浅谈电站中UPS电源的原理及维护

王艳

摘要： 本文介绍了UPS技术的工作原理，以及其在实际运行过程中的维护、管理和具体应用，并指出运行中应注意的事项。

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.

关键词： 不间断电源系统；蓄电池；维护；注意事项

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

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）09-0103-03

0 引言

“UPS”是英文“Uninterrupted Power Supply”的缩写，它的含义是“不间断电源系统”。指的是一旦发生停电或掉电事故，UPS电源几乎可以毫无断点的继续向原有负载供电，保证设备正常稳定运行。如今，随着信息化、自动化等技术的迅猛发展，计算机在各种场合得到了广泛应用，对控制系统供电的质量也提出了越来越严格的要求。在此情况下，UPS电源的出现满足了计算机等设备对电源质量要求比较高的需要，可以保证计算机等设备不丢失信息和数据，保证它们的安全，从而保证了重要设备的正常稳定运行。UPS系统在广播发射台变电站中主要用于电站自动化系统、信号电源、电气保护和电器变送器等。

1 UPS电源的工作原理

目前，随着电能需求的不断增加，电力系统不断升级更新，对电力设备运行状态的稳定性和安全性的要求越来越严格。这就需要不断完善和提高电力系统的自动化水平。为了使该系统中计算机、RTU、变送器等设备安全稳定的运行，就需要有UPS电源作保障，它具有良好的稳压功能，当外电瞬间中断或停电时，UPS电源自动将蓄电池储存的直流电逆变为交流电继续向负载供电。

1.1 UPS电源的组成及工作原理

UPS电源系统包括整流器、变换器、储能电池和开关控制四部分。

1.1.1 整流器

在此系统中，整流器完成稳压功能。它采用可控硅或高频开关整流器，可根据外电变化自动控制输出幅度。

1.1.2 外电的变化

外电变化时，整流电压的输出幅度能维持一个基本稳定的状态，不会大幅度上下波动。变换器变换频率主要取决于其振荡频率。

1.1.3 储能电池完成净化功能

整流器在工作状态下会干扰瞬时脉冲，电压经整流后并不能使这种脉冲干扰彻底消除。储能电池储存直流电能，就相当于为整流器连接了一个大容量电容器，使得电容两侧电压无法突变。这其实运用了电容器对脉冲的平滑特性规避了脉冲干扰，对蓄电池进行了净化。

1.1.4 开关控制

开关控制主要用于完成UPS电源系统的日常操作与维护。当外电正常时，给负载供电，同时给储能电池充电；当外电中断时，UPS电源开始工作，由储能电池给负载供电；当负载严重过载时，由外电经整流直接给负载供电。

1.2 UPS电源的分类

根据其工作方式的不同可分为后备式、在线式和在线互动式三大类。

①后备式UPS电源工作原理：它相当于一台稳压器。当外电正常时，外电通过交流旁路通道直接送至负载。此时，UPS电源上的逆变器不工作，只有在外电中断，才由蓄电池将储存的直流电经逆变器变为交流电后向负载供电。由于没有降噪和降低干扰的措施，这种UPS供给的电源输出电压不稳定，因而最好不要用于精密负载及电网较差的地区。它的特点是结构简单、成本较低、转换时间较长。

②在线式UPS电源工作原理：当外电正常时，它首先将交流电变为直流电，然后进行脉宽调制、滤波，再将直流电重新变成交流电向负载供电，并同时给蓄电池充电。一旦外电中断，立即改为蓄电池经逆变器对负载供电，从而保证了负载的正常工作。因此，在線式UPS输出的是与外电完全隔离的纯净的正弦波电源，大幅度的改善了供电质量。

③在线互动式UPS电源工作原理：它是一种介于后备式和在线式工作方式之间的UPS电源。当外电在规定电压范围内时，不做调节直接输出至用电设备，如同一台后备式UPS电源；当外电高于或低于正常范围时，启动升压或降压功能，但不使用蓄电池供电，直到外电过低、过高而不可调节或外电停电时，才使用蓄电池供电。这种UPS电源转换时间非常短，交流输出电压稳定性好。但由于其稳频特性不理想的缺陷，因而不宜作为长延时的UPS电源使用。

