UPS電源技術(shù)探討

摘要：隨著UPS向更微小型及可靠性的方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)智能化UPS技術(shù)和全數(shù)字化UPS技術(shù)也帶來了沖擊，意味著能夠給網(wǎng)絡(luò)電源提供更節(jié)能、更環(huán)保的電源管理。本文根據(jù)多年工作實(shí)踐，對UPS電源技術(shù)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：UPS；逆變器；維護(hù)

一、UPS工作原理和操作方式

（1）典型的UPS系統(tǒng)框圖如圖1所示

它的基本結(jié)構(gòu)是一套將交流市電變?yōu)橹绷麟姷恼髌骱统潆娖?，以及把直流電再變?yōu)榻涣麟姷哪孀兤?，電池在交流電正常供電時(shí)貯存能量且維持在一個(gè)正常的充電電壓上，一旦市電供電中斷時(shí)，蓄電池立即對逆變器供電以保證UPS電源交流渝出電壓。下面幾種簡圖示意了UPS的各種工作情況（以在線式UPS電源為例）。

①市電在UPS所允許的范圍內(nèi)正常供電時(shí)，如圖2所示，粗線描繪了電源能量的流向。

②主電源故障即市電被切斷后，電源將瞬間改由逆變器提供能量如圖3所示。

③當(dāng)所帶負(fù)載過大或電源內(nèi)逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，UPS將打開旁路由主電源直接供電，如圖4所示。

（2）UPS電源的操作方式

①后備式：當(dāng)UPS電源處于市電正常供電時(shí)，由市電直接向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供電源，當(dāng)市電供電中斷時(shí)，電池才對逆變器供電，并由UPS電源的逆變器對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供交流電源。也就是說，UPS電源的逆變器總是處于對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供后備供電的狀態(tài)。

②在線式：它平時(shí)是由市電經(jīng)由整流器、逆變器對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供電源。只有當(dāng)蓄電池放電完畢時(shí)，才由內(nèi)部控制線路發(fā)出信號控制自動(dòng)切換環(huán)關(guān)，轉(zhuǎn)換成市電供電。因此，對在線式UPS電源而言，在正常情況下它總是由UPS電源的逆變器對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)供電。

③兩種方式的比較：由于在線式UPS電源能夠避免掉所有由電網(wǎng)而帶來的電壓波動(dòng)及干擾影響。其供電質(zhì)量明顯優(yōu)越于后備式UPS電源，因此其價(jià)格也貴得多。

二、UPS電源的各種連接方式

（1）單臺UPS電源能夠供給全部負(fù)載，連接圖如系統(tǒng)的原理圖，連接方法較簡單。

（2）總負(fù)載功率需要二臺或更多臺UPS電源供給，如圖5所示，這種連接方式稱作并聯(lián)無備份方式。

（3）二臺或二臺以上UPS電源其總?cè)荼蓉?fù)載總?cè)堇镆啵撓到y(tǒng)比負(fù)載總?cè)萘勘仨毝嘁慌_UPS電源的容量，任何一臺UPS電源故障時(shí)，其余仍能供給全部負(fù)載，如圖6所示。這種連接方式稱作并聯(lián)有備份方式。

（4）整個(gè)UPS電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，市電將UPS電源脫開，直接接通負(fù)載，且不影響UPS電源系統(tǒng)的維修，這種線路設(shè)計(jì)如圖7所示。

當(dāng)UPS電源系統(tǒng)無故障時(shí)，維修開關(guān)打開，輸入開關(guān)、輸出開關(guān)閉合；o當(dāng)UPS電源系統(tǒng)故障時(shí)，維修開關(guān)閉合，輸入開關(guān)、輸出開關(guān)打開。這樣，保證了用電負(fù)載的正常工作，而又不影響對UPS電源系統(tǒng)故障的在線維修。

三、UPS的主要技術(shù)指標(biāo)

新型UPS中的逆變器大多采用了PWM技術(shù)，同時(shí)采用了石英晶體振蕩控制逆變器的頻率，通過電壓負(fù)反饋電路確保輸出電壓的穩(wěn)定。它具有開關(guān)電源的一系列優(yōu)點(diǎn)，通過精確調(diào)整脈沖寬度，保證功率穩(wěn)定輸出，同時(shí)，開關(guān)電源技術(shù)的應(yīng)用，也使其自身損耗大大降低。主要技術(shù)指標(biāo)如下：（1）額定輸出功率和最大輸出功率；（2）切換時(shí)間；（3）輸出電壓穩(wěn)定度，參考值±0.5% ～±2%；（4）輸出頻率穩(wěn)定度，參考值±0.01% ～±0.5%；（5）輸出波形純正（正弦波輸出），電壓畸變小于1%，不存在潛波失真的問題；

