廣播電視發(fā)射系統(tǒng)中UPS電源的運用及故障處理

羅立言

【摘要】廣播電視發(fā)射系統(tǒng)是由大量硬件設(shè)備構(gòu)成的大型信號處理與發(fā)射系統(tǒng)，為了完成廣播電視信號的發(fā)射，保障設(shè)備正常工作，需要采用相應(yīng)技術(shù)措施進行保障，其中UPS電源保障系統(tǒng)是非常重要的一種措施。本文結(jié)合廣播電視行業(yè)的特點，分析了幾種常見的UPS產(chǎn)品的特點，并對一些典型的故障現(xiàn)象進行了分析及處理，希望可以為廣播電視發(fā)射系統(tǒng)的運營維護人員提供一些新的思路。

【關(guān)鍵詞】廣播電視;發(fā)射系統(tǒng);UPS電源;故障處理

中圖分類號：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.09.009

隨著信息時代的到來，各種計算機機房的建設(shè)規(guī)模不斷擴大，對機房設(shè)備運行的穩(wěn)定性也越來越高。對于機房而言，除了設(shè)備本身的性能外，其穩(wěn)定性和連續(xù)性主要受到供電的影響。對于許多信息化系統(tǒng)而言，設(shè)備是絕對不允許斷電的，例如政務(wù)系統(tǒng)、交通指揮系統(tǒng)、應(yīng)急管理系統(tǒng)、廣播電視系統(tǒng)等等，這些系統(tǒng)一旦停止供電，將會造成難以估量的經(jīng)濟損失，還可能造成十分惡劣的社會影響。為此，如何保障重要機房設(shè)備的連續(xù)供電，即使在市電斷開的情況下也能保證設(shè)備繼續(xù)運行，成為近年行業(yè)內(nèi)研究的熱點課題。隨著技術(shù)的進步，各種技術(shù)手段被運用到機房設(shè)備管理中來，其中UPS就是機房最為重要的設(shè)備之一，通過UPS來保障計算機設(shè)備連續(xù)工作也是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的手段之一。

1. UPS概述

UPS（Uninterruptible Power System）又稱為不間斷電源，它可以對能量進行定時間的存儲，并在需要的時候為外部設(shè)備進行供電，UPS可以理解為一組大容量的電池。與一般電池組的原理相似，UPS內(nèi)部含有儲能裝置，其核心組成部分是逆變器，可以為外部設(shè)備輸出恒壓恒頻的不間斷電源。不僅可以用于單臺計算機的供電，還可以用于計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、電力電子設(shè)備等提供不間斷的電力供應(yīng)。

當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時，理論上是不需要UPS也可以保障負載正常運行的，但UPS的引入將可以改善供電質(zhì)量，因為市電壓通過UPS穩(wěn)壓后供應(yīng)給負載使用，使輸出的電能質(zhì)量更高。實際上，性能好的UPS本身就是一個性能優(yōu)異的交流穩(wěn)壓器能夠大大改善電源供電質(zhì)量。在外部市電正常時，UPS一邊進行穩(wěn)壓，一邊對機內(nèi)的電池進行充電，儲存后備能源。當(dāng)電網(wǎng)電壓異常或斷電時，UPS內(nèi)部傳感器會立刻感應(yīng)到內(nèi)容電源的斷開，于是立即控制逆變器將電池的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能維持對負載的供電。從外部市電供電到UPS供電，整個過程中是在瞬間完成的，在電網(wǎng)供電之間自行切換，無需人工干預(yù)，確保對負載的不間斷供電。當(dāng)然，根據(jù)設(shè)備的精密程度，其可承受的切換時間也是不一樣的，需要根據(jù)實際應(yīng)用場景進行分析。

2. 常見UPS及其特點分析

根據(jù)UPS不間斷電源工作方式的不同，將UPS分為后備式UPS、在線式UPS電源和互動式UPS電源，并對其基本結(jié)構(gòu)和工作原理進行分析。

2.1 后備式UPS

后備式UPS電源為用戶提供了兩路市場通道，其功能是不同的。在市電正常供電的情況下，其中一路市電通過整流器對蓄電池進行充電，而另一路市電通過自動穩(wěn)壓器初步穩(wěn)壓吸收部分電網(wǎng)干擾后，再由旁路轉(zhuǎn)換開關(guān)直接提供給用戶。后備式UPS的電路原理圖如圖1所示。

