淺析UPS的工作原理及維護(hù)方法

李劍

【摘 要】本文旨在簡述UPS的基本原理，對UPS的分類、容量、電池選擇等進(jìn)行了分析，結(jié)合實(shí)際工作對UPS和蓄電池的合理使用和維護(hù)進(jìn)行了論述，旨在提高UPS的可用性和可靠性，使其電池壽命接近設(shè)計(jì)壽命，確保供電系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

【關(guān)鍵詞】UPS；容量；壽命；維護(hù)

【Abstract】This paper briefly describes the basic principles of lead-acid batteries， analyzes the capacity， the charge/discharge characteristics and the environmental factors of lead-acid batteries. Besides， the paper has discussed lead-acid batteries rational use and maintenance in practical work. The main purpose of this paper is how to improve lead-acid batteries availability and reliability， and then extend the batteries use life， make the batteries more efficient， ensure the power supply system work safely.

【Key words】Lead-acid battery； Capacity； Working life； Maintenance

0 前言

目前，各個(gè)領(lǐng)域的供電系統(tǒng)正在大量的采用不間斷電源UPS （Uninterruptible Power Supply）供電，防止因市電突然斷電而影響后端用電設(shè)備的正常工作。它的主要工作方法有：在市電供電的時(shí)候?qū)κ须娺M(jìn)行穩(wěn)壓； UPS逆變器在市電異常時(shí)將蓄電池的化學(xué)能變成交流電能輸送出去，從而使后端用電設(shè)備得以連續(xù)運(yùn)行下去。

1 UPS工作原理

UPS電源一般是由常用電源和備用電源通過轉(zhuǎn)換開關(guān)組合而成，它們之間由邏輯電路進(jìn)行控制，以保證在電網(wǎng)正常或停電狀態(tài)下，整個(gè)系統(tǒng)都能可靠地工作。當(dāng)市電正常時(shí)，UPS相當(dāng)于一臺(tái)交流穩(wěn)壓電源，它將市電穩(wěn)壓后再供給計(jì)算機(jī)，與此同時(shí)，它還向UPS內(nèi)蓄電池充電。當(dāng)市電突然中斷時(shí)，UPS立刻轉(zhuǎn)為逆變工作狀態(tài)，容量根據(jù)用戶需求設(shè)備，保證后端設(shè)備的持續(xù)供電。圖1為UPS電源原理圖。

整流器：簡單的說就是將交流（AC）轉(zhuǎn)化為直流（DC）的裝置。它有兩個(gè)主要功能：第一，將交流電（AC）變成直流電（DC），經(jīng)濾波后供給負(fù)載，或者供給逆變器；第二，給蓄電池提供充電電壓。

逆變器：通俗的講，逆變器是一種將直流電（DC）轉(zhuǎn)化為交流電（AC）的裝置，將整流器提供的直流電源逆變成穩(wěn)定、純凈的交流電源。

靜態(tài)開關(guān)：靜態(tài)開關(guān)又稱靜止開關(guān)，主要為提高系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)UPS發(fā)生故障、負(fù)載過載或放電結(jié)束時(shí)，使負(fù)載能無中斷的自動(dòng)切換到靜態(tài)旁路，有市電供電。

2 UPS的分類

2.1 后備式。UPS在市電正常時(shí)直接由市電向負(fù)載供電，當(dāng)市電超出其工作范圍或停電時(shí)，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)為電池逆變供電。沒有穩(wěn)壓，有切換時(shí)間，且輸出波形一般為方波。

2.2 在線互動(dòng)式。UPS在市電正常時(shí)直接由市電向負(fù)載供電，當(dāng)市電偏低或偏高時(shí)，通過UPS內(nèi)部穩(wěn)壓線路穩(wěn)壓后輸出，當(dāng)市電異?；蛲ｋ姇r(shí)，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)為電池逆變供電。其特點(diǎn)是：有穩(wěn)壓，但同樣存在切換時(shí)間。

