在線式UPS的故障分析

摘 要：本文結合實際工作中UPS的故障，主要分析UPS工作運行方式以及系統常見故障，通過分析判斷同時與現場實際維修相結合對此次故障的原因進行定性的分析。

關鍵詞：UPS 工作原理 故障分析

中圖分類號：TM13 文獻標識碼：A文章編號：1674-098x(2011)04(b)-0061-01

UPS(不間斷電源)是一種含有蓄電池，整流、逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻電源，主要服務于計算機、網絡系統或其它精密電力電子設備中，在保護計算機數據，改善電網質量，防止停電和電網污染對用戶造成危害等方面起著很重要的作用。UPS不間斷電源已經成為保護重要設備必需的配套產品。本文通過空分Y4、Y5UPS故障，分析了UPS的工作方式、故障類型，從而詳細的得出故障的根本原因。

1 事故經過

2008年9月20日，工藝反映二空分工藝氮壓機和新液化冰機跳車，空壓站Y4、Y5后臺機失電，經檢查發現B6變UPS失電，UPS內部整流逆變電源及自動旁路電源開關均處于脫扣跳閘狀態，低壓盤UPS主電源及輔助電源開關均處于脫扣跳閘狀態。內部電容崩燒，旁路接觸器K2觸點粘連。

2 UPS故障分析

可以將UPS需要保護動作的故障分為兩大類：一類是外部故障，指UPS正常運行過程中因市電出現故障或者負載短路等原因導致UPS需要做相應切換保護處理的故障。另一類是內部故障，是由硬件元器件失效、控制器失效或者功能潛在缺陷導致的故障。

2.1 外部故障

(1)輸入過欠壓或者缺相。市電輸入電壓幅值異常是在UPS運行過程中遇到的最頻繁的外部故障。市電故障將引起整流電路無法獲取足夠的功率輸入，其外在表現有兩點:第一，直流母線電容電壓下跌；第二，輸出電壓下跌。需要立即轉換為電池供電，保證負載功率的連續。(2)輸入電壓頻率異常。對整流部分的功率獲取而言，頻率對其沒有任何影響，但影響了系統的同步控制，若超出鎖相范圍后不作相應處理，當逆變器出現故障時系統無法切換到旁路，并且輸出頻率不穩定影響了高精度用電設備的可靠運行。(3)輸入相序錯誤。常見于系統初次上電接線有誤或者市電故障后另接入一路市電或發電機的情況下。將導致逆變輸出與市電各相不同步，無法切換至旁路運行。(4)輸出過載。輸出功率過大，不但開關器件流過電流較大，發熱比較嚴重，主回路功率通道上器件失效可能性也加大，威脅系統安全。這是一種可能引起內部故障的外在故障。需要及時限制住輸出電流，一段時間內故障未解除應切換至旁路運行。外在表現為：過大的功率需求導致升壓部分硬件限流，母線電容電壓下跌；輸出電流過大；對于系統等效輸出阻抗較大的系統輸出電壓會有一定幅度的下跌。⑤輸出短路。一種比較嚴重的過載，常由用戶誤操作引起。短時較大的沖擊性負載與此雷同。這種故障會使開關器件短時發熱嚴重炸毀，電流電壓變化嚴重損壞緩沖電路。外在表現為輸出電壓很低幾乎為零，輸出電流瞬間很大。

2.2 內部故障

①開關器件短路。開關短路通常由于外部負載過載短路沖擊原因引起，也可能因驅動不正常使得逆變器橋臂直通引起。UPS單相半橋逆變原理電路圖如圖1。UPS長期運行，開關器件短路出現幾率較大，后果非常嚴重。假設只有橋臂一個功率管Q1先短路，無論是MOS管T1短路、反并聯二極管短路或者都短路結果是一樣的。若此時電感電流方向為正，則T2施加脈沖時間內正常。當T2施加驅動，橋臂立即直通，母線電壓瞬間下跌到零，T1損壞。若T2短路，將直流母線短接，最終T1T2某個會開路，假設T2開路，三相輸入保險F燒斷母線電壓降為零，輸出電壓為零。若T2開路但輸入保險F未炸毀而母線電壓回升，則橋臂輸出電壓恒為Ed/2，電感迅速飽和，輸出為Ed/2的直流電壓，電感電流超出限流值，導致保護動作。若故障時電感電流方向為負現象基本同上，下管Q2短路情況類似。但通常情況下輸入保險F會炸毀，逆變無輸出

