張 輝

(國家新聞出版廣電總局 724臺，陜西 岐山 722400)

0 引言

隨著各種自動化系統(tǒng)在短波廣播發(fā)射臺中的廣泛應(yīng)用，作為自動化系統(tǒng)的重要外設(shè)，UPS電源主要發(fā)揮以下幾個方面的作用：（1）防止外電突然中斷造成的設(shè)備停止工作及數(shù)據(jù)丟失。（2）濾除外電中浪涌、頻偏等電源污染，改善電源質(zhì)量。它主要用于短波廣播發(fā)射機自動化系統(tǒng)，節(jié)目源傳輸系統(tǒng)，為安全傳輸發(fā)射服務(wù)的各類服務(wù)器、工作站當(dāng)中。一個良好穩(wěn)定的UPS電源對于保證廣播電視傳輸?shù)牟婚g斷、高質(zhì)量非常重要。因此，如何科學(xué)合理的配置、使用維護(hù)好UPS電源顯得越來越重要。

1 UPS的構(gòu)成與工作原理

UPS電源主要由以下四部分組成，分別是：整流器、逆變器、蓄電池，旁路開關(guān)，下面分別對以上四部分加以詳述。

整流器：它是一個將市電或發(fā)電機的交流電能轉(zhuǎn)化為直流的裝置。作為一個整流裝置，它的功能主要是：a）將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，濾波后送給逆變器。b）為蓄電池提供充電電壓。

晶閘管整流器：晶閘管整流器輸出容量大，可靠性高，工作頻率低，濾波器體積大，噪聲大，適用于輸入電壓低、功率大的UPS。

二極管與絕緣柵雙極晶體管(IGBT)組合型整流器：二極管+IGBT組合型整流器的工作頻率高，具有功率因數(shù)校正功能，濾波器體積小，噪聲低，可靠性高，適用于中小功率UPS。

逆變器：它是一個將整流后的直流電能轉(zhuǎn)化為電壓和頻率都比較穩(wěn)定的交流電能的裝置，最后提供給負(fù)載。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。其性能的優(yōu)劣直接影響UPS的輸出性能指標(biāo)。IGBT逆變器工作頻率高(20kHz)，濾波器體積小，噪聲低，可靠性高。

旁路開關(guān)：旁路開關(guān)是為提高UPS系統(tǒng)工作的可靠性而設(shè)置的，能承受負(fù)載的瞬時過載或短路。因UPS的逆變器采用電子器件，如IGBT管的過載能力僅為125%，當(dāng)UPS供電系統(tǒng)出現(xiàn)過載或短路故障時，UPS將自動切換到旁路，以保護(hù)UPS的逆變器不會因過載而損壞。UPS供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)入旁路供電后，是由市電直接供給負(fù)載，因市電的系統(tǒng)容量大可提供足夠的時間，使過載或短路回路的斷路器跳閘，待系統(tǒng)切除過載或短路回路后，旁路開關(guān)將自動轉(zhuǎn)換回由逆變器繼續(xù)向其他負(fù)載供電。

1）靜態(tài)旁路開關(guān)：又稱靜止開關(guān)，它是一種無觸點開關(guān)，是用兩個可控硅（SCR）反向并聯(lián)組成的一種交流開關(guān)，其閉合和斷開由邏輯控制器控制。分為轉(zhuǎn)換型和并機型兩種。轉(zhuǎn)換型開關(guān)主要用于兩路電源供電的系統(tǒng)，其作用是實現(xiàn)從一路到另一路的自動切換；并機型開關(guān)主要用于并聯(lián)逆變器與市電或多臺逆變器。所謂電子式靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，是將一對反向并聯(lián)的快速晶閘管連接起來作為UPS在執(zhí)行由市電旁路供電至逆變器供電切換操作時的元件，由于快速晶閘管的接通時間為微秒級，同小型繼電器毫秒級的轉(zhuǎn)換時間相比，它只是小型繼電器的千分之一左右。因此，依靠這種先進(jìn)技術(shù)，可以對負(fù)載實現(xiàn)轉(zhuǎn)換時間為零的不間斷供電。正常工作時，只有逆變器供電回路或交流旁路電源回路之中的一路電源向負(fù)載供電。只有當(dāng)UPS需要執(zhí)行由交流旁路電源供電至逆變器供電切換操作時，才會出現(xiàn)短暫的(約幾毫秒～幾十毫秒)兩路交流電源在時間上重疊向負(fù)載供電的情況。靜態(tài)開關(guān)可以將轉(zhuǎn)換時間縮短到毫秒以下，甚至100μs以內(nèi)，但損耗較大。

