UPS系統(tǒng)原理及其在西安地鐵的應(yīng)用

劉丹

摘 要：UPS不間斷電源作為一種電源保護(hù)設(shè)備，主要由逆變器構(gòu)成，具有儲能作用，輸出有穩(wěn)壓恒頻特性。該設(shè)備常被用來解決電力的斷電、低電壓、高電壓、突波等問題。UPS電源系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)正不斷完善，其良好的發(fā)展也給迅速發(fā)展的信息工業(yè)帶來了更加可靠的技術(shù)保障與更好的支持。

關(guān)鍵詞：UPS；逆變器；整流器；充電模塊；靜態(tài)旁路；維修旁路

中圖分類號：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）26-0165-02

Abstract： UPS as a kind of power supply protection equipment， is mainly composed of inverters， and plays a role in energy storage， with constant frequency characteristics in its outputting voltage. The equipment is often used to solve the power outage， low voltage， high voltage， surge and other problems. The related technology of UPS power supply system is being improved constantly， and its good development also brings more reliable technical support and better support to the rapidly developing information industry.

Keywords： UPS； inverter； rectifier； charging module； static bypass； maintenance bypass

UPS（Uninterruptible Power Supply/Uninterruptible Pow

er Supply），也就是不間斷塊電源，作為一種可把直流電變?yōu)槭须姷南到y(tǒng)設(shè)備，主要通過連接蓄電池（多為鉛酸免維護(hù)蓄電池）和主機(jī)，并選取主機(jī)逆變器及其他模電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。UPS設(shè)備不僅可以保護(hù)電壓過高現(xiàn)象，而且也可以對過低電壓進(jìn)行保護(hù)，信息應(yīng)用的不斷發(fā)展該設(shè)備的重要意義也不斷提高。

1 UPS的分類

（1）后備式UPS。大多數(shù)基本類型的備份電源采用離線式或后備式技術(shù)，如1圖表示。如果市電供給交流電源，它直接通過UPS傳輸?shù)剿B接的負(fù)載。電池充電器把輸入的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，維持電池充電。如果市電故障，逆變器將電池的直流電轉(zhuǎn)換成交流電供給負(fù)載。逆變器在大多數(shù)時(shí)間里運(yùn)行在后備方式，充電器僅保持電池充電狀態(tài)的功率。一旦市電出現(xiàn)超出規(guī)定范圍的變化，逆變器從空載到100%負(fù)載供電，時(shí)間在幾毫秒之內(nèi)，逆變器從電池獲得電能，直到電池耗盡。這種技術(shù)通常稱為“單重轉(zhuǎn)換”，因?yàn)樵谌魏蔚慕o出點(diǎn)，電源僅轉(zhuǎn)換一次。

（2）在線式UPS。在線互動(dòng)式UPS技術(shù)提供相近水平的保護(hù)。同離線式技術(shù)有點(diǎn)相似，在線互動(dòng)式產(chǎn)品采用變壓器或電感器串聯(lián)在市電電源和負(fù)載之間，如圖2所示。這種串聯(lián)式電感器提供一定程度的電壓調(diào)節(jié)，使UPS逆變器能夠同輸入電源“相互作用”（互動(dòng)式名稱的由來）。在多數(shù)情況下，這種“雙向的”轉(zhuǎn)換器是恒定的電壓裝置，它用改變輸出相位角去調(diào)節(jié)負(fù)載的變化，由于相位角不能夠快速變化，需要電池提供功率差，這會(huì)導(dǎo)致電池壽命的減少。在線互動(dòng)式產(chǎn)品的另一個(gè)限制是如果不由電池供電運(yùn)行，它不能完全地使輸入電源隔離負(fù)載。公用電源的干擾、頻率上的干擾和其它電源的異常情況可能直接傳送到關(guān)鍵負(fù)載上，因?yàn)樗皇峭耆碾姎飧綦x。

