ＵＰＳ不间断电源浅谈

吴振英

摘要：本文介绍了UPS电源系统的基本组成、原理及特点，并对如何对其维护做了详细的阐述。

关键词：UPS 储能电池 逆变器 整流器 静态开关

0 引言

对于商业和工业工艺装置而言，连续的优质电源供应是非常关键的。电源中断甚至微小的扰动都将打断工艺链条，最终造成系统停止运行。因此，UPS系统的关键功能就是保护那些不能承受轻微电压扰动或冲动的装置（也称为用户或负载）的电源供应。公用工程提供的未经滤波的电源可能会含有谐频、低谷、峰值或其他噪音。在电源链条中引入一个或多个UPS系统可以有效地消除这些类似的扰动。更为重要的是，在断电条件下，UPS可以紧急填补电源缺口。当遇到这种情况时，系统将自动地切换为大的电池组，汲取所需的电源，直到主干线电源恢复为止。

1 UPS电源系统

不同的应用要求下，负载可以分为直流负载和交流负债两大类。为此，UPS电源又有三种主要的类型：经过双转换（AC电流转换为DC电流，再将DC电流转换为更加纯净的AC电流）的AC UPS，实现将AC电流转换为DC电流的DC整流器/充电器，和实现将DC电流转换为AC电流的AC逆变器。UPS出现的形态不一样，但其原理和主要功能基本相同。UPS电源系统主要有5部分组成：整流系统、储能（电池组）/净化系统、逆变系统、静态开关控制和旁路系统。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），输出幅度基本不变的整定电压。储能净化功能由储能电池组来完成，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，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，对整流器来说就像接了一只大容器，其等效电容量的大小，与储能电池容量大小成正比。由于电容两端的电压是不能突变的，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，频率稳定度取决于逆变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，设计了系统静态开关，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。

2 UPS电源工作原理

一般的UPS主要有以下几种工作模式：正常工作模式、电池工作模式、旁路工作模式和充电器工作模式。

2.1 正常工作模式 在正常情况下，UPS系统给负载供电，如图一实箭头所示。UPS系统从电网获取电能，经过隔离自藕变压器降压或者升压、全波整流、电容/电感滤波，输出直流电压供给逆变电路，同时给储能电池组充电。逆变电路由大功率IGBT模块组成，实现直流电到交流电的转换。逆变电路产生的交流电经过静态开关控制输出，供给负载。当电网电压超出正常工作范围，或者突然停电时，整流器关闭，储能电池组给逆变电路供电，见电池工作模式，如图二所示。当负载严重过载，逆变电路获得的直流电源不足以维持逆变器的正常工作时，系统转去旁路工作模式，如图三所示。

2.2 电池工作模式 当市电电网不再稳定超出正常工作范围，或者电网失电时，整流器不再工作，此时电池组立即接替整流器给逆变电路提供电源，如图二所示。

储能电池组的容量取决于负载功率的大小，原则上负载功率越大，要求储能电池的容量越大。当负载功率确定后，电池容量主要取决于其后备时间的长短，这个时间因各企业情况不同而不同，主要由备用电源的接入时间来定，通常在几十分钟或几个小时，乃至于几十个小时不等。从整流器供电到电池组供电没有切换时间，当电池组能量即将耗尽时，UPS系统发出报警信号，并在电池放电下限点停止逆变器工作。如果在电池组能量耗尽之前，电网电压恢复供电，则系统自动转回正常整流器工作模式，供给逆变器，同时给电池组进行充电。反之，如果此时旁路电源正常，则系统自动切换到旁路系统，否则系统就将停止工作。

2.3 旁路工作模式 当逆变器由于整流器不能正常供电、或者储能电池组能量不足而无法工作，或者由于负载严重过载，而不能给负载提供足够的能量时，系统自动转去旁路工作模式，如图三所示。当负载恢复正常，或者系统恢复正常供电条件时，系统自动会从旁路工作模式切换回正常工作模式。

2.4 充电器工作模式 当UPS系统工作在充电器工作模式时，整流器仅仅对储能电池组充电，系统不对负载供电，如图四所示。

3 UPS电源系统的功能完善

为了完善UPS电源系统的功能，一些先进的技术应用到了UPS上。

3.1 多机并行工作 传统的UPS电源系统多为单机系统，也就是说当UPS系统出现故障时，负载只能通过旁路供电。对于某些要求严格的用电设备，显然这种方案是不能完全解决实际需要的，于是并机系统应运而生了。并机系统从外形上看就是有两台单机系统同时工作，两台单机之间互有联系。正常工作时，两台系统同时工作并各自承担50%的负载。当一台系统出现故障而不能正常工作时，另一台系统自动承担全部的负载，反之亦然。这种冗余的设计方式无疑大大提高了系统的稳定性，确保了关键负载的正常工作。并机系统的技术现在已经非常成熟，最多8台并机运行的设计方案时常可以看到，当然，UPS电源系统的价格相应要贵许多。

3.2 远程控制

IT技术的发展，成就了UPS系统的远程控制。对于某些特定场合，人类是不可能全天候呆在设备机房的，比如海上钻井平台。此时，需要我们可以远程控制设备，监测数据参数。智能控制模块和通信模块的面世也就显得尤为重要。

参考文献：

[1]美国GUTOR公司提供.PEW1000系列UPS用户说明书.

[2]徐小杰.UPS的工作原理及其组成[J].UPS应用.2003.21.