（6）效率高、損耗低。參考指標(biāo)高于90%；

（7）故障率低、維護(hù)容易。由于微處理器監(jiān)控技術(shù)和先進(jìn)的IGBT驅(qū)動(dòng)型SPWM等高技術(shù)的采用，目前的UPS已達(dá)到了極高的可靠性水平，對于大型UPS電源來講，其單機(jī)的年均無故障工作時(shí)間（MTBF）已超過20萬小時(shí)。如果采用雙總線輸出的多機(jī)/冗余0型UPS供電系統(tǒng)，其MTBF甚至可達(dá)1000萬小時(shí)數(shù)量級。

四、UPS應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

UPS智能化程度高，儲(chǔ)能電池采用了免維護(hù)蓄電池。這雖給使用帶來許多便利，但在使用過程中還應(yīng)在多方面引起注意，才能保證安全。

（1）UPS主機(jī)對環(huán)境溫度要求不高，5～40e都能正常工作。但要求室內(nèi)清潔、少塵，否則灰塵加上潮濕會(huì)引起主機(jī)工作紊亂。儲(chǔ)能蓄電池則對溫度要求較高，標(biāo)準(zhǔn)使用溫度為25e，平時(shí)不能超過15～30e的范圍。溫度太低，蓄電池容量會(huì)下降。溫度每下降1e，容量下降1%。其放電容量會(huì)隨溫度升高而增加，但壽命降低。如果在高溫條件下長期使用，溫度每高10e，電池壽命約降低50%。

（2）設(shè)置的主機(jī)參數(shù)在使用中不能隨意改變，特別是電池組的參數(shù)。如果改變，就會(huì)直接影響使用壽命。隨著環(huán)境溫度的改變，對浮充電壓要做相應(yīng)調(diào)整。通常以25e為標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境溫度每升高或降低1e時(shí)，浮充電壓應(yīng)增加18mV（相對于12V蓄電池）。

（3）只靠UPS自行供電時(shí)，應(yīng)避免帶負(fù)載啟動(dòng)UPS，首先應(yīng)切斷各負(fù)載，直到UPS起動(dòng)后再開啟。負(fù)載瞬間供電時(shí)會(huì)沖擊電池，多負(fù)載的沖擊電流加上所需的供電電流會(huì)造成UPS瞬間過載，嚴(yán)重時(shí)將損壞變換器。

（4）合理設(shè)置UPS負(fù)載量。一般來說，UPS既不宜長期滿載運(yùn)行，也不宜長期處于負(fù)載過輕的狀態(tài)下運(yùn)行。前者容易造成UPS逆變器及整流濾波器的損壞，而后者容易造成UPS中的蓄電池?fù)p壞。UPS的負(fù)載量受幾方面影響，其中負(fù)載功率因數(shù)取0.9左右，微帶電容性負(fù)載最為理想。如：流入微機(jī)開關(guān)電源中的300V直流高壓濾波電容中容性電流增大，易造成電容因長期過流而失效，有時(shí)會(huì)損壞開關(guān)電源的功率管，會(huì)造成顯示器上的圖形抖動(dòng)和扭曲。

（5）UPS所帶負(fù)載性質(zhì)，除了不宜為感性負(fù)載，還不宜在UPS輸出端帶大功率可控硅負(fù)載、可控硅橋式整流負(fù)載和半波整流負(fù)載。如果在UPS輸出端帶有相控式的大功率（負(fù)載超過UPS額定負(fù)載的50%）晶閘管負(fù)載或半波整流性負(fù)載時(shí)，UPS的故障率會(huì)明顯增加。主要表現(xiàn)為：逆變器末級驅(qū)動(dòng)功率晶體管或MOS管將燒毀，有時(shí)還會(huì)造成蓄電池因末級驅(qū)動(dòng)功率晶體管擊穿短路而損壞。