2 UPS的組成

UPS由整流模塊，逆變器、蓄電池、靜態(tài)開關(guān)等部件組成。

作為整流器而言，它的主要作用有兩個(gè)：第一個(gè)是把交流電轉(zhuǎn)換為直流電，通過濾波處理后獲取的穩(wěn)定直流電，并將該直流電提供給負(fù)載，具體應(yīng)用比如：把充電電壓給蓄電池，把充電電壓提供給逆變器等；第二個(gè)作用是進(jìn)行檢波。由以上可知，整流的目的不止轉(zhuǎn)換為直流，還有其他目的。

逆變器作為一種電子設(shè)備，主要作用是把低壓直流電轉(zhuǎn)換成交流電。

電子式靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)和雙向晶閘管的組合器件，通過它的作用連接一對反向并聯(lián)的快速晶閘管，其主要作用是UPS進(jìn)行市電旁路供電到逆變器供電的切換，或者反方向切換。因?yàn)榻油焖倬чl管所需時(shí)間是微秒級的，所以，當(dāng)采用該技術(shù)的時(shí)候，就可以在零轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)進(jìn)行負(fù)載的持續(xù)供電作用。靜態(tài)開關(guān)構(gòu)成包括電子控制切換電路，該電路是用于把負(fù)載與逆變器輸出相連或者是經(jīng)靜態(tài)旁路與旁路電源相連。

3 UPS工作原理

交流市電電源可以把輸入有整流器變成直流電源。逆變器的作用是把直流電源以及源于電池的直流電源變成交流電，并將它供給負(fù)載。如果市電發(fā)生中斷，那么電池會(huì)經(jīng)過逆變器作用為負(fù)載進(jìn)行供電。除此以外，市電電源也可經(jīng)靜態(tài)旁路供電給負(fù)載。如果要保養(yǎng)維護(hù)UPS，那么需要把負(fù)載狀態(tài)轉(zhuǎn)換為維修旁路供電，此時(shí)負(fù)載電源持續(xù)供應(yīng)，具體如圖3所示。

