小型在線式UPS電源的探析

摘 要：本文介紹了UPS的定義、分類及應(yīng)用，并對最常用的小型在線式UPS的工作原理作了詳細(xì)的闡述；進(jìn)而提出其使用過程中的注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：在線式UPS 逆變器 保護(hù)電路 維護(hù)

中圖分類號：TM461 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（b）-0132-02

信息技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了各行各業(yè)，隨著局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的普遍實(shí)施，多數(shù)單位有了自己的網(wǎng)站和網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)之間又形成互聯(lián)網(wǎng)。因此，對系統(tǒng)可靠性的要求就提高了，電源是系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)，于是各種容量的UPS都有了用武之地。特別對于廣播電視行業(yè)“不間斷，高質(zhì)量”的安全播出要求而言，UPS更是是整個(gè)安播系統(tǒng)中常見且尤為重要的設(shè)備之一。本文著重詳細(xì)闡述了我臺使用的在線式UPS的工作原理，及日常的維護(hù)方法；以期和同行得以交流。

1 概述

UPS（Uninterruptible Power System）是一種專門為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和精密電子器件以及某些需連續(xù)工作的關(guān)鍵設(shè)備而設(shè)計(jì)的不間斷穩(wěn)壓電源。一旦外電停電或電壓過高、過低時(shí)，它可以自動(dòng)切換及時(shí)向設(shè)備提供額定的穩(wěn)壓電源并發(fā)出聲光報(bào)Jwdvdmtt8u4wEtsCfpCmrQ==警，起到不間斷供電的作用。由于其具有較高的可靠性，被廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心、銀行清算中心和通存通取網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、證券交易及期貨貿(mào)易系統(tǒng)、民航航管調(diào)度系統(tǒng)、財(cái)稅信息系統(tǒng)、氣象和地震預(yù)報(bào)監(jiān)控系統(tǒng)、衛(wèi)星地面站接收系統(tǒng)等領(lǐng)域。

2 UPS電源的分類

UPS電源可以解決電源斷電、電壓下陷、電源浪涌、減幅振蕩、電源干擾、電源突波、電源波動(dòng)、交換瞬變及諧波失真等因市電電源質(zhì)量差對終端設(shè)備造成的危害。UPS的分類按工作原理可分為：動(dòng)態(tài)式UPS和靜態(tài)式UPS。靜態(tài)式UPS又可分為：在線式（on-line）UPS和后備式（off-line）UPS。按輸出波形可分為：方波、梯形波和正弦波。如果按技術(shù)性能的優(yōu)劣來排序，其順序?yàn)椋涸诰€式UPS>Delta變換器型UPS>在線互動(dòng)式UPS>后備式正弦波輸出UPS>后備式方波輸出UPS。

下面僅對近年市場上比較暢銷，應(yīng)用最為廣泛的小型在線式UPS電源作詳細(xì)介紹。

3 小型在線式UPS

如圖1所示，市電電源經(jīng)EM1/RF1濾波器對來自電網(wǎng)的傳導(dǎo)型電磁干擾和射頻干擾進(jìn)行衰減和處理后，分四路去控制后級電路的正常運(yùn)行。

（1）直接經(jīng)交流旁路供電通道饋送到轉(zhuǎn)換繼電器的常閉觸電上。

（2）送到具有輸入功率因數(shù)校正控制特性的UPS整流器的輸入端。

（3）經(jīng)充電器對位于UPS內(nèi)的蓄電池組進(jìn)行浮充充電操作，以便一旦市電供電中斷時(shí)，蓄電池有足夠的能量來支持UPS的正常運(yùn)行。

（4）向UPS的鎖相同步電路送去市電同步跟蹤信號。

3.1 工作原理

當(dāng)按下位于UPS前面板的開機(jī)啟動(dòng)開關(guān)后，由電池組所提供的高壓直流電源（電池電壓在幾十伏～幾百伏之間）經(jīng)位于UPS內(nèi)部的直流輔助電路進(jìn)行DC/DC交換處理后，產(chǎn)生出這臺UPS的控制電路和微處理器所需要的低壓直流電源（5 V和12 V），一旦位于UPS內(nèi)部的直流輔助電源被正常的建立起來后，微處理器就會(huì)立即進(jìn)行初始化自檢操作。此后，采用脈寬調(diào)制法控制的整流器、濾波器將不穩(wěn)定的市電電源V0變成幅值穩(wěn)定的直流高壓電源V1送到逆變器電源的直流總線輸出端。當(dāng)市電電源供電正常，在微處理器的調(diào)控下，從DC/DC變換器所送出的另一路直流電源的電壓V3小于從整流濾波器所輸出的直流電源電壓V1，在此條件下，由于二極管D處于反向偏置狀態(tài)，所以，DC/DC直流變換器并不向逆變器提供任何能量，與此同時(shí)，逆變器在微處理器所送的正弦脈寬調(diào)制脈沖的控制下，重新將直流電源V1變成輸出波形非常標(biāo)準(zhǔn)的純正50 Hz正弦波電源V4。由于在UPS的機(jī)內(nèi)配置有由蓄電池組→DC/DC直流變換器所組成的后備直流電源供電系統(tǒng)，因此，一旦遇到市電電源故障（輸入電壓過高或過低）或市電供電中斷時(shí)，在微處理的控制下，DC/DC直流變換器將立即投入運(yùn)行，從而將蓄電池相對較低的直流電壓提升到完全符合逆變器輸入端所要求的電源V1的電平上。利用DC/DC變換，可確保從UPS輸出的逆變器電源永遠(yuǎn)都處于不間斷地向用戶的負(fù)載供電狀態(tài)。