2.3 在線式UPS在市電正常時(shí)，由市電進(jìn)行整流提供直流電壓給逆變器工作，由逆變器向負(fù)載提供交流電，在市電異常時(shí)，逆變器由電池提供能量，逆變器始終處于工作狀態(tài)，保證無間斷輸出。其特點(diǎn)是，有極寬的輸入電壓范圍，基本無切換時(shí)間且輸出電壓穩(wěn)定精度高，特別適合對電源要求較高的場合，但是成本較高。目前，市場上應(yīng)用較多的的UPS大多是在線式UPS。

3 UPS的容量選擇及及電池配備

3.1 UPS的容量選擇

首先計(jì)算前端的負(fù)載功率，為確保UPS系統(tǒng)高效率和盡可能的延長UPS使用壽命，一般負(fù)載功率應(yīng)滿足UPS額定功率的60%-70%。計(jì)算前端的負(fù)載功率時(shí)，要明確UPS配電系統(tǒng)的供電范圍，根據(jù)機(jī)房內(nèi)設(shè)備數(shù)量進(jìn)行容量綜合考慮。其次，要根據(jù)機(jī)房內(nèi)機(jī)柜布局規(guī)劃進(jìn)行設(shè)計(jì)，在條件允許下，則盡量考慮未來機(jī)房發(fā)展供電冗余，為今后負(fù)荷的擴(kuò)展提供方便。一般可以按照每個(gè)機(jī)柜的實(shí)際用電量進(jìn)行核定，預(yù)留機(jī)柜一般設(shè)計(jì)為1.5KVA。

3.2 電池配備

電池供電時(shí)間主要受負(fù)載大小，電池容量，環(huán)境溫度，電池放電截止電壓等因素影響，根據(jù)延時(shí)要求，確定所需電池的容量大小，用安時(shí)AH值來表示，以給定電流安培數(shù)時(shí)放電的時(shí)間小時(shí)數(shù)來計(jì)算。

一般UPS電池配置公式如下：

UPS電源功率（VA）*延時(shí)時(shí)間（小時(shí)數(shù)）/UPS電源啟動(dòng)直流=所需蓄電池安時(shí)數(shù)（AH）。

以某品牌20KVA UPS延時(shí)半小時(shí)為例：其啟動(dòng)直流為：96V（UPS在出廠時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)直流電壓），則20000伏安*0.5小時(shí)/96V=104AH，結(jié)果是需要，104AH的電池才能滿足半小時(shí)的供電，但是普通蓄電池沒有容量為104AH的電池，一般蓄電池為12V直流，[96V/12V=8]，所以8只電池為一組。我們可以選擇100AH電池來對其進(jìn)行配置；其延時(shí)時(shí)間為：[100AH（蓄電池容量）*96V（UPS啟動(dòng)直流電壓）/3000VA（UPS電源功率）=3.2小時(shí)，也可以選擇2組（16只）65AH的電池并聯(lián)配置，其延長時(shí)間為：（65AH*2）*96V/3000VA=4.16小時(shí)。

4 UPS電源的使用和維護(hù)

4.1 一般設(shè)備的使用說明書都清楚的給出了詳細(xì)的使用說明，其中最大啟動(dòng)負(fù)載應(yīng)控制在80%之內(nèi)，將負(fù)載控制在30%～60%額定輸出功率范圍內(nèi)是最佳工作狀態(tài)，如果超載使用在逆變狀態(tài)下，有可能擊穿逆變?nèi)龢O管，造成嚴(yán)重后果。

4.2 UPS電源在使用時(shí)，應(yīng)避免因負(fù)載突加和突減時(shí)其電壓輸出波動(dòng)異常，導(dǎo)致無法正常工作，因此要按正常的開關(guān)機(jī)順序進(jìn)行操作。另外，如果頻繁快速地開機(jī)會(huì)造成UPS電源進(jìn)入“啟動(dòng)失敗”的狀態(tài)，其后果是：UPS電源既無市電輸出，又無逆變輸出，因此關(guān)掉電源后，通常要等6s后在開啟。

