓過低而自動關機。此時不能再開機繼續(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

　　隨著科技的發(fā)展,計算機、數(shù)據(jù)通訊處理系統(tǒng)等精密儀器對UPS 的要求越來越高,UPS 電源技術將不斷完善。了解其原理,正確地使用與維護保養(yǎng)可避免UPS 電源及負載出現(xiàn)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、延長其使用壽命,使其更安全更可靠地為我們服務。