US电源工作原理和维护

【摘要】本文介绍了UPS不间断电源系统的基本组成，原理及特点，并对如何对其全面、完善维护做了详细的阐述。

【关键词】UPS作用；工作原理；储能电池；维护

一、引言

保证任何情况下的正常供电，是广电等行业的重要基础。对于安全播出部门，还有一个特殊要求，就是切换主备电源的自动互投的过程中“保零秒”。互投时出现瞬间闪络停电，这对一般照明负荷影响不大，但是对播出发射机等上行和传输设备、服务器、编码器等设备，影响就很大。另外，在外线全部停电时，启动发电机需要时间。所以对于安全播出工艺机房内不允许瞬间闪络断电的负荷，必须配置在线式应急电源（UPS），并严禁其他非播出工艺负荷接入应急电源系统。UPS电源是保障供电稳定和连续性的重要设备，因其主要机智能化程度高，储能器材采用免维护蓄电池，使得在运行中往往忽略了对该系统的维护与检修。其实维护的好坏，对电源的寿命和故障率有很大影响。

虽说各个单位配置的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。在UPS电源类型选择上各站都选择了在线式，这是因为在线式UPS电源系统具有对各类供电的零时间切换，自身供电时间的长短可选，并具有稳压、稳频、净化的特点。

二、UPS电源系统

1.UPS不间断电源的作用

UPS的全称是Uninterruptible Power System，即不间断电源。UPS是一种以逆变器为主要元件、稳压稳频输出的负载电源保护设备。它主要起到三个作用：一是提供后备电源，防止突然断电造成节目停播事故；二是消除“污染”，改善电源质量，对电源系统中的浪涌、噪声、电压下降等现象它都能改进；三是对整个安全播出系统提供可持续不间断电力保护，使我们的安全播出系统及其整个网络运行更加稳定安全。

2.UPS不间断电源装置的基本原理

（1）基本构成和原理见如图1原理框图：该设备由可控整流部分、逆变器部分、逆变交流静态开关、旁路交流静态开关、可充电免维护铅酸电池、电池组开关、主机输入输出开关，逆变器故障旁路开关、应急及检修旁路开关等组成。其中电子部分统一受主机微电脑控制器控制。配套设备为蓄电池组和远地微机监测设备。

UPS电源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），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，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。储能电池除可存储直流直能的功能外，对整流器来说就象接了一只大容器电容器，其等效电容量的大小，与储能电池容量大小成正比。由于电容两端的电压是不能突变的，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。

在电网电压工作正常时，给负载供电如原理图所示，而且，同时给储能电池充电；当突发停电时，UPS电源开始工作，由储能电池工给负载所需电源，维持正常的生产；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。

（2）可控整流部分：为三相可控整流装置，对输入电压、频率的变化范围，以及三相相序有着严格要求。输入电压、频率偏高或偏低会报警，输入相序错误逆变器将停止工作，因此进线电源或发电机组接入时必须保证相序正确（发电机组接入应保证顺相序）。

由于流过可控整流器的电流波形为非正弦波，其谐波成分将对来电电源产生严重污染，所以进线端一般要加隔离滤波装置，部分减轻污染。整流后分两路输出，一路通过充电智能化控制电路向蓄电池充电，另一路供给逆变器。

（3）三相逆变器部分：平时外线供电时，将整流后的直流转变成50赫兹三相交流电输出，在外电停电时，蓄电池提供电源，依靠逆变来保证不间断供电。这两种情况下，逆变器均具有自动稳压、稳频输出的功能。

由于是三相交流电，所以设备内有三个逆变器。每相逆变器设两个IGBT（具有CMOS场效应管特性的双极型大功率开关管）。在主机微电脑控制电路输出的一定频率和幅度的触发脉冲驱动下，进行脉宽调制（PWM），产生幅度按照正弦曲线连续变化的方波，积分成正弦包络输出。触发开关的频率越低，方波越宽，包络线上锯齿毛刺越明显，包络曲线的平滑连续性越差，输出的直流成分和奇次谐波成分越多如图2示。触发IGBT开关的频率越高，方波越窄，包络线上锯齿毛刺越不明显，包络曲线越接滑的标准正弦波形，输出的直流成分和奇次谐波成分越少如图2示。