4.3 蓄電池的維護(hù)：

（1）保持機(jī)房環(huán)境溫度的適宜性。影響蓄電池使用壽命的重要因素是環(huán)境溫度，一般電池生產(chǎn)廠家要求的最佳環(huán)境溫度是20-25℃。雖然溫度的升高對電池放電能力有所提高，但付出的代價(jià)卻是電池的壽命大大縮短。環(huán)境溫度一旦超過25℃，每升高10℃，電池的壽命就要縮短一半。這是由于環(huán)境溫度的提高，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部化學(xué)活性增強(qiáng)，產(chǎn)生大量的熱能，從而又會(huì)促使周圍環(huán)境溫度升高，這種惡性循環(huán)，會(huì)加速縮短電池的壽命。低溫下鉛酸電池內(nèi)阻值明顯增加，嚴(yán)重降低放電容量，特別是大電流放電性能嚴(yán)重縮短，因此為獲得蓄電池的最佳容量和較長的使用壽命，應(yīng)盡可能的保持機(jī)房溫度在20-25℃。

（2）定期對電池組性能進(jìn)行評估。整組蓄電池中若有個(gè)別電池失效，那么恒電流充電時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致以下兩種結(jié)果：一是電壓會(huì)迅速升高，即在整組電池尚未充足電時(shí)失效電池已處于過充電狀態(tài)，并導(dǎo)致整組電池充電電壓升高；二是會(huì)引起整組電池充電電流下降，延長充電時(shí)間。若個(gè)別電池出現(xiàn)內(nèi)部短路時(shí)，其充電電壓就低于其他電池，當(dāng)整組電池已充足電時(shí)，該落后電池卻尚未充好。長此下去就會(huì)出現(xiàn)惡性循環(huán)，影響整組電池性能。因此，在日常維護(hù)中，要做好整組電池合單體電池的性能分析。

（3）3.2建立健全蓄電池使用與維護(hù)措施。UPS電源中的浮充電壓和放電電壓，在出廠時(shí)均已調(diào)試到額定值，而放電電流的大小是隨著負(fù)載的增大而增加的，一般要求不大于2C，如100Ah的電池放電電流應(yīng)不大于20A，故使用中應(yīng)合理調(diào)節(jié)負(fù)載。一般情況下，負(fù)載不宜超過UPS額定負(fù)載的60%，在這個(gè)范圍內(nèi)，電池的放電電流就不會(huì)出現(xiàn)過度放電；UPS因長期與市電相連，在供電質(zhì)量高、很少發(fā)生市電停電的使用環(huán)境中，蓄電池會(huì)長期處于浮充電狀態(tài)，日久就會(huì)導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部產(chǎn)生大量的硫酸鉛，并吸附到蓄電池陰極上，形成所謂的陰極“硫酸鹽化”，結(jié)果造成了電池內(nèi)阻增大，電池化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的活性降低，加速老化而縮短使用壽命。因此建議每季度或半年放電一次，放出額定容量的30%～40%，放電過程中記錄電池單體電壓和電池組總電壓變化情況，并及時(shí)處理故障單體電池。

5 結(jié)束語

綜上所述，UPS的應(yīng)用，不僅改善了電網(wǎng)質(zhì)量，同時(shí)也提高了用電系統(tǒng)的可靠性。因此用戶在選擇UPS電源上應(yīng)系統(tǒng)的分析，合理選擇，以適應(yīng)不同工作環(huán)境的實(shí)際要求：同時(shí)對UPS的維護(hù)應(yīng)制定并嚴(yán)格遵循一套科學(xué)有效的方法，才可能避免各種故障，使UPS的故障率降低到最小程度，真正做到不間斷地為設(shè)備提供安全、可靠的潔凈電源。同時(shí)，UPS蓄電池使用和保養(yǎng)中，要做好蓄電池的日常運(yùn)行維護(hù)，定期進(jìn)行活化充放電，嚴(yán)格控制好蓄電池運(yùn)行溫度，做好蓄電池故障分析以及發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理等，保證供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：曹明明]