4 UPS的基本操作和基本維護(hù)

4.1 UPS開關(guān)機(jī)步驟及注意事項(xiàng)

（1）正常模式開機(jī)步驟（適用UPS處于完全斷電）。通過閉合輸入開關(guān)為UPS提供市電，將電池開關(guān)閉合，然后整流器開始工作，其指示燈顯示綠色，并且呈現(xiàn)閃爍狀態(tài)，正常工作大概30S以后，指示燈綠色不再閃爍，呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)常亮狀態(tài)（整流器、旁路、輸出指示燈為綠色；電池、逆變指示燈不亮；狀態(tài)指示燈為黃色），持續(xù)按INVERTER ON鍵約2S。逆變器開始工作，逆變器指示燈顯示綠色，并且呈現(xiàn)閃爍狀態(tài)。當(dāng)逆變器開始正常工作以后，UPS的狀態(tài)由旁路供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換為逆變器供電狀態(tài)，此時(shí)旁路指示燈不亮，逆變器以及輸出指示燈是亮的狀態(tài)。（2）正常模式到到電池模式的切換。關(guān)閉外部電源，將市電斷開，此時(shí)的UPS工作在電池模式。如果想把UPS轉(zhuǎn)換到正常模式，那么要等幾秒，然后把外部電源關(guān)閉。再一次進(jìn)行市電供電。經(jīng)過10S以后，整流器開始自動(dòng)工作，逆變器重新恢復(fù)供電。（3）正常模式與旁路模式之間的切換。當(dāng)UPS工作于正常模式的時(shí)候，如果將INVERTER OFF鍵按下，那么可以進(jìn)入旁路模式。相反的，如果按下的是INVERTER ON鍵，那么就會(huì)使逆變器到進(jìn)入正常模式。（4）正常模式到維修旁路模式的切換。以下幾個(gè)問題需要注意：a.如果主機(jī)工作于逆變器供電模式，那么千萬不能手動(dòng)轉(zhuǎn)換到維修旁路模式！b.在進(jìn)行旁路的手動(dòng)操作轉(zhuǎn)換前，一定要對逆變器狀態(tài)進(jìn)行確定；每一步都要按規(guī)定逐步進(jìn)行，不能太著急，每一步完成以后的5-10秒鐘一定要觀察一下機(jī)器的狀態(tài)，只有狀態(tài)穩(wěn)定后才能進(jìn)一步操作！第一個(gè)需要進(jìn)行檢查的是旁路，保證它的正常狀態(tài)，持續(xù)按INVERTER OFF鍵2S以上。然后，把逆變器關(guān)閉，將UPS變成靜態(tài)旁路的供電模式。這個(gè)時(shí)候，逆變器指示燈為熄滅狀態(tài)，顏色呈現(xiàn)黃色，蜂鳴器發(fā)生告警，負(fù)載轉(zhuǎn)換成靜態(tài)旁路模式（將SILENCEON/OFF按下⑤開關(guān)實(shí)現(xiàn)告警消音）維修開關(guān)狀態(tài)由OFF切換到ON。將市電輸入、電池開關(guān)以及UPS輸出都關(guān)閉，然后把UPS轉(zhuǎn)換到維修旁路模式。（5）緊急停機(jī)步驟。如果發(fā)生緊急狀況，可以通過對EPO開關(guān)進(jìn)行操作，把UPS關(guān)閉。經(jīng)系統(tǒng)操作，把整流器、逆變器關(guān)閉，然后第一時(shí)間終止負(fù)載的供電，同時(shí)，停止電池的充電或放電。（6）UPS復(fù)位步驟。如果EPO或者逆變器的溫度比較高，或者因?yàn)殡姵剡^壓、過多的切換次數(shù)以及其他原因使UPS關(guān)機(jī)，可以依據(jù)顯示屏有的提示信息，選取相關(guān)的措施弄清故障，然后按下FAULT CLEAR鍵，將系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換出緊急關(guān)機(jī)狀態(tài)。等到整流器完成啟動(dòng)以后，持續(xù)按INVERTER ON鍵2S以上。

4.2 UPS現(xiàn)場安全操作注意事項(xiàng)

（1）進(jìn)行操作前，首先應(yīng)獲取設(shè)備管理人員的同意，并進(jìn)行配合。（2）相關(guān)UPS執(zhí)行操作人員，需要經(jīng)過一定的UPS知識培訓(xùn)。（3）必須對操作提供安全工具，包括護(hù)目鏡，絕緣手套，絕緣工具等。（4）無論執(zhí)行的是什么操作，都一定要保證有關(guān)部件不帶電。

5 UPS的基本常見故障的分析和處理

（1）UPS整流器故障。原因：因?yàn)殡妷悍€(wěn)定性不好，使UPS整流器因?yàn)楫惓?dǎo)致退出，UPS自行轉(zhuǎn)換到靜態(tài)旁路模式。依照故障表現(xiàn)，使維修旁路開始工作，然后將UPS市電輸入、輸出關(guān)機(jī)關(guān)閉，重新啟動(dòng)UPS，就可以解決故障。（2）綜合監(jiān)控的UPS報(bào)警，查看屏幕顯示電池未接入，無電池資料。依照故障呈現(xiàn)狀態(tài)，可能因?yàn)槟彻?jié)電池發(fā)生損壞，或者接線存在問題，檢查電池的表面有沒有發(fā)生破裂，極柱處是否存在異物。為了解決故障，第一步是使用萬用表對市電輸入以及輸出進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)正常，對電池的總電壓進(jìn)行測量，無數(shù)值顯示，可以看到電池輸入沒有問題，但是輸出不存在，因此可以確定問題出現(xiàn)在電池間接線，所以將電池空開，并用萬用表進(jìn)行分段測量，前16塊電池一測后16塊一測一步步減小范圍查出故障點(diǎn)，最終恢復(fù)設(shè)備狀態(tài)。

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