UPS系統原理及其在西安地鐵的應用

劉丹

摘 要：UPS不間斷電源作為一種電源保護設備，主要由逆變器構成，具有儲能作用，輸出有穩壓恒頻特性。該設備常被用來解決電力的斷電、低電壓、高電壓、突波等問題。UPS電源系統相關技術正不斷完善，其良好的發展也給迅速發展的信息工業帶來了更加可靠的技術保障與更好的支持。

關鍵詞：UPS；逆變器；整流器；充電模塊；靜態旁路；維修旁路

中圖分類號：TN86 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）26-0165-02

Abstract： UPS as a kind of power supply protection equipment， is mainly composed of inverters， and plays a role in energy storage， with constant frequency characteristics in its outputting voltage. The equipment is often used to solve the power outage， low voltage， high voltage， surge and other problems. The related technology of UPS power supply system is being improved constantly， and its good development also brings more reliable technical support and better support to the rapidly developing information industry.

Keywords： UPS； inverter； rectifier； charging module； static bypass； maintenance bypass

UPS（Uninterruptible Power Supply/Uninterruptible Pow

er Supply），也就是不間斷塊電源，作為一種可把直流電變為市電的系統設備，主要通過連接蓄電池（多為鉛酸免維護蓄電池）和主機，并選取主機逆變器及其他模電路進行轉換。UPS設備不僅可以保護電壓過高現象，而且也可以對過低電壓進行保護，信息應用的不斷發展該設備的重要意義也不斷提高。

1 UPS的分類

（1）后備式UPS。大多數基本類型的備份電源采用離線式或后備式技術，如1圖表示。如果市電供給交流電源，它直接通過UPS傳輸到所連接的負載。電池充電器把輸入的交流電轉換成直流電，維持電池充電。如果市電故障，逆變器將電池的直流電轉換成交流電供給負載。逆變器在大多數時間里運行在后備方式，充電器僅保持電池充電狀態的功率。一旦市電出現超出規定范圍的變化，逆變器從空載到100%負載供電，時間在幾毫秒之內，逆變器從電池獲得電能，直到電池耗盡。這種技術通常稱為“單重轉換”，因為在任何的給出點，電源僅轉換一次。

（2）在線式UPS。在線互動式UPS技術提供相近水平的保護。同離線式技術有點相似，在線互動式產品采用變壓器或電感器串聯在市電電源和負載之間，如圖2所示。這種串聯式電感器提供一定程度的電壓調節，使UPS逆變器能夠同輸入電源“相互作用”（互動式名稱的由來）。在多數情況下，這種“雙向的”轉換器是恒定的電壓裝置，它用改變輸出相位角去調節負載的變化，由于相位角不能夠快速變化，需要電池提供功率差，這會導致電池壽命的減少。在線互動式產品的另一個限制是如果不由電池供電運行，它不能完全地使輸入電源隔離負載。公用電源的干擾、頻率上的干擾和其它電源的異常情況可能直接傳送到關鍵負載上，因為它不是完全的電氣隔離。

2 UPS的組成

UPS由整流模塊，逆變器、蓄電池、靜態開關等部件組成。

作為整流器而言，它的主要作用有兩個：第一個是把交流電轉換為直流電，通過濾波處理后獲取的穩定直流電，并將該直流電提供給負載，具體應用比如：把充電電壓給蓄電池，把充電電壓提供給逆變器等；第二個作用是進行檢波。由以上可知，整流的目的不止轉換為直流，還有其他目的。

逆變器作為一種電子設備，主要作用是把低壓直流電轉換成交流電。

電子式靜態轉換開關和雙向晶閘管的組合器件，通過它的作用連接一對反向并聯的快速晶閘管，其主要作用是UPS進行市電旁路供電到逆變器供電的切換，或者反方向切換。因為接通快速晶閘管所需時間是微秒級的，所以，當采用該技術的時候，就可以在零轉換時間內進行負載的持續供電作用。靜態開關構成包括電子控制切換電路，該電路是用于把負載與逆變器輸出相連或者是經靜態旁路與旁路電源相連。

3 UPS工作原理

交流市電電源可以把輸入有整流器變成直流電源。逆變器的作用是把直流電源以及源于電池的直流電源變成交流電，并將它供給負載。如果市電發生中斷，那么電池會經過逆變器作用為負載進行供電。除此以外，市電電源也可經靜態旁路供電給負載。如果要保養維護UPS，那么需要把負載狀態轉換為維修旁路供電，此時負載電源持續供應，具體如圖3所示。

