不间断电源(UPS)的功能、原理、及维护

【摘要】本文详细的介绍了不间断电源UPS的分类、原理、功能、组成注意事项及简单的维护。

【关键词】后备式UPS 在线式UPS不间断电源 蓄电池

UPS不间断电源的工作原理UPS（UNINTERRUPTEDPOWER SUPPLY）电源包括两部分，主机和蓄电池；按工作方式可分为后备式和在线式两种。后备式UPS电源在交流市电正常输入电源由整流逆变器转换为直流电源，逆变器将此直流电源或来自电池的直流电源转换为交流电通过输出配电模块。

我台许多的重要用电设备，如音频调度设备、控制桌设备，台站通信设备，网络设备、配电二次回路设备等对供电质量要求很高，不仅要求不停电，还要求电压和频率稳定且波形完好，因此不间断电源（UPS）成为我台安全播音的重要设备，所以我们不但要了解UPS，更重要的是维护好。

一、UPS的主要功能

1、双路电源之间的无间断切换

如图1所示，两路电源可通过UPS实现无间断切换。

2、隔离干扰功能

在UPS中，交流输入电压经整流后，输入逆变器，逆变器对负载供电，如图2所示，这样可将电网电压瞬时间断、电压波动、频率波动等电网干扰与负载隔离：这样既可使负载不受电网干扰和突然断电的影响，又可使电网中干扰的不影响负载。

3、电压切换功能

通过UPS，可以将输入电压变换成需要的电压，如输入380V输出可变成220V、380V、400V、415V；输入220V输出可变成220V、230V、240V。

4、频率变换功能

通过UPS，可以将输入频率变换成需要的频率，如输入50HZ输出可变成50HZ、60HZ、400HZ。

5、后备功能

UPS后备功能如图3所示。UPS中的蓄电池，贮存一定的能量，当电网断电时蓄电池通过逆变器可持续供电。后备时间可以为5、10、15、30、90min甚至更长。

二、UPS分类

根据工作特点，UPS通常分为后备式和在线式两类。

1、后备式

当外电正常时，外电经EMC滤波和抗浪涌无源滤波器后送给负载，同时充电器给蓄电池充电。市电中断后，逆变器启动，将蓄电池的直流电压转换为交流电压（即DC/AC变换）并送给负载。转换时间由继电器的机械跳动时间和逆变器的启动时间决定，一般要求在10ms以内。这种UPS的特点是线路简单，价格便宜，但由于存在切换时间，输出容易受外电波动的影响，供电质量不高，用电重要设备不宜采用。

2、在线式UPS

在线式UPS分为三端口UPS和串联在线式UPS两种。

（1）三端口UPS

三端口UPS实际上是一种铁磁谐振稳压变压器。铁心上有三个绕组：外电绕组，双向变换器绕组，输出绕组，核心部分是双向逆变器（整流逆变器）。当外电正常时，双向变换器起整流作用，保持负载的不间断用电并给蓄电池充电。当外电中断时，双向逆变器其逆变作用，将电池的直流电压转换成50HZ的交流电。这种UPS长时间后备供电不足，且输入电压范围较窄，受到一点限制我台很少采用。

（2）串联型在线式UPS

这种UPS在外电正常时，输交流电先经EMC输入滤波器滤掉外电中的干扰，再经整流滤波后，给电池组充电，同时也给逆变器供电。逆变器输出稳压稳频的交流电供给负载。外电不正常或中断时，逆变器将蓄电池提供的直流电压变换成交流电压供给负载，实现不间断供电。当逆变器输出过压、过流或UPS出现故障时，能够自动关闭，并通过静态开关不间断地转换至外电供电。

这种UPS的特点是线路复杂，保护功能和扩展功能较强，允许的外电电压和频率的范围较宽，看以满足用户的较高的要求，当然价格较高。

三、UPS基本工作原理

1、在线式UPS工作原理

在线式UPS由整流器滤波电路、逆变器、输出变压器及滤波器、静态开关、充电电路、蓄电池组和控制监测、显示告警及保护电路组成，如图4所示。在线式UPS的输出电压波形通常为标准的正玄波。

外电正常时，输入电压经整流器滤波电路后，给逆变器供电，逆变器输出经过输出变压器和输出滤波器电路将SPWM波形变换成纯正玄波。同时，整流电压经充电器给蓄电池补充能量。在这种工作状态下，外电经整流滤波器、逆变器及静态开关给负载供电，并由逆变器完成稳压和频率监测功能。

当外电出现中断、电压过低或过高时，UPS工作在后备状态，逆变器将蓄电池的电压转换成交流电压，并通过静态开关输出到负载。

外电正常但逆变器出现故障或输出过载时，UPS工作在旁路状态。静态开关切换到外电端，外电直接给负载供电。如果静态开关的转换因逆变器故障引起，UPS将发出报警信号；如果因过载引起静态开关转换，过载消失后，静态开关将重新切换到逆变器端。

控制监测、显示告警及保护电路提供逆变器、充电、静态开关转换所需的控制信号，显示各自的工作状态。UPS出现过压、过流、短路、过热时，及时报警并同时提供相应的保护。

在线式UPS中，无论外电是否正常，都有逆变器供电，所以外电故障瞬间，UPS的输出都不会间断。另外，由于在线式UPS加有输入EMC滤波器和输出滤波器，所以来自电网的干扰能得到很大的衰减；同时因逆变器具有很强的稳压功能，所以在线式UPS能给负载提供干扰小、稳压精度高的电压。因此，在线式UPS电源输出的是与外电网完全隔离的纯净的正弦波电源，大大改善了供电的品质，保护了负载安全有效的工作。

