淺談電站中UPS電源的原理及維護

王艷

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

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.

關鍵詞： 不間斷電源系統；蓄電池；維護；注意事項

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

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：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”。指的是一旦發生停電或掉電事故，UPS電源幾乎可以毫無斷點的繼續向原有負載供電，保證設備正常穩定運行。如今，隨著信息化、自動化等技術的迅猛發展，計算機在各種場合得到了廣泛應用，對控制系統供電的質量也提出了越來越嚴格的要求。在此情況下，UPS電源的出現滿足了計算機等設備對電源質量要求比較高的需要，可以保證計算機等設備不丟失信息和數據，保證它們的安全，從而保證了重要設備的正常穩定運行。UPS系統在廣播發射臺變電站中主要用于電站自動化系統、信號電源、電氣保護和電器變送器等。

1 UPS電源的工作原理

目前，隨著電能需求的不斷增加，電力系統不斷升級更新，對電力設備運行狀態的穩定性和安全性的要求越來越嚴格。這就需要不斷完善和提高電力系統的自動化水平。為了使該系統中計算機、RTU、變送器等設備安全穩定的運行，就需要有UPS電源作保障，它具有良好的穩壓功能，當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為交流電繼續向負載供電。

1.1 UPS電源的組成及工作原理

UPS電源系統包括整流器、變換器、儲能電池和開關控制四部分。

1.1.1 整流器

在此系統中，整流器完成穩壓功能。它采用可控硅或高頻開關整流器，可根據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定的狀態，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

整流器在工作狀態下會干擾瞬時脈沖，電壓經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，就相當于為整流器連接了一個大容量電容器，使得電容兩側電壓無法突變。這其實運用了電容器對脈沖的平滑特性規避了脈沖干擾，對蓄電池進行了凈化。

1.1.4 開關控制

開關控制主要用于完成UPS電源系統的日常操作與維護。當外電正常時，給負載供電，同時給儲能電池充電；當外電中斷時，UPS電源開始工作，由儲能電池給負載供電；當負載嚴重過載時，由外電經整流直接給負載供電。

1.2 UPS電源的分類

根據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：它相當于一臺穩壓器。當外電正常時，外電通過交流旁路通道直接送至負載。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逆變器變為交流電后向負載供電。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定，因而最好不要用于精密負載及電網較差的地區。它的特點是結構簡單、成本較低、轉換時間較長。

②在線式UPS電源工作原理：當外電正常時，它首先將交流電變為直流電，然后進行脈寬調制、濾波，再將直流電重新變成交流電向負載供電，并同時給蓄電池充電。一旦外電中斷，立即改為蓄電池經逆變器對負載供電，從而保證了負載的正常工作。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。當外電在規定電壓范圍內時，不做調節直接輸出至用電設備，如同一臺后備式UPS電源；當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、過高而不可調節或外電停電時，才使用蓄電池供電。這種UPS電源轉換時間非常短，交流輸出電壓穩定性好。但由于其穩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，在實際應用中我們常常要花費大量時間進行維護，因此對蓄電池的性能、參數及維護等有關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，將電能轉化為化學能而儲存起來；當市電供應中斷時，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能轉化為電能提供給負荷使用，因此蓄電池是一種可逆電池。目前無需維護的密封式鉛酸蓄電池被廣泛應用。

在使用過程中，停電后UPS是依靠電池儲能供電給予負載，標準性UPS本身機內自帶電池，在停電后一般持續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供電需要，一般長效型UPS滿載配置時間可達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格為：12V，6AH/20HR。它表明該電池輸出電壓為12V。其標稱容量為6安時，這一指標是指把該電池組置于以20小時的速率的條件下進行放電，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定的狀態維持時間越長。放電電流越大，電池輸出電壓相對穩定的狀態維持的時間就越短。例如：對24AH/20HR電池組，當放電電流為1.2A時，其輸出電壓可在長達5小時的時間內維持在12V以上。超過這一限度，會增大電池的輸出電壓損耗，導致其過度放電，進而縮短其使用壽命。在日常使用中，電池放電電流大于2C時，電池就無法穩定可靠的供電，接通負載時，其輸出電壓會急劇的大幅度下降。因此，要延長電池壽命，就必須嚴格限制電池在工作狀態下大電流放電。從上面分析可以看到，蓄電池可供利用的容量（安時數）與電池組放電電流密切相關。

