小型在线式UPS电源的探析

摘 要：本文介绍了UPS的定义、分类及应用，并对最常用的小型在线式UPS的工作原理作了详细的阐述；进而提出其使用过程中的注意事项。

关键词：在线式UPS 逆变器 保护电路 维护

中图分类号：TM461 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（b）-0132-02

信息技术的发展，带动了各行各业，随着局域网、广域网和互联网的普遍实施，多数单位有了自己的网站和网络，系统之间又形成互联网。因此，对系统可靠性的要求就提高了，电源是系统可靠性的基础，于是各种容量的UPS都有了用武之地。特别对于广播电视行业“不间断，高质量”的安全播出要求而言，UPS更是是整个安播系统中常见且尤为重要的设备之一。本文着重详细阐述了我台使用的在线式UPS的工作原理，及日常的维护方法；以期和同行得以交流。

1 概述

UPS（Uninterruptible Power System）是一种专门为计算机系统和精密电子器件以及某些需连续工作的关键设备而设计的不间断稳压电源。一旦外电停电或电压过高、过低时，它可以自动切换及时向设备提供额定的稳压电源并发出声光报警，起到不间断供电的作用。由于其具有较高的可靠性，被广泛应用于互联网数据中心、银行清算中心和通存通取网络系统、证券交易及期货贸易系统、民航航管调度系统、财税信息系统、气象和地震预报监控系统、卫星地面站接收系统等领域。

2 UPS电源的分类

UPS电源可以解决电源断电、电压下陷、电源浪涌、减幅振荡、电源干扰、电源突波、电源波动、交换瞬变及谐波失真等因市电电源质量差对终端设备造成的危害。UPS的分类按工作原理可分为：动态式UPS和静态式UPS。静态式UPS又可分为：在线式（on-line）UPS和后备式（off-line）UPS。按输出波形可分为：方波、梯形波和正弦波。如果按技术性能的优劣来排序，其顺序为：在线式UPS>Delta变换器型UPS>在线互动式UPS>后备式正弦波输出UPS>后备式方波输出UPS。

下面仅对近年市场上比较畅销，应用最为广泛的小型在线式UPS电源作详细介绍。

3 小型在线式UPS

如图1所示，市电电源经EM1/RF1滤波器对来自电网的传导型电磁干扰和射频干扰进行衰减和处理后，分四路去控制后级电路的正常运行。

（1）直接经交流旁路供电通道馈送到转换继电器的常闭触电上。

（2）送到具有输入功率因数校正控制特性的UPS整流器的输入端。

（3）经充电器对位于UPS内的蓄电池组进行浮充充电操作，以便一旦市电供电中断时，蓄电池有足够的能量来支持UPS的正常运行。

（4）向UPS的锁相同步电路送去市电同步跟踪信号。

3.1 工作原理

当按下位于UPS前面板的开机启动开关后，由电池组所提供的高压直流电源（电池电压在几十伏～几百伏之间）经位于UPS内部的直流辅助电路进行DC/DC交换处理后，产生出这台UPS的控制电路和微处理器所需要的低压直流电源（5 V和12 V），一旦位于UPS内部的直流辅助电源被正常的建立起来后，微处理器就会立即进行初始化自检操作。此后，采用脉宽调制法控制的整流器、滤波器将不稳定的市电电源V0变成幅值稳定的直流高压电源V1送到逆变器电源的直流总线输出端。当市电电源供电正常，在微处理器的调控下，从DC/DC变换器所送出的另一路直流电源的电压V3小于从整流滤波器所输出的直流电源电压V1，在此条件下，由于二极管D处于反向偏置状态，所以，DC/DC直流变换器并不向逆变器提供任何能量，与此同时，逆变器在微处理器所送的正弦脉宽调制脉冲的控制下，重新将直流电源V1变成输出波形非常标准的纯正50 Hz正弦波电源V4。由于在UPS的机内配置有由蓄电池组DC/DC直流变换器所组成的后备直流电源供电系统，因此，一旦遇到市电电源故障（输入电压过高或过低）或市电供电中断时，在微处理的控制下，DC/DC直流变换器将立即投入运行，从而将蓄电池相对较低的直流电压提升到完全符合逆变器输入端所要求的电源V1的电平上。利用DC/DC变换，可确保从UPS输出的逆变器电源永远都处于不间断地向用户的负载供电状态。