2）動態(tài)旁路開關(guān)：動態(tài)開關(guān)為有觸點開關(guān)，由接觸器、斷路器構(gòu)成，靠機械動作完成轉(zhuǎn)換，動態(tài)開關(guān)轉(zhuǎn)換過程會有幾十毫秒的供電中斷，故不能應(yīng)用于重要的負(fù)載場合，現(xiàn)代的UPS已很少采用。

蓄電池：是UPS用來作為儲存電能的裝置，它由若干個電池串聯(lián)而成，其容量大小決定了其維持放電（供電）的時間。其主要功能是：a）當(dāng)市電正常時，將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲存在電池內(nèi)部。b）當(dāng)市電故障時，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能提供給逆變器或負(fù)載。

2 UPS電源的分類

主要包括以下三種：后備式、在線式、在線互動式。

后備式UPS電源：當(dāng)外電供電正常時，先將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再經(jīng)過脈寬調(diào)制、濾波，將直流電重新轉(zhuǎn)變成交流電向負(fù)載供電，期間逆變器不會發(fā)生動作。若外電停止，蓄電池才會啟動供電。

在線式UPS電源：當(dāng)外電供電正常時，先將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再經(jīng)過脈寬調(diào)制、濾波，將直流電重新轉(zhuǎn)變成交流電向負(fù)載供電，同時給蓄電池供電；當(dāng)外電停止，蓄電池啟動對負(fù)載供電，從而保證負(fù)載正常工作。在線式UPS電源輸出的是與電網(wǎng)完全隔離的純凈的正弦波電源，品質(zhì)高，確保負(fù)載可以安全穩(wěn)定工作。

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展以及現(xiàn)代工業(yè)的快速成長，氣體產(chǎn)品種類越來越豐富，氣體工業(yè)加速發(fā)展，加上世界制造業(yè)的調(diào)整，移動式壓力容器的裝備制造中心也正迅速崛起并向中國轉(zhuǎn)移。移動式壓力容器所具有的裝載量大、運輸手段靈活和運輸成本低廉的特點，逐步發(fā)展成為運輸工業(yè)氣體的主力，并在我國國民經(jīng)濟發(fā)展過程中起著重要的作用。移動式壓力容器儲運的介質(zhì)絕大多數(shù)都屬于易燃、易爆等有害液化氣體，如果引發(fā)安全事故，不僅造成財產(chǎn)損失，也容易污染環(huán)境甚至造成人員傷亡，社會影響極其惡劣。

在線互動式UPS電源：是一種介于前兩種工作方式之間的UPS電源，若外電處于規(guī)定的電壓范圍，不作調(diào)整直接供給負(fù)載，若外電數(shù)值不在正常范圍，則開啟升壓或者是降壓，且不用蓄電池，當(dāng)外電極低、極高或停止時，才啟用蓄電池。

3 UPS電源的運行方式

正常運行方式：當(dāng)外電正常供電時，經(jīng)濾波回路后，分為兩個回路同時動作，其一是經(jīng)由充電回路對電池組充電，另一個則是經(jīng)整流回路，作為逆變器的輸入，再經(jīng)過逆變器的轉(zhuǎn)換提供電力給負(fù)載使用；在線式不間斷電源系統(tǒng)的輸出完全由逆變器來供應(yīng)，不論外電品質(zhì)如何，其輸出均是穩(wěn)定而不受任何影響。

電池工作方式：一旦外電發(fā)生異常時，將儲存于電池中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，此時逆變器的輸入改由電池組來供應(yīng)，逆變器持續(xù)提供電力，供給負(fù)載繼續(xù)使用，達(dá)到不間斷供電的功能。不間斷電源系統(tǒng)的電力來源是電池，而電池的容量是有限的，因此不間斷電源系統(tǒng)不會像外電一般無限制的供應(yīng)，所以不論多大容量的不間斷電源系統(tǒng)，在其滿載的狀態(tài)下，其所供電的時間必定有限。

旁路運行方式：當(dāng)在線式UPS電源超載、旁路命令、逆變器過熱或機器故障，UPS電源一般將逆變輸出轉(zhuǎn)為旁路輸出，即由外電直接供電。由于旁路時，UPS電源輸出頻率相位需與外電頻率、相位相同，因而采用鎖相同步技術(shù)確保UPS輸出與外電同步。旁路開關(guān)雙向可控硅并聯(lián)工作方式，解決了旁路切換時間問題，真正做到了不間斷切換，控制電路復(fù)雜，一般應(yīng)用在中大功率UPS電源上。如果在過載時，必須人為減少負(fù)載，否則旁路短路器會自動切斷輸出。

