淺談電站中UPS電源的原理及維護(hù)

王艷

摘要： 本文介紹了UPS技術(shù)的工作原理，以及其在實際運行過程中的維護(hù)、管理和具體應(yīng)用，并指出運行中應(yīng)注意的事項。

Abstract： This paper introduces the working principle of UPS technology， and its maintenance， management and application in the actual operation process， and points out matters needing attention in the operation.

關(guān)鍵詞： 不間斷電源系統(tǒng)；蓄電池；維護(hù)；注意事項

Key words： uninterruptible power supply system；storage battery；maintenance；matters needing attention

中圖分類號：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）09-0103-03

0 引言

“UPS”是英文“Uninterrupted Power Supply”的縮寫，它的含義是“不間斷電源系統(tǒng)”。指的是一旦發(fā)生停電或掉電事故，UPS電源幾乎可以毫無斷點的繼續(xù)向原有負(fù)載供電，保證設(shè)備正常穩(wěn)定運行。如今，隨著信息化、自動化等技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機(jī)在各種場合得到了廣泛應(yīng)用，對控制系統(tǒng)供電的質(zhì)量也提出了越來越嚴(yán)格的要求。在此情況下，UPS電源的出現(xiàn)滿足了計算機(jī)等設(shè)備對電源質(zhì)量要求比較高的需要，可以保證計算機(jī)等設(shè)備不丟失信息和數(shù)據(jù)，保證它們的安全，從而保證了重要設(shè)備的正常穩(wěn)定運行。UPS系統(tǒng)在廣播發(fā)射臺變電站中主要用于電站自動化系統(tǒng)、信號電源、電氣保護(hù)和電器變送器等。

1 UPS電源的工作原理

目前，隨著電能需求的不斷增加，電力系統(tǒng)不斷升級更新，對電力設(shè)備運行狀態(tài)的穩(wěn)定性和安全性的要求越來越嚴(yán)格。這就需要不斷完善和提高電力系統(tǒng)的自動化水平。為了使該系統(tǒng)中計算機(jī)、RTU、變送器等設(shè)備安全穩(wěn)定的運行，就需要有UPS電源作保障，它具有良好的穩(wěn)壓功能，當(dāng)外電瞬間中斷或停電時，UPS電源自動將蓄電池儲存的直流電逆變?yōu)榻涣麟娎^續(xù)向負(fù)載供電。

1.1 UPS電源的組成及工作原理

UPS電源系統(tǒng)包括整流器、變換器、儲能電池和開關(guān)控制四部分。

1.1.1 整流器

在此系統(tǒng)中，整流器完成穩(wěn)壓功能。它采用可控硅或高頻開關(guān)整流器，可根據(jù)外電變化自動控制輸出幅度。

1.1.2 外電的變化

外電變化時，整流電壓的輸出幅度能維持一個基本穩(wěn)定的狀態(tài)，不會大幅度上下波動。變換器變換頻率主要取決于其振蕩頻率。

1.1.3 儲能電池完成凈化功能

整流器在工作狀態(tài)下會干擾瞬時脈沖，電壓經(jīng)整流后并不能使這種脈沖干擾徹底消除。儲能電池儲存直流電能，就相當(dāng)于為整流器連接了一個大容量電容器，使得電容兩側(cè)電壓無法突變。這其實運用了電容器對脈沖的平滑特性規(guī)避了脈沖干擾，對蓄電池進(jìn)行了凈化。

1.1.4 開關(guān)控制

開關(guān)控制主要用于完成UPS電源系統(tǒng)的日常操作與維護(hù)。當(dāng)外電正常時，給負(fù)載供電，同時給儲能電池充電；當(dāng)外電中斷時，UPS電源開始工作，由儲能電池給負(fù)載供電；當(dāng)負(fù)載嚴(yán)重過載時，由外電經(jīng)整流直接給負(fù)載供電。