（6）由于電池組電壓很高，存在電擊的危險(xiǎn)，裝卸導(dǎo)電連接條、輸出線時(shí)應(yīng)注意安全保障，對工具應(yīng)采用絕緣措施，特別是輸出接點(diǎn)應(yīng)有防觸摸措施。

（7）不論是在浮充工作狀態(tài)還是在充電、放電檢修測試狀態(tài)，都要保證電壓、電流符合正常運(yùn)行的要求。過高的電壓或電流可能會(huì)造成電池的熱失控或失水，電壓、電流過小會(huì)造成電池虧電。這些都會(huì)影響電池的使用壽命，前者的影響更大。

（8）在任何情況下，都應(yīng)防止電池短路或深度放電，因?yàn)殡姵氐难h(huán)壽命和放電深度有關(guān)。放電檢修中，放電為容量的30% ～50%就可以了。

（9）應(yīng)避免電池大電流充放電。雖說在充電時(shí)可以接受大電流，但在實(shí)際操作中應(yīng)盡量避免，否則會(huì)造成電池極板膨脹變形，極板活性物質(zhì)脫落，電池內(nèi)阻增大，溫度和升高，嚴(yán)重時(shí)將造成容量下降，壽命縮短。

（10）放置UPS的地方必須良好通風(fēng)，遠(yuǎn)離水、可燃性氣體和腐蝕劑，環(huán)境溫度保持0～40e之間，若是在低溫下拆裝使用，可能會(huì)有水滴凝結(jié)現(xiàn)象，一定要等待UPS內(nèi)外完全干燥后才可安裝使用，否則有電擊危險(xiǎn)。

（11）UPS電源不宜側(cè)放，應(yīng)保持進(jìn)風(fēng)孔與出風(fēng)孔通暢；負(fù)載與UPS電壓連接時(shí)，須先關(guān)閉負(fù)載，再接線，然后逐個(gè)打開負(fù)載，嚴(yán)禁將電機(jī)、日光燈、復(fù)印機(jī)等感性負(fù)載接入U(xiǎn)PS，以免造成傷害。需接激光打印機(jī)時(shí)，因其運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)功率較大，選擇UPS時(shí)，其容量要以啟動(dòng)功率來計(jì)算。

（12）將UPS接到專用的帶有過電流保護(hù)裝置插座上，所用電源插座應(yīng)接保護(hù)地端；無論輸入電源線是否插入市電的相線與中性線位置必須符合規(guī)定。保證UPS電源輸入、輸出插座均符合我國交流電輸入插座的連接方式，如不符合，則需要更換中性線與相線位置，否則，易造成UPS電源或負(fù)載設(shè)備損壞。

（13）UPS電源一旦接通市電，即開始對電池組充電，持續(xù)按開機(jī)鍵1s以上進(jìn)行開機(jī)，即開啟逆變器。開機(jī)時(shí)UPS會(huì)自檢，然后啟動(dòng)旁路，經(jīng)幾秒鐘轉(zhuǎn)換到逆變器輸出，當(dāng)逆變輸出指示燈亮，UPS已處于市電模式；持續(xù)按關(guān)機(jī)鍵1s以上，在市電時(shí)進(jìn)行關(guān)機(jī)，即關(guān)閉逆變器，關(guān)機(jī)時(shí)UPS進(jìn)行自檢，逆變指示燈熄滅，此時(shí)UPS無輸出電壓，但繼續(xù)對電池組充電。無市電輸入，按開機(jī)鍵3s以上啟動(dòng)，UPS先進(jìn)行自檢，然后轉(zhuǎn)到逆變器輸出，此時(shí)市電指示燈不亮，電池指示燈會(huì)亮；持續(xù)按關(guān)機(jī)鍵1s以上關(guān)機(jī)。關(guān)機(jī)時(shí)，UPS會(huì)進(jìn)行自檢，直至面板無顯示，UPS才無輸出電壓。

五、結(jié)束語

隨著電子器件的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)智能化UPS技術(shù)和全數(shù)字化UPS技術(shù)的出現(xiàn)，不僅提供完全可靠的網(wǎng)絡(luò)電源管理，也為節(jié)能、環(huán)保提供了一種最佳的解決方案。隨著科學(xué)的進(jìn)步，UPS電源技術(shù)在不久的將來會(huì)開辟一個(gè)更新的領(lǐng)域。