UPS蓄電池的選擇與維護(hù)

計(jì)算機(jī)已在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。作為直接關(guān)系到計(jì)算機(jī)軟硬件能否安全運(yùn)行的一個(gè)重要因素——電源質(zhì)量的可靠性應(yīng)當(dāng)成為中小企業(yè)首要考慮的問題。伴隨著計(jì)算機(jī)的誕生而出現(xiàn)的UPS(Uninterrupted Power Supply)現(xiàn)已被廣大計(jì)算機(jī)用戶所接受。UPS主要用于給單臺計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其它電力電子設(shè)備提供不間斷的電力供應(yīng)。目前，UPS正在被廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、交通、銀行、證券、通信、醫(yī)療、工業(yè)控制等行業(yè)。

不少電氣工程人員在配置電源時(shí)，往往比較注重不間斷電源(UPS)主機(jī)的性能，忽視了對UPS配套蓄電池的選擇。不恰當(dāng)?shù)呐涮?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/蓄電池">蓄電池選擇往往會(huì)造成UPS后備時(shí)間不足、電池不能放電等事故，嚴(yán)重影響UPS的質(zhì)量。

2 UPS的工作原理及種類

2.1、UPS的工作原理

UPS電源一般是由常用電源和備用電源通過轉(zhuǎn)換開關(guān)組合而成，它們之間由邏輯電路進(jìn)行控制，以保證在電網(wǎng)正?；蛲ｋ姞顟B(tài)下，整個(gè)系統(tǒng)都能可靠地工作。當(dāng)市電正常時(shí)，UPS相當(dāng)于一臺交流穩(wěn)壓電源，它將市電穩(wěn)壓后再供給計(jì)算機(jī)，與此同時(shí)，它還向UPS內(nèi)蓄電池充電。當(dāng)市電突然中斷時(shí)，UPS立刻轉(zhuǎn)

　圖1　UPS原理圖

2.2、UPS的種類

UPS的分類方法多種多樣，按功率大小可以分為大中小三種功率容量；按輸出波形可以分為方波、梯形波或者正弦波；按輸入輸出方式可以分為單相入單相出、三相入單相出或三相入三相出；按工作原理還可以分為動(dòng)態(tài)UPS和靜態(tài)UPS兩大類。動(dòng)態(tài)不間斷電源是依靠慣性飛輪存儲的動(dòng)能來維持負(fù)載電能供應(yīng)的連續(xù)性的，這種不間斷電源具有笨重、噪聲大、效率低、切換時(shí)間長等缺點(diǎn)，已被靜態(tài)不間斷電源所取代。靜態(tài)UPS以蓄電池組為儲能工具，市電正常時(shí)交流市電經(jīng)整流后變?yōu)橹绷麟姴㈦娔艽鎯υ谛铍姵亟M中，當(dāng)市電中斷時(shí)再由逆變器將蓄電池組中儲存的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妬砭S持向負(fù)載供電。根據(jù)工作方式的不同，靜態(tài)UPS又可分為后備式UPS、在線式UPS、在線互動(dòng)式UPS和Delta變換型UPS四種類型，下面分別加以介紹。

1.后備式UPS

后備式UPS主要由充電器、蓄電池、逆變器和變壓器抽頭調(diào)壓式穩(wěn)壓電源四部分組成。后備式UPS的工作原理如圖2所示。后備式UPS具有電路簡單、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但是其輸出電壓穩(wěn)定精度差，市電掉電時(shí)負(fù)載供電有一段時(shí)間的中斷。另外受切換電流和動(dòng)作時(shí)間的限制，輸出功率一般較小，一般后備式正弦波輸出UPS，容量在2kVA以下，后備式方波輸出UPS容量在lkvA以下。

圖2　 后備式UPS原理圖

2.在線互動(dòng)式UPS

在線互動(dòng)式UPS，與在線式UPS相比，它省去了整流器和充電器，而由一個(gè)身兼二職的逆變器/充電器模塊配以蓄電池組構(gòu)成，其原理框圖如圖3所示。

圖3　在線互動(dòng)式UPS原理圖

在線互動(dòng)式UPS具有效率高(可達(dá)98%以上)、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但是它大部分時(shí)間由市電直接給負(fù)載供電，輸出電壓質(zhì)量差，市電掉電時(shí)交流旁路開關(guān)存在斷開時(shí)間，導(dǎo)致UPS輸出存在一定時(shí)間的電能中斷。

3.Delta變換型UPS

Delta變換型UPS又稱串并聯(lián)UPS，它主要由低通濾波器、Delta變換器和主變換器構(gòu)成，其原理框圖如圖4所示。

圖4　 Delta變換型UPS原理圖

Delta變換型UPS的優(yōu)點(diǎn)是：①、負(fù)載電壓由主變換器的輸出電壓決定，輸出電能質(zhì)量好。②、主變換器和Delta變換器只對輸出電壓的差值進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償，它們承擔(dān)的最大功率僅為輸出功率的20%(相當(dāng)于輸入市電電壓的變化范圍)，所以整機(jī)效率高，功率余量大，系統(tǒng)抗過載能力強(qiáng)。③、輸入功率因數(shù)高，可達(dá)99%，輸入諧波電流小。但是Delta變換型UPS主電路和控制電路相對復(fù)雜，可靠性差。