實踐還發現，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，環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途徑：

①增加UPS電源中所配置的蓄電池組的標稱容量值。

②選擇耐寒性的AHH型蓄電池。否則，當市電供電中斷時，UPS電源能支持微機負載的實際工作時間將明顯低于UPS所配置蓄電池的標稱值。

所以暫時不用的蓄電池應該存儲在低溫、干燥的環境，在高溫潮濕的環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。

當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，都會導致電池內部具有絕緣性質的硫酸鉛大量吸附在電池陰極表面，降低電池陰極的導電性能。電池內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，應該在其閑置期內定期充放電一次進行保養，以使之保持標準電容量，維持存放電功能。如果蓄電池長期處于供電狀態，也應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，以維持蓄電池的標準電容量，延長其服務年限。

最后必須指出的一點是：密封免維護的電池，其服務年限與蓄電池的放電深度有關。放電深度，即蓄電池工作狀態下放出的安時數，在其標稱容量中所占的百分比。按照常規，當電池放電深度達到100%時，其充放電循環次數約為200次，最多不超過250次。若放電深度降低50%，其可循環放電500多次。假設將電池放電深度為30%，那么，代理詞可循環放電1200多次。因此，在日常使用期間，應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

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

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

②當UPS電源系統出現故障時，應準確查明原因，分清是負載還是UPS電源的問題，是主機還是電池組的問題，從而采取相應措施解決問題。

③對蓄電池的維護是整個UPS電源系統中維護的關鍵。蓄電池的維護繁瑣而復雜，維護時應注意以下幾點：

1）蓄電池不要處于深度過放電狀態。首先要端正一個認識：UPS電源容量與其工作狀態是否穩定沒有直接關系，并不是說大容量的UPS電源工作更穩定。如果電源長期處于輕載運行，會增加UPS電源內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，將會加速蓄電池老化，所以，每隔3—4個月，應進行中斷外電，讓UPS電源放電一段時間，以此激活蓄電池，達到恢復其容量的目的。

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

4）正常運行狀態下，蓄電池應該保持浮充運行狀態，即最佳運行狀態。浮充時，電池是滿電荷狀態，不會對其工作壽命產生嚴重的影響。

5）應定期檢查電池極柱是否腐蝕、松動，擰緊松動的元件，嚴重的可考慮更換新元件。保證蓄電池處于恒溫環境，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環境對于UPS電源的影響：應在干燥清潔且通風良好的地方安裝UPS電源，環境溫度宜控制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以實際負載量的60%-70%為其額定容量。

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

4 小結

電力系統作為廣播電臺的“血脈”，是確保正常播出的首要條件。UPS電源系統對于電力設備的正常穩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電源的維護工作顯得尤為重要。電力系統一旦出現故障，會嚴重影響廣播電視的正常播出，從2004年發展至今，我臺的電視播控系統從最初的模擬播控逐步升級換代到如今的數字化播控系統，而電視播控機房配置的主備2臺線式UPS也在我臺對外播送自辦電視節目的過程中，連續6年穩定而持續地提供著電力保障，并且在電視播控機房UPS日常運行維護方面積累了許多技術經驗。電站中UPS電源的出現滿足了相關設備對電源質量要求比較高的需要，不僅保證了它們的安全，而且保證了重要設備的正常穩定運行。

參考文獻：

[1]靳建水，王衛華，趙慶云.基于S7-1200的計量控制系統的實現[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.多功能電池管理系統及其使用平臺[J].電源技術，2012（05）.

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

[4]曹保國主編.UPS應用技術[M].化學工業出版社，2007-01-01.