UPS电源设备的原理与使用维护

摘要: 随着计算机技术和通信网络不断发展,对电源系统的保护也提出了更高要求。文章论述了UPS(不间断电源系统) 的原理和性能指标,并从网络设备维护管理工作实践出发,总结了UPS 使用的技巧和维护要点。

　　UPS (UninterruptiblePowerSystem)是一种含有储能装置、以逆变器为主要元件、稳压稳频输出的设备。由于计算机、程控交换机、数据通讯处理系统等对交流供电系统提出了不停电和可靠性要求,为提高网络硬件设备工作的可靠性和可维性, 许多单位在局域网关键节点( 如网管中心) 配备了UPS 电源。UPS供电系统设备型号及系统容量有所不同,但其原理和主要功能基本相同。

　　1 　UPS 电源系统基本工作原理

　　UPS电源系统由4部分组成:整流、储能、变换和开关控制。其系统的稳压功能通常是由整流器完成的,整流器件采用可控硅或高频开关整流器,本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能,从而当外电发生变化时(该变化应满足系统要求),UPS输出幅度基本不变的整流电压。净化功能由储能电池来完成,由于整流器不能消除瞬时脉冲干扰,整流后的电压仍存在干扰脉冲。储能电池除可存储直流电能的功能外,对整流器来说就象一只大容器,其等效电容与储能电池容量大小成正比。由于电容两端的电压不能突变,即利用了电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干扰,起到了净化功能,也称对干扰的屏蔽。频率的稳定则由变换器来完成,频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度。为方便UPS 电源系统的日常操作与维护,设计了系统工作开关,主机自检故障后的自动旁路开关,检修旁路开关等开关控制。

　　如图1 所示,电网电压正常时UPS 给负载供电,同时给储能电池充电;当突发停电时,由储能电池供给负载所需电源,维持正常的生产(如粗黑线所示) ;当由于生产需要负载严重过载时,由电网电压经整流直接给负载供电(如虚线所示) 。

图1 　UPS 给负载供电示意图

　　1. 1 　电源工作原理

　　(1) AC - DC 变换:将电网来的交流电经自耦变压器降压、全波整流、滤波变为直流电压,供给逆变电路。AC - DC 输入有软启动电路,可避免开机时对电网的冲击。

　　(2) DC - AC 逆变电路:采用大功率IGB T 模块全桥逆变电路,具有很大的功率富余量,在输出动态范围内输出阻抗特别小,具有快速响应特性。由于采用高频调制限流技术和快速短路保护技术,使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路,均可安全可靠地工作。

　　(3) 控制驱动:控制驱动是完成整机功能控制的核心,它除了提供检测、保护、同步以及各种开关和显示驱动信号外,还完成SPWM 正弦脉宽调制的控制,由于采用静态和动态双重电压反馈,极大地改善了逆变器的动态特性和稳定性。不间断电源工作原理框图如图2 所示。

图2 　不间断电源工作原理框图

　　1. 2 　电源工作过程

　　市电正常时直流主回路有直流电压,供给DC -AC 交流逆变器,输出稳定的220 VAC 交流电压,同时市电对电池充电。当市电欠压或掉电,则由电池组通过隔离二极管开关向直流回路馈送电能。从电网供电到电池供电没有切换时间。当电池能量即将耗尽时,不间断电源发出声光报警,并在电池放电下限点停止逆变器工作,长鸣告警。不间断电源还有过载保护功能,当发生超载(150 %负载) 时,跳到旁路状态,并在负载正常时自动返回。当严重超载(超过200 %额定负载) 时,不间断电源立即停止逆变器输出并跳到旁路状态,此时前面空气开关也可能跳闸。消除故障后,只要合上开关,重新开机即开始恢复工作。为使不间断电源正常工作,避免在过载或欠载下运行,电源在开机前,首先计算负载容量。FR - U K 型不间断电源按其标称额定功率80 %设计阻性负载能力,一般带计算机负载时可承受的负载能力按下式估算:

　　式中, P 为不间断电源输出容量(VA) ; Pi 为第i 个负载伏安数。

　　每套PLC 功率: 220 V ×0. 5 = 110 VA

　　每台操作站功率: 220 V ×2 A = 440 VA

　　IBM PC客户机及服务器:220V ×1. 5 A = 330 VA

　　则总功率:10 ×110 VA + 4 ×440 VA + 11 ×330VA = *90 VA

　　6490 VA/ 0. 8 = 8 112 VA

　　因此,在这条生产线上,采用10 kVA 的不间断电源比较合适。

　　2 　UPS 的性能与指标

　　2. 1 　供电环境对UPS 的要求

　　作为电网与负载的中间环节,UPS 要适应当地电网环境,并且在运行中不能对电网产生不良影响。

对电网环境的适应能力:UPS 对电网的适应能力主要指电网电压的变化、频率变化、波形失真和各种干扰情况下UPS 的运行能力。根据我国电网情况,UPS允许的电压变化范围一般为±25 %, 而且我国电网电压的频率也存在着不稳定的因素,UPS 必须在50Hz ±5 %范围内能正常运行,特别是UPS 输入端有降压变压器的波形畸变干扰时,UPS 的输入