4.在線式UPS

在線式UPS又稱串聯(lián)調(diào)整式UPS，目前絕大多數(shù)大中型UPS都是在線式的。在線式UPS一般由整流器、充電器、蓄電池組和逆變器等部分組成，其原理框圖如圖5所示。

圖5　　在線式UPS原理圖

在線式UPS的特點(diǎn)是：①、不論市電正常與否，負(fù)載都由逆變器供電，所以當(dāng)市電發(fā)生故障的瞬間，UPS的輸出電壓不會(huì)產(chǎn)生任何間斷。②、由于UPS逆變器采用高頻SPWM調(diào)制和輸出波形的反饋控制，可以向負(fù)載提供電壓穩(wěn)定度高、波形畸變小、頻率穩(wěn)定以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的高質(zhì)量的電能。③、全部負(fù)載功率都由逆變器提供，輸出能力受限制。④、整流器和逆變器都承擔(dān)全部負(fù)載功率，整機(jī)效率比較低。

從以上分析可以看出，按技術(shù)性能優(yōu)劣排序，其順序應(yīng)為：在線式UPS>Delta變換型UPS>在線互動(dòng)式UPS>后備式UPS。理想的UPS需要具有以下特性：①、輸入有很高的功率因數(shù)。②、輸出電壓的諧波畸變率很低，特別是在非線性負(fù)載下的總諧波畸變率。③、輸出電壓有很高穩(wěn)定度，包括幅值和頻率的穩(wěn)定。④、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度非?？?。⑤、系統(tǒng)有很強(qiáng)抗過載能力和抗負(fù)載沖擊能力，包括人為的自然災(zāi)害。⑥、系統(tǒng)有低的電磁干擾，低的維護(hù)費(fèi)用，低成本，重量輕，體積小。⑦、可多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)冗余式UPS供電系統(tǒng)。

3 UPS蓄電池的種類

UPS要求所選用的蓄電池必須具有在短時(shí)間內(nèi)輸出大電流的特性。目前，在線運(yùn)行的蓄電池基本上有兩種，它們都屬于鉛酸蓄電池。

3.1、防酸隔爆鉛酸蓄電池

這種電池在早期的UPS系統(tǒng)中使用較多，只要維護(hù)得當(dāng)，會(huì)有較長的使用壽命，但由于在運(yùn)行中存在大量的電解液水分散失，需經(jīng)常性地測量電解液的溫度、密度，往電池內(nèi)部添加蒸餾水，維護(hù)工作量極大，現(xiàn)在的UPS系統(tǒng)中已很少配用。

3.2、閥控式密封鉛酸蓄電池(VRLA)

因其體積較小，密封性能好、絕少維護(hù)而被廣泛應(yīng)用于各類UPS電

4 UPS蓄電池的選擇

4.1、蓄電池容量(Ah)的選擇

蓄電池容量(Ah)是指在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度下，每2V電池單體在給定時(shí)間至1.80V終止電壓時(shí)，可提供的恒定電流值(A)與持續(xù)放電時(shí)間(h)的乘積。給定持續(xù)放電時(shí)間為10h的容量稱為10h率容量，用符號C10來表示。蓄電池容量可用20h率、10h率、8h率、5h率、3h率、1h率、0.5h率等多種方法表示，一般采用C10作為蓄電池的額定容量來標(biāo)稱蓄電池。額定容量是蓄電池的主要參數(shù)，不少工程人員就認(rèn)為，兩種品牌相同額定容量的蓄電池可以在同一套UPS系統(tǒng)中替代使用。這種觀點(diǎn)是有偏頗的，因?yàn)閮煞N蓄電池具有相同額定容量，只表示它們的10h放電性能一致，但在10min、30min、lh、3h等時(shí)間內(nèi)可提供的恒功率值和恒電流值則可能差異較大，而UPS后備時(shí)間通常不到10h，所以UPS配用蓄電池時(shí)，考察其在后備時(shí)間內(nèi)的放電性能就尤為重要。

在已知UPS主機(jī)一些基本參數(shù)和確定蓄電池品牌后，我們就可以根據(jù)這一蓄電池品牌樣本資料中提供的恒功率放電數(shù)據(jù)表或恒流放電曲線，通過功率定型法或電流定型法來計(jì)算確定蓄電池的容量和型號。

1.功率定型法

這種方法比較簡便，根據(jù)蓄電池恒功率放電參數(shù)表可以快速準(zhǔn)確地選出蓄電池型號。首先計(jì)算在后備時(shí)間內(nèi)，每個(gè)2V的蓄電池至少應(yīng)向UPS提供的恒功率：

P=Scosφ／(ηN