在線式UPS在廣電發(fā)射臺(tái)的應(yīng)用

許 偉紀(jì)宏利

1.2.十堰市四方山廣播電視發(fā)射臺(tái) 湖北省 十堰市442000

引 言

在線式UPS在發(fā)射臺(tái)中不僅可以為發(fā)射控制設(shè)備和信號(hào)源設(shè)備等前端設(shè)備提供高質(zhì)量的不間斷電源，隨著技術(shù)的發(fā)展，大功率在線式UPS還可以在市電停電時(shí)，為廣播電視發(fā)射機(jī)提供不間斷電源，這為發(fā)射臺(tái)站在市電停電時(shí)進(jìn)行外電倒換或啟動(dòng)自備電源贏得時(shí)間，避免了由于市電斷電而造成的節(jié)目停播，減少停播率。進(jìn)一步保障了廣播電視節(jié)目的安全優(yōu)質(zhì)和不間斷播出。

1 在線式UPS的工作原理

UPS（Uninterrupted Power Supply）又稱不間斷電源，它通常被置于市電電網(wǎng)和用電負(fù)載之間，其目的是改善對(duì)負(fù)載的供電質(zhì)量，并在市電故障時(shí)，保證負(fù)載設(shè)備的正常運(yùn)行。

UPS按其結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理可分為三類：在線式UPS、在線互動(dòng)式UPS和被動(dòng)后背式UPS，其中在線式UPS是UPS電源的主流產(chǎn)品。

在線式UPS的工作原理如圖1所示，逆變器串聯(lián)連接在交流輸入與負(fù)載之間。市電正常時(shí)，市電經(jīng)過(guò)濾波整流之后，一路經(jīng)充電器向電池充電，另一路通過(guò)逆變器向負(fù)載正常供電；當(dāng)市電停電時(shí)，由電池經(jīng)逆變器向負(fù)載供電，無(wú)轉(zhuǎn)換時(shí)間。

當(dāng)逆變器發(fā)生異常時(shí)，UPS自動(dòng)切換到靜態(tài)旁路，反應(yīng)快速的靜態(tài)開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)供電不中斷。在UPS設(shè)備出現(xiàn)故障，需要維修時(shí)，使用其維修旁路，維修旁路需按照一定的操作流程開(kāi)啟，不可隨便開(kāi)啟。

2 設(shè)計(jì)在線式UPS注意事項(xiàng)和方法

在設(shè)計(jì)UPS時(shí)，需要考慮兩個(gè)問(wèn)題，一是要從負(fù)載的大小及特性考慮，設(shè)計(jì)UPS的額定輸出功率，二是要考慮在斷電時(shí)UPS可以工作的時(shí)長(zhǎng)。

我們知道由電源供給負(fù)載的電功率有兩種：一種是有功功率，另一種是無(wú)功功率。UPS所提供的有功功率和無(wú)功功率的關(guān)系可以用輸出功率因數(shù)來(lái)表示。UPS的輸出功率因數(shù)一般為0.8。而每個(gè)負(fù)載的功率因數(shù)是不同的，只有當(dāng)多個(gè)負(fù)載的總功率因數(shù)和UPS的功率因數(shù)匹配時(shí)，UPS的輸出功率才能達(dá)到100%，如果負(fù)載的實(shí)際功率因數(shù)大于UPS設(shè)定的功率因數(shù)時(shí)，實(shí)際帶載能力由它最大的用功功率輸出能力確定。由于感性負(fù)載在啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流是正常工作時(shí)的3～5倍，所以對(duì)于絕大多數(shù)UPS電源而言，一般將其負(fù)載控制在30～70%額定輸出功率范圍內(nèi)。

圖1 UPS電源工作原理圖

斷電時(shí)UPS能夠提供多長(zhǎng)時(shí)間的工作時(shí)長(zhǎng)，首先要計(jì)算它的理論值，理論上，UPS的工作時(shí)長(zhǎng)=蓄電池組容量×輸出電壓/實(shí)際負(fù)載功率。由于電池在實(shí)際工作中放電時(shí)間與放電電流、環(huán)境溫度、負(fù)載類型、放電速率、電池容量、電池使用年限等多因素相關(guān)。所以實(shí)際UPS工作時(shí)長(zhǎng)與理論時(shí)長(zhǎng)有所不同，需綜合考慮各方面因數(shù)。

由于當(dāng)電池放電至某個(gè)電壓值后，產(chǎn)生的電壓急劇下降，如果繼續(xù)放電，對(duì)電池的損害相當(dāng)大，而且此時(shí)實(shí)際所獲得的能量也非常小，所以必須設(shè)定放電終止電壓。電池的實(shí)際容量還和放電速率，溫度等有關(guān)。放電電流越大，計(jì)算出電池的容量就越小。溫度過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)影響電池容量，且電池容量隨著使用年限的增加而減小。