在图1中，由电压负反馈微处理器逆变器电压负反馈电路所构成的闭环负反馈控制电路可确保UPS逆变器向负载提供稳压精度高达±0.5%～±1%的稳压电源；当市电电源的频率在UPS的锁相同步电路所允许的同步窗口（50 Hz±3 Hz）内时，从UPS的逆变器所输出的逆变器电源与市电电源保持锁相（频率、相位）同步关系的同时，还要确保逆变器电源不会出现突变现象。当市电电源的频率超过UPS的锁相同步电路所允许的同步窗口时，逆变器电源将不再跟踪市电电源，将回到UPS电源的本机振荡频率50 Hz。对于目前的绝大多数UPS来说，当它处于本机振荡工作状态时，其稳频精度可达50 Hz±0.1%以上。

3.2 自动保护功能

为确保UPS的逆变器和电池组等关键部件不至因偶然操作失误而损坏，需在UPS电源中设置各种自动保护电路。万一UPS中的某些元件损坏后，应通过自动关机操作来防止故障的进一步扩大。对于配置在UPS中的自动保护电路的数量和品种，各生产厂家因设计不同而各有差异。然而，无论UPS电源如何设计，其中有两种自动保护电路必不可少。

（1）UPS逆变器输出过载或短路的自动保护。

对于小型UPS电源，当遇到负载端出现严重过载甚至短路时，这个保护电路将会立即将UPS的逆变器电源置于自动关机状态。以防止位于逆变器电源中的晶体管、MOS管或IGBT管等功率放大元件被烧毁。与此同时，为确保对用户负载的连续供电，控制电路还将在完成上述操作的同时，让UPS电源做一次从逆变器供电市电交流电源供电的切换操作。

（2）电池电压过低自动保护。

当UPS电源遇到市电电源故障或市电供电中断时，蓄电池组将立即承担起向逆变器提供直流电源的工作。随着市电故障时间的延长，电池组的端电压将逐渐下降。当电池组的端电压下降到电池电压过低阀值电平时，为防止电池因过度放电而损坏，UPS将通过此保护电路将逆变器置于立即关机状态，从而达到停止电池放电的目的。

4 UPS电源的使用与维护

（1）严禁超负载使用及过度放电，以免造成逆变器和电池的永久损坏。

（2）对于经常不停电的用户，应每月人为停电一次，对UPS放电。若发现蓄电池放电时电量下降过快或充电时电量上升太慢，应及时更换蓄电池。

（3）主机中设置的参数在使用中不能随意改变。特别是对电池组的参数，会直接影响其使用寿命，但随着环境温度的改变，对浮充电压要做相应调整。通常以25 ℃为标准，环境温度每升高或降低1 ℃时，浮充电压应增加18 mV（相对于12 V蓄电池）。

（4）当市电品质较差时，UPS电源的供电方式会不断地频繁切换，此时应适量调低UPS电源的灵敏度。

（5）执行每日例行的巡视检查：“看”UPS面板各指示灯是否正常；“听”有无异常声响；“闻”是否有焦糊气味。

（6）保持UPS运行在20 ℃～25 ℃洁净、干燥的工作环境中，确保空气过滤网及散热装置无阻塞且运行正常。

5 结语

UPS的使用为我台节传机房数字接收机、音频四选一、网管数据库服务器等关键设备高稳定、不间断地运行提供了可靠的电源保障，极大地减少和避免了因电源故障引起的停播事故。因此，深入了解和科学使用、维护好UPS对我们的安全播出工作有着重要的现实意义。

参考文献

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