旁路維護(hù)方式：當(dāng)UPS電源進(jìn)行檢修時，通過手動旁路保證負(fù)載設(shè)備的正常供電，當(dāng)維修操作完成后，重新啟動UPS電源，UPS電源轉(zhuǎn)為正常運行。

4 UPS電源的選擇

UPS的帶載能力是選擇UPS時首先要考慮的問題，即需要一個多大容量的UPS，被選中的UPS在各種情況下帶負(fù)載的能力又如何，都是需要認(rèn)真考慮的。UPS的輸出容量不僅與負(fù)載大小有關(guān)，還與負(fù)載的性質(zhì)有關(guān)。合理配置系統(tǒng)容量既可保證UPS的供電質(zhì)量，降低故障率，又可節(jié)省投資，提高經(jīng)濟效益。

4.1 根據(jù)負(fù)載大小選擇系統(tǒng)容量

UPS選型時須注意，不能片面地認(rèn)為UPS的容量越大可靠性就越高。若UPS長期處于輕載運行，雖然有利于降低逆變器的損壞概率，但卻增加了UPS內(nèi)部蓄電池失效的可能性。因為蓄電池的放電電流過小而放電時間偏長，容易造成深度放電，遭永久性損壞。若UPS長期處于重載運行，這樣雖可節(jié)省一部分投資，但由于逆變器處于重載運行，其輸出波形將發(fā)生畸變，輸出電壓幅值抖動過大。這樣既不能為負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)電源，還極易造成UPS逆變器的本級驅(qū)動元件損壞。根據(jù)目前一些UPS廠家推薦，UPS單機按帶載量60%～80%來配置，并機按每臺帶載35%～40%來配置為佳。

另外UPS在選型時還要考慮負(fù)載系統(tǒng)的擴容問題，其預(yù)增加帶載量為20%左右。在首次配置UPS容量時，應(yīng)適當(dāng)考慮中遠(yuǎn)期發(fā)展趨勢，以使中遠(yuǎn)期負(fù)載容量增大時，通過UPS并機擴大其輸出容量。

例如，UPS的實際負(fù)載量為80kVA，則UPS的最小選擇容量可估算為：(80kVA+80kVA×20%)/60%=160kVA

4.2 根據(jù)負(fù)載性質(zhì)選擇系統(tǒng)容量

負(fù)載性質(zhì)一般分為線性負(fù)載和非線性負(fù)載。不同性質(zhì)的負(fù)載有不同的功率因數(shù)和峰值因數(shù)，所以選擇UPS時，必須考慮負(fù)載的性質(zhì)。

大多數(shù)計算機設(shè)備的輸入功率因數(shù)為微容性0.7，而UPS主要針對的負(fù)載正是這些，因此，所有的UPS設(shè)計均需采用輸出功率因數(shù)匹配為0.7～0.8的參數(shù)，從而最大限度地發(fā)揮UPS的帶載能力。在功率因數(shù)匹配的情況下，即計算機負(fù)載的輸入功率因數(shù)為微容性0.7，而UPS標(biāo)定的輸出功率因數(shù)也為0.7時，負(fù)載的VA數(shù)與UPS的VA數(shù)比值為1：1。也就是說1VA容量的UPS在不考慮沖擊、曾容等余量因素時可帶1VA的此類負(fù)載。若功率因數(shù)不匹配，例如電阻負(fù)載，1VA容量的UPS只能帶0.7VA的電阻負(fù)載，否則UPS會出現(xiàn)過載現(xiàn)象。

5 UPS的使用與維護(hù)

5.1 UPS主機的開關(guān)機順序

由于一般負(fù)載在啟動瞬間存在沖擊電流，而UPS內(nèi)部功率元件都有一定的安全工作范圍，過大的沖擊電流會縮短元器件的使用壽命甚至?xí)p壞元器件，所以我們必須嚴(yán)格按照一定先后順序進(jìn)行操作，否則很容易給UPS電源造成內(nèi)傷，嚴(yán)重的話能損壞UPS電源。

正確打開UPS電源的順序應(yīng)該是：先檢查UPS電源的輸入端電源極性與外電供電線路的電源極性連接是否一致，然后再檢查UPS電源輸出端所接負(fù)載的總功率大小是否在UPS電源的額定功率之內(nèi)；滿足了上面的條件后，打開UPS電源控制柜上的電源開關(guān)，來讓市電為UPS內(nèi)的電池組進(jìn)行供電，過一段時間，再將負(fù)載的電源開關(guān)逐一打開，如此一來可以確保負(fù)載電流，不會對UPS電源的內(nèi)部供電線路造成過度沖擊，從而可以有效保證UPS電源不受內(nèi)傷。