1.2 UPS電源的分類

根據(jù)其工作方式的不同可分為后備式、在線式和在線互動式三大類。

①后備式UPS電源工作原理：它相當(dāng)于一臺穩(wěn)壓器。當(dāng)外電正常時，外電通過交流旁路通道直接送至負(fù)載。此時，UPS電源上的逆變器不工作，只有在外電中斷，才由蓄電池將儲存的直流電經(jīng)逆變器變?yōu)榻涣麟姾笙蜇?fù)載供電。由于沒有降噪和降低干擾的措施，這種UPS供給的電源輸出電壓不穩(wěn)定，因而最好不要用于精密負(fù)載及電網(wǎng)較差的地區(qū)。它的特點是結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、轉(zhuǎn)換時間較長。

②在線式UPS電源工作原理：當(dāng)外電正常時，它首先將交流電變?yōu)橹绷麟?，然后進(jìn)行脈寬調(diào)制、濾波，再將直流電重新變成交流電向負(fù)載供電，并同時給蓄電池充電。一旦外電中斷，立即改為蓄電池經(jīng)逆變器對負(fù)載供電，從而保證了負(fù)載的正常工作。因此，在線式UPS輸出的是與外電完全隔離的純凈的正弦波電源，大幅度的改善了供電質(zhì)量。

③在線互動式UPS電源工作原理：它是一種介于后備式和在線式工作方式之間的UPS電源。當(dāng)外電在規(guī)定電壓范圍內(nèi)時，不做調(diào)節(jié)直接輸出至用電設(shè)備，如同一臺后備式UPS電源；當(dāng)外電高于或低于正常范圍時，啟動升壓或降壓功能，但不使用蓄電池供電，直到外電過低、過高而不可調(diào)節(jié)或外電停電時，才使用蓄電池供電。這種UPS電源轉(zhuǎn)換時間非常短，交流輸出電壓穩(wěn)定性好。但由于其穩(wěn)頻特性不理想的缺陷，因而不宜作為長延時的UPS電源使用。

1.3 UPS電源蓄電池的配置

目前在UPS不間斷電源中，廣泛使用蓄電池作為儲存電能的裝置，作為UPS電源重要組成部分的蓄電池，在實際應(yīng)用中我們常常要花費大量時間進(jìn)行維護(hù)，因此對蓄電池的性能、參數(shù)及維護(hù)等有關(guān)信息的了解就顯得尤為重要。蓄電池需要先用直流電源對其充電，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而儲存起來；當(dāng)市電供應(yīng)中斷時，UPS電源將依靠儲存在蓄電池中的能量維持其逆變器的正常工作；此時，蓄電池通過放電將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能提供給負(fù)荷使用，因此蓄電池是一種可逆電池。目前無需維護(hù)的密封式鉛酸蓄電池被廣泛應(yīng)用。

在使用過程中，停電后UPS是依靠電池儲能供電給予負(fù)載，標(biāo)準(zhǔn)性UPS本身機(jī)內(nèi)自帶電池，在停電后一般持續(xù)10-15分鐘不等，而長效型UPS配有外置電池組，可以滿足用戶長時間停電時繼續(xù)供電需要，一般長效型UPS滿載配置時間可達(dá)3-5小時。

目前在UPS電源中所用的小型鉛酸電池的典型容量規(guī)格為：12V，6AH/20HR。它表明該電池輸出電壓為12V。其標(biāo)稱容量為6安時，這一指標(biāo)是指把該電池組置于以20小時的速率的條件下進(jìn)行放電，一直放到電池組輸出電壓為10.5V時，所測量得到的總安培小時數(shù)來計量的。NP型小型密封鉛酸電池的放電特性見圖2所示。圖中的符號“C”代表蓄電池放電速率。蓄電池以“1C"的速率放電，就意味著該蓄電池的放電電流以相當(dāng)于該蓄電池的額定容量的絕對值來放電。從圖2可以看出，電池的放電電流越小，電池輸出電壓相對穩(wěn)定的狀態(tài)維持時間越長。放電電流越大，電池輸出電壓相對穩(wěn)定的狀態(tài)維持的時間就越短。例如：對24AH/20HR電池組，當(dāng)放電電流為1.2A時，其輸出電壓可在長達(dá)5小時的時間內(nèi)維持在12V以上。超過這一限度，會增大電池的輸出電壓損耗，導(dǎo)致其過度放電，進(jìn)而縮短其使用壽命。在日常使用中，電池放電電流大于2C時，電池就無法穩(wěn)定可靠的供電，接通負(fù)載時，其輸出電壓會急劇的大幅度下降。因此，要延長電池壽命，就必須嚴(yán)格限制電池在工作狀態(tài)下大電流放電。從上面分析可以看到，蓄電池可供利用的容量（安時數(shù)）與電池組放電電流密切相關(guān)。