如圖1，當(dāng)市電正常時，充電器對蓄電池進行充電和浮充電，逆變器不工作;當(dāng)市電中斷或異常時，由它將蓄電池供給的直流電轉(zhuǎn)變成負荷負載要求的交流電，保證負載在一段時間內(nèi)仍可繼續(xù)工作。對于轉(zhuǎn)換一關(guān)，在市電正常的情況下，輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)接通輸入電源向負載供電，反之，輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)會斷開市電回路并立即切換到逆變器，通過逆變器對負載繼續(xù)供電。通過智能調(diào)壓電路能夠調(diào)節(jié)并穩(wěn)定輸出電壓。

2.2 在線式UPS

所謂在線式UPS，是相對于后備式UPS而言的，它不是在市電異常時再介入，而是不管市電是否正常都會參與供電。在在線式UPS中，市電和用電設(shè)備是隔離的，市電不會直接供電給用電設(shè)備，而是由UPS先將市電轉(zhuǎn)換成直流電，再兵分兩路：其中一路轉(zhuǎn)回交流電為負載供電，另一路則對蓄電池進行充電或浮充電。在線式UPS的電路原理圖如圖2所示。

從電路結(jié)構(gòu)分析可知，在線式UP的逆變器一直處于工作狀態(tài)，將市電交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡D(zhuǎn)換為高質(zhì)量的正弦波交流電輸出給負載。在外部供電正常時，在線式UPS的不僅可以提供穩(wěn)壓功能，而言可以有效防止電波干擾。在市電停電的情況下，備用直流電源驅(qū)動逆變器為負載提供交流電。

2.3 互動式UPS

雖然在線式UPS的優(yōu)點是明顯的，但由于在線式UPS的逆變器一直處于工作狀態(tài)，在市電供電正常時需要進行一次電能變換和反變換，實際上這是多余的，白白浪費了效率。而互動式UPS則改進了這一缺點?；邮経PS電源中有一個是雙向的，既可以當(dāng)逆變器使用，又可以作為充電器。互動式UPS不間斷電源是根據(jù)輸入市電情況通過升降壓或逆變時調(diào)整電壓輸出?；邮経PS不間斷電源由于沒有經(jīng)過兩次變換，其效率明顯高于在線式UPS，最高可以達到95%以上。

3. UPS在廣播電視發(fā)射系統(tǒng)中的應(yīng)用

廣播電視發(fā)射系統(tǒng)是廣播電視臺的核心技術(shù)設(shè)體系，它承載著廣播電視節(jié)目發(fā)射的重任。在廣播電視發(fā)射機內(nèi)將音頻信號或視頻信號調(diào)制到高頻載波上，經(jīng)放大后由饋線送往天線，以無線電波的形式輻射出去，從而把廣播電視節(jié)目傳送到千家萬戶。以上整個過程都是由廣播電視發(fā)射臺來完成的，其結(jié)構(gòu)主要包括發(fā)射機和天線、饋線系統(tǒng)等部分。在廣播電視發(fā)射系統(tǒng)中，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會導(dǎo)致播出事故的發(fā)生，因此對整個系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備工作穩(wěn)定性和持續(xù)性有非常高的要求，必須確保整個發(fā)射過程中的參與設(shè)備均正常工作。也正是這樣，廣播電視發(fā)射系統(tǒng)的機房中都會配備合適的UPS，以確保所有設(shè)備的正常電力供應(yīng)。在應(yīng)用過程中需要注意以下問題：

3.1 考慮負載大小及特性

UPS額定輸出功率是標(biāo)志該產(chǎn)品能驅(qū)動多大功率負載的重要參數(shù)，它隨負載功率因數(shù)的變化而變化，為了延長UPS的使用壽命，UPS不宜長期處于滿載狀態(tài)下運行。后備式UPS一般選取額定功率的60%～70%的負載量，在線式UPS一般選取額定功率的70%～80%的負載量。同時UPS盡量不要長期處于過度輕載狀態(tài)下運行。

