UPS电源工作原理及应用

一、引言 
保证任何情况下的正常供电，是冶金行业的重要基础。为此,除工业电网正常供电外，还需配备UPS供电系统。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，下面根据我们使用中的具体情况和维护经验介绍UPS电源的使用注意事项和日常维护要求。 
虽说各企业配置的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，这时因为在线式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。 
当UPS电源系统本身出现故障时有自动旁路功能，当需要检修时可采用手动旁路，使检修、供电互不影响。在功率选择上，莱钢中小型棒材生产线选用了中功率系统。 
二、UPS电源系统 
UPS电源系统由4部分组成：整流、储能、变换和开关控制。其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。 

如图1所示，在电网电压工作正常时，给负载供电如所示，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（如粗黑→所示）；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（如虚线所示）。 
UPS电源系统主要分两大部分，主机和储能电池。额定输出功率的大小取决于主机部分，并与负载属那种性质有关，因为UPS电源对不同性能的负载驱动能力不同，通常负载功率应满足UPS电源70％的额定功率。储能电池容量的选取当负载功率确定后主要取决其后备时间的长短，这个时间因各企业情况不同而不同，主要由备用电源的接入时间来定，通常在几分钟或几个小时不等。莱钢中小型棒材生产线因生产需要不允许断电，因此，UPS电源系统在检测到电网电压中断后，可自行启动供电，且随着储能电池慢慢放电，储能电池的容量随着时间会逐渐降低，考虑到寿命终止时储能电池容量下降到50％并留有一定的余量，我厂UPS电源系统的工作时间当储能电池满容量时为2小时，半容量为1小时。 
2.1电源工作原理 
2.1.1 AC-DC变换：将电网来的交流电经自耦变压器降压、全波整流、滤波变为直流电压，供给逆变电路。AC-DC输入有软启动电路，可避免开机时对电网的冲击。 
2.2 .2 DC-AC逆变电路：采用大功率IGBT模块全桥逆变电路，具有很大的功率富余量，在输出动态范围内输出阻抗特别小，具有快速响应特性。由于采用高频调制限流技术，及快速短路保护技术，使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路，均可安全可靠地工作。 
2.3.3 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。不间断电源工作原理框图如图2所示。 

2.3电源工作过程 
当市电正常380Vac时，直流主回路有直流电压，供给DC-AC交流逆变器，输出稳定的220Vac交流电压，同时市电对电流充电。当任何时候市电欠压或突然掉电，则由电池组通过隔离二极管开关向直流回路馈送电能。从电网供电到电池供电没有切换时间。当电池能量即将耗尽时，不间断电源发出声光报警，并在电池放电下限点停止逆变器工作，长鸣告警。不间断电源还有过载保护功能，当发生超载（150%负载）时，跳到旁路状态，并在负载正常时自动返回。当发生严重超载（超过200%额定负载）时，不间断电源立即停止逆变器输出并跳到旁路状态，此时前面空气开关也可能跳闸。消除故障后，只要合上开关，重新开机即开始恢复工作。为使不间断电源充分工作，避免在过载或欠载下运行，电源在开机前，首先计算负载容量。FR-UK型不间断电源（标称额定功率）80%的阻性负载设计负载能力，一般带计算机负载时可承受的按下式估算： 
∑i=1 n Pi≤P 
其中P为不间断电源输出容量（VA），P为第i个负载伏安数 
每套PLC功率： 220V*0.5=110VA 
每台操作站功率： 220V*2A=440VA 
IBM PC客户机及服务器：220V*1.5A=330VA 
则总功率：10*110VA+4*440VA+11*330VA=6490VA 
6490VA/0.8=8112VA 
因此，在这条棒材生产线上，采用10KVA的不间断电源比较合适。 
三、UPS电源系统的使用与维护 
1 、UPS电源系统开、关机 
1.1 第一次开机 
(1)按以下顺序合闸：储能电池开关→自动旁路开关→输出开关依次置于“ON"。 

(2)按UPS启动面板“开”键，UPS电源系统将徐徐启动，“逆变”指示灯亮，延时1分钟后，“旁路”灯熄灭，UPS转为逆变供电，完成开机。 
经空载运行约10分钟后，按照负载功率由小到大的开机顺序启动负载。 
1.2 日常开机 
只需按UPS面板“开”键，约20分钟后，即可开启电脑或其它仪器使用。通常等UPS启动进入稳定工作后，方可打开负载设备电源开关（注：手动维护开关在UPS正常运行时，呈“OFF"状态）。 
1.3 关机 
先将电脑或其它仪器关闭，让UPS空载运行10分钟，待机内热量排出后，再按面板“关”键。 
2、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℃～40℃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℃～+30℃。温度太低，会使储电池容量下降，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，浮充电压应增加18mV（相对于12V蓄电池）。 
(3)在无外电靠UPS电源系统自行供电时，应避免带负载启动UPS电源，应先关断各负载，等UPS电源系统起动后再开启负载。因负载瞬间供电时会有冲击电池，多负载的冲击电流和加上所需的供电电流会造成UPS电源瞬间过载，严重时将损坏变换器。 
(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)自备发电机的输出电压，波形、频率、幅度应满UPS电源对输入电压的要求，另久发电机的功率要远大于UPS电源的额定功率，否则任一条件不满，将会造成UPS电源工作异常或损坏。 
(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。 
3、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)对主机出现击穿，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，这和人的寿命长短、生老病死是一样的道理。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。