在實(shí)際應(yīng)用中，已知負(fù)載大小時(shí)，可以利用電池特性曲線來(lái)估算放電時(shí)間，從而估算出UPS的工作時(shí)長(zhǎng)。

1.先通過(guò)公式估算出UPS系統(tǒng)蓄電池平均放電電流：蓄電池平均放電電流≈負(fù)載功率P/（NE×η）（N為電池個(gè)數(shù)）（公式一），其中蓄電池組平均放電電壓E可取蓄電池組標(biāo)稱電壓與放電終止電壓的中間值。η為UPS逆變器效率。

2.通過(guò)電池平均放電電流，再算出放電速率，放電速率=放電電流÷蓄電池標(biāo)稱容量（公式二），通過(guò)查閱電池在特定溫度下（一般工作在25℃）放電特性曲線圖表，如圖2所示，即可估算出相應(yīng)的放電時(shí)間。

3.如果考慮在不同地區(qū)不同溫度的放電時(shí)間，在算出放電速率的前提下，利用電池放電容量與環(huán)境溫度的關(guān)系曲線圖，如圖3所示，估計(jì)出在不同溫度下電池容量百分比，再利用公式：蓄電池放電時(shí)間=蓄電池放電容量/蓄電池平均放電電流（公式三），計(jì)算蓄電池放電時(shí)間。

4.如果考慮電池使用年限，一般根據(jù)電池保養(yǎng)情況，電池容量隨使用年限會(huì)有10%～20%的減少（三年內(nèi)），年限越久，電池容量減少越大，這個(gè)要根據(jù)實(shí)際情況考慮。

當(dāng)電池柜使用多塊蓄電池組時(shí)，需要考慮蓄電池組的串并聯(lián)關(guān)系。例如，兩塊相同規(guī)格的電池組串聯(lián)，輸出電壓增加一倍，電池容量不變。兩塊相同規(guī)格的電池組并聯(lián)，輸出電壓不變，電池容量增加一倍。電池兩種形式連接所容納的功是一樣多的，W（功）=P（功率）×T（時(shí)間）=U（電壓）×I（電流）×T（時(shí)間）

3 我發(fā)射臺(tái)UPS的設(shè)計(jì)和選型

圖2某品牌電池放電特性曲線

圖3某品牌電池放電容量與環(huán)境的關(guān)系曲線

本臺(tái)在用的重點(diǎn)設(shè)備主要為三臺(tái)數(shù)字電視發(fā)射機(jī)、三臺(tái)調(diào)頻廣播、信號(hào)源設(shè)備、控制設(shè)備、監(jiān)控通信設(shè)備等，供電總負(fù)載約23KW，考慮到后續(xù)可能增加部分負(fù)載，我們選定UPS功率為60KVA，輸出功率因數(shù)0.8，則輸出額定功率=60×0.8=48KW，負(fù)載百分比=23KW÷48KW≈50%。符合理論要求。

根據(jù)我臺(tái)實(shí)際情況，考慮蓄電池后備時(shí)間至少需滿足1小時(shí)以 上，我 們 選 用2組384V、100AH蓄電池串聯(lián)。其中每組蓄電池由32塊單體電壓為12V的蓄電池串聯(lián)組成，所以每組電池的輸出電壓為±384V。

十堰地區(qū)冬季最低溫度一般是-5℃，使用上述的估算法，可以估算在蓄電池工作三年后，極端工作溫度-5℃時(shí)的放電時(shí)間。單塊電池的標(biāo)稱電壓12V，設(shè)定終止電壓為10.8V，使用電池三年后，電池容量為總?cè)萘康?0%，逆變器工作效率η為0.95，負(fù)載為23KW，則對(duì)于串聯(lián)電池組，由公式一，可以計(jì)算放電電流I=23KW/{［（12+10.8）/2］×2×32×0.95}=33.18A，由公式二，可以計(jì)算放電速率=33.18/100=0.33C，參考圖三，-5℃電池容量百分比約等于50%，則電池 容 量=100×80%×50%=40AH，由公式三可知，蓄電池放電時(shí)間=40/33.18=1.20H。滿足我們持續(xù)工作1小時(shí)的最低要求。

在實(shí)際使用上，我臺(tái)選定使用的某品牌UPS如圖4所示，總共由3個(gè)機(jī)柜組成，分別是交流電源機(jī)柜，模塊化不間斷電源機(jī)柜和電池柜。