3.2 做好防感應(yīng)雷害工作

雷擊是所有電器的天敵，一定要注意保證UPS的有效屏蔽和接地保護。雷害會因電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生感應(yīng)高電位脈沖。這些高電位脈沖沿著電源線或通信線進入UPS，而UPS中采用了大量的CMOS集成電路模塊和控制用的CPU等微電子器件，它們對雷電的電磁脈沖非常敏感，因此很容易被擊壞，但我們的UPS具備有效屏蔽和良好保護接地措施，但用戶也要做好電源線和通信線（例如遠端監(jiān)控信號線）的防雷過壓保護。

3.3 注意使用維護與保養(yǎng)

使用UPS電源時，應(yīng)務(wù)必遵守產(chǎn)品說明書或使用手冊中的有關(guān)規(guī)定，保證所接的火線、零線、地線符合要求，用戶不得隨意改變其相互的順序。嚴(yán)格按照正確的開機、關(guān)機順序進行操作。避免因負載突然加載或突然減載時，UPS電源的電壓輸出波動大，而使UPS電源無法正常工作。嚴(yán)禁頻繁地關(guān)閉和開啟UPS電源、禁止超負載使用，對于長期無停電的UPS，應(yīng)當(dāng)每隔3～6個月對電池放電，然后重新充電。這樣才能延長電池的使用壽命。對于長期存放的UPS，應(yīng)當(dāng)每隔3～6個月對UPS開機使用和充電，否則UPS主機和電池都會損壞。定期對UPS電源進行維護工作。清除機內(nèi)的積塵，測量蓄電池組的電壓，檢查風(fēng)扇運轉(zhuǎn)情況及檢測調(diào)節(jié)UPS的系統(tǒng)參數(shù)等。

3.4 電池管理

在每個功率模塊內(nèi)部設(shè)置專門的充電整流器，可靠性高，無高頻雜波，避免高頻波對電池壽命的影響;避免電池在充電時過熱，延長了電池的使用壽命。用戶可通過監(jiān)控顯示屏對電池管理參數(shù)進行設(shè)置，系統(tǒng)會根據(jù)用戶設(shè)置和電池組實際狀態(tài)對電池進行智能管理。在電池充電時，需要注意以下幾點：電池充電模式采用浮充、均充，由用戶進行選擇。自動控制電池均浮充，系統(tǒng)可根據(jù)電池工作狀態(tài)自動進行均浮充轉(zhuǎn)換，電池浮充時，當(dāng)充電電流高于所設(shè)定的自動均浮充轉(zhuǎn)換電流值，系統(tǒng)由浮充轉(zhuǎn)為均充;電池均充時，當(dāng)充電電流低于自動轉(zhuǎn)換的臨界值并持續(xù)穩(wěn)定三個小時后，系統(tǒng)由均充轉(zhuǎn)為浮充。電池均充電，首先是恒流過程，在該階段，充電電流一直逼近于設(shè)置限流值，電池電壓則隨著時間逐步升高。其次是恒壓過程，在該階段，充電電壓已逼近限定充電電壓，充電電流則逐漸減小，在該階段說明電池已接近飽和狀態(tài)。

4. UPS常見故障分析及處理

UPS作為一種復(fù)雜的高科技產(chǎn)品，其故障類型和現(xiàn)象是多種多樣的，本文難以窮舉。筆者根據(jù)多年的工作經(jīng)驗，對一些UPS的典型故障進行分析并給出處理建議。

4.1 市電欠壓

某廣播電視機房的一臺UPS設(shè)備在外部市電欠壓，有可能是輸入欠壓，排查思路為：

檢查交流輸入空開是否處于閉合狀態(tài)，檢查交流輸入空開上端三相電壓是否正常

檢查UPS交流接線端子上端三相電壓是否正常，檢查UPS交流接線端子下端三相電壓是否正常，如果出現(xiàn)異常，可以判定為輸入異常。

4.2 直流異常、直流過壓、直流欠壓

比較常見的故障，排查思路為檢查系統(tǒng)監(jiān)控總攬屏直流電壓是否正常，檢查直流正負空開是否閉合，檢查直流正負接線端子上端電壓是否正常，檢查直流正負接線端子下端電壓是否正常。