實踐還發(fā)現(xiàn)，對于特定的電池來說，其實際可供利用的容量不僅與其放電電流有關(guān)，環(huán)境溫度也是一個重要的因素。

因此，對于UPS電源必須工作在低溫條件下的用戶來講，在配置蓄電池時，必須考慮到這個因素。這里有兩條可供選擇的技術(shù)途徑：

①增加UPS電源中所配置的蓄電池組的標(biāo)稱容量值。

②選擇耐寒性的AHH型蓄電池。否則，當(dāng)市電供電中斷時，UPS電源能支持微機(jī)負(fù)載的實際工作時間將明顯低于UPS所配置蓄電池的標(biāo)稱值。

所以暫時不用的蓄電池應(yīng)該存儲在低溫、干燥的環(huán)境，在高溫潮濕的環(huán)境下儲存蓄電池必然會大大降低其實際可供用戶使用的安時數(shù)。

當(dāng)蓄電池被過度放電到輸出電壓為零，以及電池被置于長時間的短路或長時間的開路時，都會導(dǎo)致電池內(nèi)部具有絕緣性質(zhì)的硫酸鉛大量吸附在電池陰極表面，降低電池陰極的導(dǎo)電性能。電池內(nèi)阻會隨著附著在陰極板上的硫酸鹽的增多而逐漸增大，繼而導(dǎo)致電池充放電性能逐漸劣化。鑒于此，如果蓄電池長期閑置，應(yīng)該在其閑置期內(nèi)定期充放電一次進(jìn)行保養(yǎng)，以使之保持標(biāo)準(zhǔn)電容量，維持存放電功能。如果蓄電池長期處于供電狀態(tài)，也應(yīng)該在其運行過程中斷電一次，讓UPS電源中的蓄電池代替其放電，后加上市電重新充電，以維持蓄電池的標(biāo)準(zhǔn)電容量，延長其服務(wù)年限。

最后必須指出的一點是：密封免維護(hù)的電池，其服務(wù)年限與蓄電池的放電深度有關(guān)。放電深度，即蓄電池工作狀態(tài)下放出的安時數(shù)，在其標(biāo)稱容量中所占的百分比。按照常規(guī)，當(dāng)電池放電深度達(dá)到100%時，其充放電循環(huán)次數(shù)約為200次，最多不超過250次。若放電深度降低50%，其可循環(huán)放電500多次。假設(shè)將電池放電深度為30%，那么，代理詞可循環(huán)放電1200多次。因此，在日常使用期間，應(yīng)盡量避免電池長時間深度放電，否則會縮短其使用壽命。

2 UPS電源的維護(hù)

做好維護(hù)工作對于UPS電源的使用壽命起著重要的作用。因此，在使用過程中，應(yīng)注意以下幾點：

①對于UPS電源主機(jī)的維護(hù)以防塵除塵為主。有的地區(qū)氣候干燥，空氣中懸浮的灰塵量較大，機(jī)身內(nèi)部會落入大量灰塵，無法良好的散熱。若是在潮濕空氣環(huán)境中運行，主機(jī)控制系統(tǒng)可能紊亂，并發(fā)出警告提示。因此，要根據(jù)實際情況定期除塵。此外，在清理灰塵時，應(yīng)重點查看卡槽和連接件的連接是否可靠、牢固。

②當(dāng)UPS電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，應(yīng)準(zhǔn)確查明原因，分清是負(fù)載還是UPS電源的問題，是主機(jī)還是電池組的問題，從而采取相應(yīng)措施解決問題。

③對蓄電池的維護(hù)是整個UPS電源系統(tǒng)中維護(hù)的關(guān)鍵。蓄電池的維護(hù)繁瑣而復(fù)雜，維護(hù)時應(yīng)注意以下幾點：