(2)開關器件開路。開關管開路也能外部負載過載短路沖擊原因引起，也可能因驅動通道故障而器件上沒有得到驅動所致。假設模塊運行時MOS管T1出現開路時電感電流方向為正，則為維持電感電流不變，不管故障發生時D2為何種狀態都立即通過電流，因T1管再也無法導通，D2管將電感電流續流到零。直到當電感電流反向時T2導通，電感電流增加，T2截至，電感電流通過D1續流。因開關頻率較高，故故障發生至電感電流反相增加，其大小基本為零。電感電流反相時T2與D1輪流導通，電感電流恢復正常；若MOS管T1出現開路時電感電流方向為負，因此時T2與D1輪流導通，不影響輸出及電感電流。直到電感電流反相輪到T1工作時T1無法導通，其電感電流表現情況同上面相似。下管故障的情況也類似。

以上是開路MOS管反并聯的二極管未損壞的狀況，下面分析T1與D1全部同時開路的情況若故障發生在T1和D2輪流導通時，因T1無法再導通，D1迅速將電流續流到零。這時當T2導通，電感電流反向從零增大，一旦T2驅動變低時，因D1開路，電感電流無續流回路，電感上電壓急劇增加，擊穿Q2泄放能量。若Q2被擊穿成短路，則半橋一個均壓電容電壓直接加在輸出濾波器上，電感迅速飽和，輸出為Ed/2的直流電壓，電感電流超出限流值，導致保護動作。若Q2被擊穿成開路則上下管均完全開路，以后因無輸入能量故一直保持為零不變；若故障發生在T2和D1輪流導通時，故障瞬間電感電流無續流通路電感上產生巨大反壓擊穿Q2管，Q2管被擊穿成開路與短路的情況與上面相同。下管Q2開路故障情況與上類似。由以上分析可見，開路時外在表現就是可能導致電感電流有半個周波或整個周波為零，還有可能導致輸出電感飽和，電感電流達到限流值而保護關機。

2.3 旁路故障

旁路故障可能為旁路可控硅過溫或者可控硅損壞使得旁路輸出電壓異常。通常是逆變過載轉旁路后負載功率仍然很大導致的，繼而可能損壞旁路雙向可控硅導致輸出的異常。旁路驅動電路失效也會使旁路輸出異常。

3 結語

由上述故障分析可以知道，UPS故障的原因是多方面的，每一種不穩定因素均可以導致一連串的連鎖反映，只針對此UPS故障的主要原因還是元器件由于使用年限超長，元件老化，使得性能和穩定性大幅下降，同時由于市電電壓、等各種因素的影響，導致整流部分一晶閘管被擊穿，失去整流作用，并使整流輸出中疊加交流分量，導致電容失效，濾波性能降低，存在交流分量，與IGBT逆變管的驅動信號耦合，造成逆變管導通時間加長，輸出能量升高，反向電動勢升高，使得電容爆炸和逆變部分損壞，當系統檢測到整流橋臂短路，逆變部分沒有輸出時，切換到靜態旁路，由于此時頻率、相位、幅度不同步，這就會在交流旁路電源和逆變器輸出間形成“環流”，環流的發生就相當于在兩種電源間產生局部短路，這也就是為什么旁路接觸器K2觸點粘連的原因，由于有短路故障，旁路電源開關脫扣跳閘，最終使得UPS沒有輸出。

參考文獻

[1]王其英，何春華.UPS不間斷電源剖析與應用[M]．北京:科學出版社，2006.

[2]侯振義，王義明.UPS電路分析與維修[M]．北京:科學出版社，2001.

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