4.3 蓄電池充電故障

若判定為蓄電池或充電電路故障，檢查思路：首先對充電電路輸入輸出電壓進行測量，如果輸入正常但輸出異常，可推斷出是充電電路故障。如果輸出都沒有異常，那可能是由于蓄電池長期未充電、過放或已到壽命期等原因所致。

4.4 功放晶體管頻繁燒壞

某廣播電視機房的某型UPS逆變器一對功放晶體管損壞，更換同型號晶體管后，不久又燒壞，反復(fù)換了幾次均是被燒壞。根據(jù)電路基本原理，元器件燒壞通常是過流所致，因此功放晶體管頻繁燒壞的原因分析就變成了UPS過流的原因分析。根據(jù)以往經(jīng)驗，UPS過流主要有：

過流保護失效。當(dāng)逆變器輸出發(fā)生過電流時，過流保護電路不起作用;脈寬調(diào)制故障，輸出的兩路互補波形不對稱，一個導(dǎo)通時間長，而另一個導(dǎo)通時間短，使兩臂工作不平衡，甚至兩臂同時導(dǎo)通，造成兩管損壞;功率管參數(shù)相差較大，此時即使輸入對稱波形，輸出也會不對稱，該波形經(jīng)輸出變壓器，造成偏磁，即磁通不平衡，積累下去導(dǎo)致變壓器飽和而電流驟增，燒壞功率管，而一只燒壞，另一只也隨之燒壞。

4.5 不能正常開機

某型UPS在開啟后，顯示面板上沒有給出任何提示信息，且UPS始終未進入正常工作狀態(tài)。從以上現(xiàn)象來看，其故障可以在市電輸入、蓄電池和市電檢測部分及蓄電池電壓檢測回路，排查思路為：首先檢查市電輸入保險絲是否燒毀，如果保險絲完好，檢查蓄電池保險是否燒毀，如果市電檢測電路正常，再檢查蓄電池電壓檢測電路是否正常。根據(jù)UPS的一般默認(rèn)設(shè)置，如果市電檢測電路異常，那么UPS就會自動關(guān)閉所有輸出及顯示。

4.6 無法自動切換工作狀態(tài)

某廣播電視機房的某型UPS在市電供電正常時逆變器工作指示燈閃爍，蜂鳴器發(fā)出間斷叫聲。經(jīng)進一步觀察發(fā)現(xiàn)，UPS當(dāng)時工作在逆變狀態(tài)，而且無法轉(zhuǎn)換到市電工作狀態(tài)。根據(jù)以上現(xiàn)象，不能進行逆變供電向市電供電轉(zhuǎn)換，說明逆變供電向市電供電轉(zhuǎn)換部分出現(xiàn)了故障，分析思路：確認(rèn)市電輸入保險絲是否損壞，如果無損壞，檢查市電整流濾波電路輸出是否正常，如果正常則繼續(xù)檢查市電檢測電路是否正常，如果正常，再檢查逆變供電向市電供電轉(zhuǎn)換控制輸出是否正常。找到故障原因后相應(yīng)進行維修即可。

4.7 蓄電池保險絲熔斷

某廣播電視機房有一臺后備式UPS，該設(shè)備如果負載接近滿載時，市電供電正常，而蓄電池供電時蓄電池保險絲熔斷。根據(jù)物理學(xué)原理，保險絲熔斷顯然是由于電流過大導(dǎo)致的。此時需要依次檢查逆變器是否擊穿、蓄電池電壓是否過低、保險絲產(chǎn)品是否達標(biāo)。

5. 結(jié)語

UPS屬于高科技產(chǎn)品，其技術(shù)水平仍在不斷提高，未來的UPS產(chǎn)品無論是在功能還是性能方面都將全面超越當(dāng)前水平，這為廣播電視發(fā)射系統(tǒng)的運維保障提供了很好的條件，也預(yù)示了UPS廣闊的應(yīng)用前景。本文對UPS的一些典型故障進行分析，可以為相關(guān)故障的排查提供參考，具有一定的現(xiàn)實意義。

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