在圖1中，由電壓負(fù)反饋→微處理器→逆變器→電壓負(fù)反饋電路所構(gòu)成的閉環(huán)負(fù)反饋控制電路可確保UPS逆變器向負(fù)載提供穩(wěn)壓精度高達(dá)±0.5%～±1%的穩(wěn)壓電源；當(dāng)市電電源的頻率在UPS的鎖相同步電路所允許的同步窗口（50 Hz±3 Hz）內(nèi)時(shí)，從UPS的逆變器所輸出的逆變器電源與市電電源保持鎖相（頻率、相位）同步關(guān)系的同時(shí)，還要確保逆變器電源不會(huì)出現(xiàn)突變現(xiàn)象。當(dāng)市電電源的頻率超過UPS的鎖相同步電路所允許的同步窗口時(shí)，逆變器電源將不再跟蹤市電電源，將回到UPS電源的本機(jī)振蕩頻率50 Hz。對于目前的絕大多數(shù)UPS來說，當(dāng)它處于本機(jī)振蕩工作狀態(tài)時(shí)，其穩(wěn)頻精度可達(dá)50 Hz±0.1%以上。

3.2 自動(dòng)保護(hù)功能

為確保UPS的逆變器和電池組等關(guān)鍵部件不至因偶然操作失誤而損壞，需在UPS電源中設(shè)置各種自動(dòng)保護(hù)電路。萬一UPS中的某些元件損壞后，應(yīng)通過自動(dòng)關(guān)機(jī)操作來防止故障的進(jìn)一步擴(kuò)大。對于配置在UPS中的自動(dòng)保護(hù)電路的數(shù)量和品種，各生產(chǎn)廠家因設(shè)計(jì)不同而各有差異。然而，無論UPS電源如何設(shè)計(jì)，其中有兩種自動(dòng)保護(hù)電路必不可少。

（1）UPS逆變器輸出過載或短路的自動(dòng)保護(hù)。

對于小型UPS電源，當(dāng)遇到負(fù)載端出現(xiàn)嚴(yán)重過載甚至短路時(shí)，這個(gè)保護(hù)電路將會(huì)立即將UPS的逆變器電源置于自動(dòng)關(guān)機(jī)狀態(tài)。以防止位于逆變器電源中的晶體管、MOS管或IGBT管等功率放大元件被燒毀。與此同時(shí)，為確保對用戶負(fù)載的連續(xù)供電，控制電路還將在完成上述操作的同時(shí)，讓UPS電源做一次從逆變器供電→市電交流電源供電的切換操作。

（2）電池電壓過低自動(dòng)保護(hù)。

當(dāng)UPS電源遇到市電電源故障或市電供電中斷時(shí)，蓄電池組將立即承擔(dān)起向逆變器提供直流電源的工作。隨著市電故障時(shí)間的延長，電池組的端電壓將逐漸下降。當(dāng)電池組的端電壓下降到電池電壓過低閥值電平時(shí)，為防止電池因過度放電而損壞，UPS將通過此保護(hù)電路將逆變器置于立即關(guān)機(jī)狀態(tài)，從而達(dá)到停止電池放電的目的。

4 UPS電源的使用與維護(hù)

（1）嚴(yán)禁超負(fù)載使用及過度放電，以免造成逆變器和電池的永久損壞。

（2）對于經(jīng)常不停電的用戶，應(yīng)每月人為停電一次，對UPS放電。若發(fā)現(xiàn)蓄電池放電時(shí)電量下降過快或充電時(shí)電量上升太慢，應(yīng)及時(shí)更換蓄電池。

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

（4）當(dāng)市電品質(zhì)較差時(shí)，UPS電源的供電方式會(huì)不斷地頻繁切換，此時(shí)應(yīng)適量調(diào)低UPS電源的靈敏度。

（5）執(zhí)行每日例行的巡視檢查：“看”UPS面板各指示燈是否正常；“聽”有無異常聲響；“聞”是否有焦糊氣味。

（6）保持UPS運(yùn)行在20 ℃～25 ℃潔凈、干燥的工作環(huán)境中，確保空氣過濾網(wǎng)及散熱裝置無阻塞且運(yùn)行正常。

5 結(jié)語

UPS的使用為我臺節(jié)傳機(jī)房數(shù)字接收機(jī)、音頻四選一、網(wǎng)管數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等關(guān)鍵設(shè)備高穩(wěn)定、不間斷地運(yùn)行提供了可靠的電源保障，極大地減少和避免了因電源故障引起的停播事故。因此，深入了解和科學(xué)使用、維護(hù)好UPS對我們的安全播出工作有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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