4 UPS的基本操作和基本維護

4.1 UPS開關機步驟及注意事項

（1）正常模式開機步驟（適用UPS處于完全斷電）。通過閉合輸入開關為UPS提供市電，將電池開關閉合，然后整流器開始工作，其指示燈顯示綠色，并且呈現閃爍狀態，正常工作大概30S以后，指示燈綠色不再閃爍，呈現穩態常亮狀態（整流器、旁路、輸出指示燈為綠色；電池、逆變指示燈不亮；狀態指示燈為黃色），持續按INVERTER ON鍵約2S。逆變器開始工作，逆變器指示燈顯示綠色，并且呈現閃爍狀態。當逆變器開始正常工作以后，UPS的狀態由旁路供電狀態轉換為逆變器供電狀態，此時旁路指示燈不亮，逆變器以及輸出指示燈是亮的狀態。（2）正常模式到到電池模式的切換。關閉外部電源，將市電斷開，此時的UPS工作在電池模式。如果想把UPS轉換到正常模式，那么要等幾秒，然后把外部電源關閉。再一次進行市電供電。經過10S以后，整流器開始自動工作，逆變器重新恢復供電。（3）正常模式與旁路模式之間的切換。當UPS工作于正常模式的時候，如果將INVERTER OFF鍵按下，那么可以進入旁路模式。相反的，如果按下的是INVERTER ON鍵，那么就會使逆變器到進入正常模式。（4）正常模式到維修旁路模式的切換。以下幾個問題需要注意：a.如果主機工作于逆變器供電模式，那么千萬不能手動轉換到維修旁路模式！b.在進行旁路的手動操作轉換前，一定要對逆變器狀態進行確定；每一步都要按規定逐步進行，不能太著急，每一步完成以后的5-10秒鐘一定要觀察一下機器的狀態，只有狀態穩定后才能進一步操作！第一個需要進行檢查的是旁路，保證它的正常狀態，持續按INVERTER OFF鍵2S以上。然后，把逆變器關閉，將UPS變成靜態旁路的供電模式。這個時候，逆變器指示燈為熄滅狀態，顏色呈現黃色，蜂鳴器發生告警，負載轉換成靜態旁路模式（將SILENCEON/OFF按下⑤開關實現告警消音）維修開關狀態由OFF切換到ON。將市電輸入、電池開關以及UPS輸出都關閉，然后把UPS轉換到維修旁路模式。（5）緊急停機步驟。如果發生緊急狀況，可以通過對EPO開關進行操作，把UPS關閉。經系統操作，把整流器、逆變器關閉，然后第一時間終止負載的供電，同時，停止電池的充電或放電。（6）UPS復位步驟。如果EPO或者逆變器的溫度比較高，或者因為電池過壓、過多的切換次數以及其他原因使UPS關機，可以依據顯示屏有的提示信息，選取相關的措施弄清故障，然后按下FAULT CLEAR鍵，將系統的狀態轉換出緊急關機狀態。等到整流器完成啟動以后，持續按INVERTER ON鍵2S以上。

4.2 UPS現場安全操作注意事項

（1）進行操作前，首先應獲取設備管理人員的同意，并進行配合。（2）相關UPS執行操作人員，需要經過一定的UPS知識培訓。（3）必須對操作提供安全工具，包括護目鏡，絕緣手套，絕緣工具等。（4）無論執行的是什么操作，都一定要保證有關部件不帶電。

5 UPS的基本常見故障的分析和處理

（1）UPS整流器故障。原因：因為電壓穩定性不好，使UPS整流器因為異常導致退出，UPS自行轉換到靜態旁路模式。依照故障表現，使維修旁路開始工作，然后將UPS市電輸入、輸出關機關閉，重新啟動UPS，就可以解決故障。（2）綜合監控的UPS報警，查看屏幕顯示電池未接入，無電池資料。依照故障呈現狀態，可能因為某節電池發生損壞，或者接線存在問題，檢查電池的表面有沒有發生破裂，極柱處是否存在異物。為了解決故障，第一步是使用萬用表對市電輸入以及輸出進行測量，數據正常，對電池的總電壓進行測量，無數值顯示，可以看到電池輸入沒有問題，但是輸出不存在，因此可以確定問題出現在電池間接線，所以將電池空開，并用萬用表進行分段測量，前16塊電池一測后16塊一測一步步減小范圍查出故障點，最終恢復設備狀態。

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