使用高频触发，就要求使用高频IGBT。整机输出特性要比低频调制的高出很多，在技术上更难，因此成本也会高出不少。目前只有少数UPS厂家IGBT开关触发频率达到20--23千赫。多数厂家产品IGBT开关触发频率只有6—9千赫。这些厂家都极力回避IGBT开关频率问题，不敢提供输出电压波形的真实照片。为了弥补输出特性，只好依靠在逆变输出部分加滤波装置，在一定程度上解决输出的直流成分和奇次谐波成分比较严重的问题。这两种产品在选购招标中价格出入肯定较大，但在技术性能上根本不具备可比性。因此提请使用单位注意，是用示波器检查一下UPS设备的输出电压波形，是否为平滑的正弦波，是否出现尖峰毛刺。避免由于输出电压波形严重不良，造成播出工艺设备的损坏。

由于受IGBT大功率开关管元件自身最大电流的限制，目前单机UPS最大输出功率多在200KVA以下，如需要更大功率输出，只能靠并联冗余的方式。一般每路电源配置一台UPS，众多不同机房的供电尽量不要接入同一台UPS。考虑安全性负荷多控制在50%左右。由于在我们的供电系统中UPS也是互为备用的，所以负荷要控制在40%以下为妥。

（4）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。

三、UPS电源系统的维护

（1）UPS电源在正常使用情况下，主机的维护工作很少，主要是防尘和定期除尘。特别像北方气候干燥的地区，空气中的灰粒较多，机内的风机会将灰尘带入机内沉积、当遇空气潮湿时会引起主机控制紊乱造成主机工作失常，并发生不准确告警，大量灰尘也会造成器件散热不好。一般每季度应彻底清洁一次。其次就是在除尘时，检查各连接件和插接件有无松动和接触不牢的情况。

（2）虽说储能电池组目前都采用了免维护电池，但这只是免除了以往的测比、配比、定时添加蒸馏水的工作。但外因工作状态对电池的影响并没有改变，不正常工作状态对电池造成的影响没有变，这部分的维护检修工作仍是非常重要的，UPS电源系统的大量维修检修工作主要在电池部分。

a.储能电池的工作全部是在浮充状态，在这种情况下至少应每年进行一次放电。放电前应先对电池组进行均衡充电，以达全组电池的均衡。要清楚放电前电池组已存在的落后电池。放电过程中如有一只达到放电终止电压时，应停止放电，继续放电先消除落后电池后再放。

b.核对性放电，不是首先追求放出容量的百分之多少，而是要关注发现和处理落后电池，经对落后电池处理后再作核对性放电实验。这样可防止事故，以免放电中落后电池恶化为反极电池。

c.平时每组电池至少应有8只电池作标示电池，作为了解全电池组工作情况的参考，对标示电池应定期测量并做好记录。

d.日常维护中需经常检查的项目有：清洁并检测电池两端电压、温度；连接处有无松动，腐蚀现象、检测连接条压降；电池外观是否完好，有无壳变形和渗漏；极柱、安全阀周围是否有酸雾逸出；主机设备是否正常。

e.免维护电池要维护，不是什么无稽之谈，应从广义的维护立场出发，做到运行、日常管理的周到、细致和规范性，保证设备（包括主机设备）保持良好的运行状况，从而延长使用年限；保证直流母线经常保持合格的电压和电池的放电容量；保证电池运行和人员的安全可靠。这就是电池维护的目的，也是电池运行规程中包括的内容和进行规则。

（3）当UPS电池系统出现故障时，应先查明原因，分清是负载还是UPS电源系统；是主机还是电池组。虽说UPS主机有故障自检功能，但它对面而不对点，对更换配件很方便，但要维修故障点，仍需做大量的分析、检测工作。另外如自检部分发生故障，显示的故障内容则可能有误。

（4）对主机出现断保险或烧毁器件的故障，一定要查明原因并排除故障后才能重新启动，否则会接连发生相同的故障。

（5）当电池组中发现电压反极、压降大、压差大和酸雾泄漏现象的电池时，应及时采用相应的方法恢复和修复，对不能恢复和修复的要更换，但不能把不同容量、不同性能、不同厂家的电池联在一起，否则可能会对整组电池带来不利影响。对寿命已过期的电池组要及时更换，以免影响到主机。

四、结束语

再好的设备也有寿命，也会出现各类故障，但维护工作做的好可以延长寿命，减少故障的发生。不要因为高智能、免维护而忽略了本应进行的维护工作，预防在任何时候都是安全运行的重要保障。

作者简介：程备战，男，陕西咸阳人，大学本科，工程师，研究方向：电子信息与通信。