2、后备式UPS工作原理

后备式UPS原理框图如图5所示，后备式UPS与在线式UPS的差别是：没有输入整流滤波器，逆变器只由蓄电池供电，外电正常时，逆变器不工作。输出没有滤波器，输出电压波形一般为方波。外电正常时输出变压器起交流稳压的作用。

（1）外电正常时，UPS工作于外电旁路状态，转换开关切换到外电输入端，输入外电经转换开关接至输出变压器，然后共给负载。外电变化时，通过继电器改变变压器的接点，可稳定输出电压。

（2）外电出现中断、电压过高或过低时，UPS工作与后备状态。检测控制电路监测到外电故障后，启动逆变器并将转换开关切换至逆变器端，由蓄电池经逆变器给负载供电，逆变器输出波形为方波。负载变化时，逆变器通过改变输出方波的宽度实现稳压。

在后备式UPS中，外电正常时逆变器不工作，只有外电出现故障时，逆变器才启动。由于作为转换开关的继电器，需要一定的动作过程，因此转换需一段时间，一般为3～10ms。另外，后备式UPS是通过调节变压器的变化来实现稳压的，所以输出电压稳定度也比在线式UPS差。

四、UPS电源系统使用注意事项

UPS电源系统因其智能化程度高，储能电池采用了免维护蓄电池，这虽给使用带来了许多便利，但在使用过程中还应在多方面引起注意，才能保证使用安全。

1.UPS电源主机对环境温度要求不高，+5℃～40qE都能正常工作，但要求室内清洁，少尘，否则灰尘加上潮湿，会引起主机工作紊乱。储能蓄电池则对温度要求较高，标准使用温度为25℃，平时不能超过+15℃～+30qC。温度太低，会使储能电池容量下降，温度每下降1℃，其容量下降1%。其放电容量会随温度升高而增加，但寿命降低。如果在高温下长期使用，温度每高10℃，电池寿命约降低一半。

2.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，浮充电压增加18mV左右（相对于12V蓄电池）。

3.在断电时，应避免带负载启动UPS电源，应先关掉负载，等UPS启动后再启动负载，否则，会有负载的冲击电流和供电流，造成UPS电源瞬间过载，严重时会损坏变换器，不能让UPS经常处于满载或过载状态下运行。

4.UPS电源系统按使用要求功率余量不大，在使用中要避免随意增加大功率的额外设备，也不允许在满负载状态下长期运行。但工作性质决定了UPS电源系统几乎是在不间断状态下运行的，增加大功率负载，即使是在基本满载状态下工作，都会造成主机出故障，严重时将损坏变换器。

5.为确保UPS系统高效率和尽可能的延长UPS的使用寿命，一般负载功率应满足UPS额定功率的60-70%。例如我台需要不间断电源供电的设备有音频设备、通信设备、网络设备、监控设备、自台监测设备、服务器设备等重要设备，统计总功率为21KVA，因此我们选择21KVA÷70%=30KVA，考虑到设备的增加，我台选择了50KVA的UPS。

6.由于组合电池组电压很高，存在电击危险，因此装卸导电联接条、输出线时应用安全保障，工具应采用绝缘措施，特别是输出接点应有防触摸措施。

7.不论是在浮充工作状态还是在充电、放电检修测试状态，都要保证电压、电流符合规定要求。过高的电压或电流可能会造成电池的热失控或失水、电压、电流过小会造成电池亏电，这都会影响电池的使用寿命，前者的影响更大。

8.在任何情况下，都应防止电池短路或深度放电，因为电池的循环寿命和放电深度有关。放电深度越深、循环寿命越短。在容量试验中或是放电检修中，通常放电达到容量的30%-50%就可以了。

9.对电池应避免大电流充放电，虽说在充电时可以接受大电流，但在实际操作中应尽量避免，否则会造成电池极板膨胀变形，使得极板活性物质脱落，电池内阻增大，温升越高，严重时将造成容量下降，寿命提前终止。

五、UPS电源的日常维护与检修.

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。特别是气候干燥的地区，空气中的灰粒较多，机内的风机会将灰尘带入机内沉积、当遇到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.蓄电池的维护在UPS系统中，可以说蓄电池是这个系统的支柱，没有电池的UPS只能称作稳压、稳频电源。虽说蓄电池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。由于蓄电池在制造工艺上存在先天的不足；另一方面是在使用过程中缺乏必要的维护造成的，值得注意的是，许多使用单位缺乏必要的测试维护手段。根本不清楚自己系统UPS蓄电池的健康状况，为UPS系统正常工作留下隐患。要求定期测量各电池端电压，当各电池压差过大时，要进行匀充，要求定期对电池进行试探性容量测试或深度放电，以便检查电池组的性能优劣以及保持电池的活性。正常情况下，电池使用寿命为三到五年，如果发现状况不佳，则必须提早更换。更换电池时，遵循数量一致，型号一致的原则。正常时（UPS很少后备供电的前提下），电池每四到六个月充、放电一次。

3.故障指示现象如表1。

六、结束语

本文详细的介绍了不间断电源UPS的原理、注意事项及维护方法，蓄电池的保养等。提高了我们的维护技能，给我台今后很好的维护不间断电源提供了参考，保证了我台重要播音设备的安全供电，同时也保证了我台的安全播音任务。