1）蓄電池不要處于深度過放電狀態(tài)。首先要端正一個認(rèn)識：UPS電源容量與其工作狀態(tài)是否穩(wěn)定沒有直接關(guān)系，并不是說大容量的UPS電源工作更穩(wěn)定。如果電源長期處于輕載運行，會增加UPS電源內(nèi)部蓄電池失效的可能性。

2）如果蓄電池長期處于只充電不放電的狀態(tài)，將會加速蓄電池老化，所以，每隔3—4個月，應(yīng)進(jìn)行中斷外電，讓UPS電源放電一段時間，以此激活蓄電池，達(dá)到恢復(fù)其容量的目的。

3）對于長期不用的UPS電源，在重新使用前，最好先不要帶負(fù)載，讓UPS電源利用機(jī)內(nèi)的充電回路對蓄電池浮沖，10-20小時后再接入負(fù)載。對于長期不用的UPS電源應(yīng)當(dāng)定期投用，對電池組進(jìn)行充放電。蓄電池進(jìn)行大容量放電后應(yīng)及時再充電，間隔時間不應(yīng)超過24小時。

4）正常運行狀態(tài)下，蓄電池應(yīng)該保持浮充運行狀態(tài)，即最佳運行狀態(tài)。浮充時，電池是滿電荷狀態(tài)，不會對其工作壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

5）應(yīng)定期檢查電池極柱是否腐蝕、松動，擰緊松動的元件，嚴(yán)重的可考慮更換新元件。保證蓄電池處于恒溫環(huán)境，避免忽冷忽熱，對于延長蓄電池的使用壽命起著重要作用。

3 其它注意事項

①環(huán)境對于UPS電源的影響：應(yīng)在干燥清潔且通風(fēng)良好的地方安裝UPS電源，環(huán)境溫度宜控制17℃～25℃之間。

②輸出功率的控制：UPS電源的輸出功率不得超過額定功率的80%，過大過小都可能產(chǎn)生不利影響，比如功率過大容易造成UPS電源過載，功率過小會影響正常供電。因此，UPS電源在選型時最好應(yīng)以實際負(fù)載量的60%-70%為其額定容量。

③不宜帶感性負(fù)載：負(fù)載種類非常多，比如整流器負(fù)載、感性負(fù)載、容性負(fù)載、電阻性負(fù)載等等。當(dāng)UPS電源感性負(fù)載運行時，電能輸出最大功率只能達(dá)到額定功率的50%，輸出功率不足，因此，對于電感性很大的負(fù)載絕對不允許接到UPS電源上。

4 小結(jié)

電力系統(tǒng)作為廣播電臺的“血脈”，是確保正常播出的首要條件。UPS電源系統(tǒng)對于電力設(shè)備的正常穩(wěn)定運行也起著舉足輕重的作用。

因此，掌握好UPS電源的工作原理，做好UPS電源的維護(hù)工作顯得尤為重要。電力系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，會嚴(yán)重影響廣播電視的正常播出，從2004年發(fā)展至今，我臺的電視播控系統(tǒng)從最初的模擬播控逐步升級換代到如今的數(shù)字化播控系統(tǒng)，而電視播控機(jī)房配置的主備2臺線式UPS也在我臺對外播送自辦電視節(jié)目的過程中，連續(xù)6年穩(wěn)定而持續(xù)地提供著電力保障，并且在電視播控機(jī)房UPS日常運行維護(hù)方面積累了許多技術(shù)經(jīng)驗。電站中UPS電源的出現(xiàn)滿足了相關(guān)設(shè)備對電源質(zhì)量要求比較高的需要，不僅保證了它們的安全，而且保證了重要設(shè)備的正常穩(wěn)定運行。

參考文獻(xiàn)：

[1]靳建水，王衛(wèi)華，趙慶云.基于S7-1200的計量控制系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].化工自動化及儀表，2012（08）.

[2]林思岐，姜久春，時瑋，張維戈，賈容達(dá).多功能電池管理系統(tǒng)及其使用平臺[J].電源技術(shù)，2012（05）.

[3]張穎超，楊貴恒，常思浩，徐國家，等著.UPS原理與維修[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2011-03-02.

[4]曹保國主編.UPS應(yīng)用技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2007-01-01.