正確關(guān)閉UPS電源的順序應(yīng)該是：先將連接到UPS電源輸出端的負(fù)載逐一關(guān)閉掉，之后再將電源控制柜上的電源開關(guān)關(guān)閉掉就可以了，如果長時間不使用UPS電源的話，可以考慮將連接到市電插座上的電源線纜拔掉，以避免雷雨季節(jié)UPS遭遇雷電襲擊，從而引發(fā)雷擊事故。

5.2 蓄電池的維護(hù)

1）環(huán)境溫度：影響蓄電池壽命的重要因素是環(huán)境溫度，一般要求的最佳環(huán)境溫度是在20-25℃之間。雖然溫度的升高對電池放電能力有所提高，但付出的代價卻是電池的壽命大大縮短。據(jù)試驗測定，環(huán)境溫度一旦超過25℃，每升高10℃，電池的壽命就要縮短一半。目前UPS所用的蓄電池一般都是免維護(hù)的，其設(shè)計壽命是在電池生產(chǎn)廠家要求的環(huán)境下才能達(dá)到。達(dá)不到規(guī)定的環(huán)境要求，其壽命的長短就有很大的差異。另外，環(huán)境溫度的提高，會導(dǎo)致電池內(nèi)部化學(xué)活性增強，從而產(chǎn)生大量的熱能，又會反過來促使周圍環(huán)境溫度升高，這種惡性循環(huán)，會加速縮短電池的壽命。

2）定期充電放電：UPS電源中的浮充電壓和放電電壓，在出廠時均已調(diào)試到額定值，而放電電流的大小是隨著負(fù)載的增大而增加的，使用中應(yīng)合理調(diào)節(jié)負(fù)載，比如控制負(fù)載數(shù)量。一般情況下，負(fù)載不宜超過UPS額定負(fù)載的60%。在這個范圍內(nèi)，電池的放電電流就不會出現(xiàn)過度放電。

UPS因長期與市電相連，在供電質(zhì)量高、很少發(fā)生市電停電的使用環(huán)境中，蓄電池會長期處于浮充電狀態(tài)，日久就會導(dǎo)致電池化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的活性降低，加速老化而縮短使用壽命。因此，一般每隔2-3個月應(yīng)完全放電一次，放電時間可根據(jù)蓄電池的容量和負(fù)載大小確定。一次全負(fù)荷放電完畢后，按規(guī)定再充電8小時以上。

3）選用合適的UPS電源充電器：UPS電源用的免維護(hù)密封電池不能用可控硅式的“快速充電器”進(jìn)行充電。這是因為這種充電器會造成蓄電池同時處于既“瞬時過流充電”又“瞬時過壓充電的惡劣充電狀態(tài)。這種狀態(tài)會使電池可供使用容量大大下降，嚴(yán)重時會使蓄電池報廢。 在采用恒壓截止型充電回路的UPS電源時，注意不要將電池電壓過低保護(hù)工作點調(diào)得過低，否則，在它充電初期容易產(chǎn)生過流充電。當(dāng)然，最好選用即具有恒流，又有恒壓的充電器對其進(jìn)行充電。

5.3 適宜的工作環(huán)境：

1）保持UPS工作環(huán)境的清潔，否則灰塵會進(jìn)入UPS的控制框中，并直接覆蓋在它的電子線路中，時間一長UPS內(nèi)部的工作電路就會散熱不良，長期以往自然就容易出現(xiàn)故障了。最好將UPS放置在四處通風(fēng)、遠(yuǎn)離灰塵的環(huán)境，這樣可以確保UPS在長時間工作后散熱充分。

2）避免潮濕環(huán)境，UPS內(nèi)部有電子線路，電子線路中的各個元器件在潮濕環(huán)境中長期工作時，其電氣性能會逐步下降，而且還有可能產(chǎn)生漏電現(xiàn)象，引發(fā)火災(zāi)事故。

3）避免UPS處于強磁場包圍之中，也就是說不能將它與具有強磁特性的設(shè)備放置在一起，因為UPS的防磁能力十分有限，如果長時間在強磁場環(huán)境中工作的話，UPS的使用壽命將大大縮短。

6 結(jié)束語

隨著廣電事業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，UPS的使用將越來越廣泛，其重要性也將越來越高，所以，正確選用、合理維護(hù)好UPS十分必要，只有這樣，才能讓它發(fā)揮出更大的作用。