交流電源柜主要由輸入配電和輸出配電兩部分組成，輸出配電可根據(jù)用戶需求定制，我們根據(jù)實(shí)際需要，總共分出12路輸出，其中6路為380V交流輸出，6路220V交流輸出。

模塊化不間斷電源機(jī)柜，主要是包括系統(tǒng)配電、防雷器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)、系統(tǒng)監(jiān)控器和功率模塊。

其中功率模塊是在線式UPS的核心，它完成整流和逆變的過(guò)程，我臺(tái)的60KAV的UPS，共分為3個(gè)功率模塊，每個(gè)輸出功率為20KVA，并聯(lián)工作，在負(fù)載不大的情況下，即使有一個(gè)模塊損壞，整機(jī)也能正常工作。

電池柜由2組蓄電池組串聯(lián)組成。每組蓄電池由32塊單體電壓為12V的電池串聯(lián)組成，蓄電池的容量為100AH。電池的充電模式為系統(tǒng)自動(dòng)控制電池均充、浮充。

4 在線式UPS在發(fā)射臺(tái)站中的應(yīng)用

如圖5所示，我臺(tái)接有2路外電和1路柴油機(jī)發(fā)電機(jī)作為自備電源。但2路外電無(wú)高壓自動(dòng)倒換裝置。在一路外電斷電時(shí)，需通過(guò)2路外電的手動(dòng)倒換高低壓來(lái)恢復(fù)供電。而當(dāng)2路外電均斷電時(shí)，則需要啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)來(lái)供電。這兩種情況下手動(dòng)恢復(fù)供電均需要一定操作時(shí)間，大約10～30分鐘。因此每一次停電都會(huì)造成一次臺(tái)外停播事故，更不要說(shuō)保重要時(shí)段、重要節(jié)目的安全播出。

圖4 UPS機(jī)柜組成示意圖

在我臺(tái)UPS電源的應(yīng)用中，配電柜引出一路電源接入U(xiǎn)PS輸入端，我臺(tái)重點(diǎn)設(shè)備如信號(hào)源、控制監(jiān)控設(shè)備和發(fā)射機(jī)，都與UPS的輸出相連，在市電斷電時(shí)，由在線式UPS給重點(diǎn)設(shè)備供電，至少可以保證重點(diǎn)設(shè)備連續(xù)工作1小時(shí)，填補(bǔ)了停電時(shí)手動(dòng)倒換電的時(shí)間空擋，完全可以做到在UPS供電和外電倒換、自備電啟動(dòng)三者之間時(shí)間無(wú)縫連接，切實(shí)保證不因電源停電問(wèn)題造成廣播電視節(jié)目播出中斷。

實(shí)際上，在廣電發(fā)射臺(tái)，部分臺(tái)站可能存在沒(méi)有兩路外電，只有如柴油發(fā)電機(jī)自備電源；或者是有兩路外電，但沒(méi)有做到雙回路供電；再或是有兩路外電，但沒(méi)有外電高壓自動(dòng)倒換、低壓自動(dòng)倒換設(shè)備等多種情況。在線式大功率UPS在市電斷電時(shí)給設(shè)備提供必要的供電時(shí)間，能夠保證工作人員有時(shí)間進(jìn)行相關(guān)電源的倒換操作。

圖5我發(fā)射臺(tái)供配電系統(tǒng)

5 UPS的維護(hù)和保養(yǎng)

UPS電源的使用環(huán)境為清潔、干燥，溫度不能太高，在20℃～25℃為宜，做好UPS的接地保護(hù)，定期查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并要及時(shí)清除機(jī)器中的灰塵。重點(diǎn)是做好對(duì)電池的維護(hù)，對(duì)長(zhǎng)期無(wú)停電的UPS，應(yīng)當(dāng)每隔3～6個(gè)月人為斷電一次，讓UPS電源的蓄電池放電一段時(shí)間，維持電池良好的充放電特性。尤其在斷開(kāi)市電的放電狀態(tài)下，要注意電池組和單塊電池的電壓測(cè)量。

結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于廣電發(fā)射臺(tái)，一般都建在城市海拔高地，自然災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，外電停電或不可避免，為了應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況，在供配電系統(tǒng)中接入大功率在線式UPS，既可以不間斷為重要設(shè)備供電，還可以避免市電電源的電源浪涌、電源干擾及諧波失真等問(wèn)題對(duì)設(shè)備造成的危害。當(dāng)然，在線式UPS主要是為外電源或自備電源的倒換提供操作時(shí)間，一般不需要UPS蓄電池過(guò)長(zhǎng)時(shí)間供電。我臺(tái)使用大功率在線式UPS的近三年來(lái)，有效減少了臺(tái)外停播率，設(shè)備工作穩(wěn)定，收到良好效果。