1.3 UPS电源蓄电池的配置

目前在UPS不间断电源中，广泛使用蓄电池作为储存电能的装置，作为UPS电源重要组成部分的蓄电池，在实际应用中我们常常要花费大量时间进行维护，因此对蓄电池的性能、参数及维护等有关信息的了解就显得尤为重要。蓄电池需要先用直流电源对其充电，将电能转化为化学能而储存起来；当市电供应中断时，UPS电源将依靠储存在蓄电池中的能量维持其逆变器的正常工作；此时，蓄电池通过放电将化学能转化为电能提供给负荷使用，因此蓄电池是一种可逆电池。目前无需维护的密封式铅酸蓄电池被广泛应用。

在使用过程中，停电后UPS是依靠电池储能供电给予负载，标准性UPS本身机内自带电池，在停电后一般持续10-15分钟不等，而长效型UPS配有外置电池组，可以满足用户长时间停电时继续供电需要，一般长效型UPS满载配置时间可达3-5小时。

目前在UPS电源中所用的小型铅酸电池的典型容量规格为：12V，6AH/20HR。它表明该电池输出电压为12V。其标称容量为6安时，这一指标是指把该电池组置于以20小时的速率的条件下进行放电，一直放到电池组输出电压为10.5V时，所测量得到的总安培小时数来计量的。NP型小型密封铅酸电池的放电特性见图2所示。图中的符号“C”代表蓄电池放电速率。蓄电池以“1C"的速率放电，就意味着该蓄电池的放电电流以相当于该蓄电池的额定容量的绝对值来放电。从图2可以看出，电池的放电电流越小，电池输出电压相对稳定的状态维持时间越长。放电电流越大，电池输出电压相对稳定的状态维持的时间就越短。例如：对24AH/20HR电池组，当放电电流为1.2A时，其输出电压可在长达5小时的时间内维持在12V以上。超过这一限度，会增大电池的输出电压损耗，导致其过度放电，进而缩短其使用寿命。在日常使用中，电池放电电流大于2C时，电池就无法稳定可靠的供电，接通负载时，其输出电压会急剧的大幅度下降。因此，要延长电池寿命，就必须严格限制电池在工作状态下大电流放电。从上面分析可以看到，蓄电池可供利用的容量（安时数）与电池组放电电流密切相关。

实践还发现，对于特定的电池来说，其实际可供利用的容量不仅与其放电电流有关，环境温度也是一个重要的因素。

因此，对于UPS电源必须工作在低温条件下的用户来讲，在配置蓄电池时，必须考虑到这个因素。这里有两条可供选择的技术途径：

①增加UPS电源中所配置的蓄电池组的标称容量值。

②选择耐寒性的AHH型蓄电池。否则，当市电供电中断时，UPS电源能支持微机负载的实际工作时间将明显低于UPS所配置蓄电池的标称值。

所以暂时不用的蓄电池应该存储在低温、干燥的环境，在高温潮湿的环境下储存蓄电池必然会大大降低其实际可供用户使用的安时数。

当蓄电池被过度放电到输出电压为零，以及电池被置于长时间的短路或长时间的开路时，都会导致电池内部具有绝缘性质的硫酸铅大量吸附在电池阴极表面，降低电池阴极的导电性能。电池内阻会随着附着在阴极板上的硫酸盐的增多而逐渐增大，继而导致电池充放电性能逐渐劣化。鉴于此，如果蓄电池长期闲置，应该在其闲置期内定期充放电一次进行保养，以使之保持标准电容量，维持存放电功能。如果蓄电池长期处于供电状态，也应该在其运行过程中断电一次，让UPS电源中的蓄电池代替其放电，后加上市电重新充电，以维持蓄电池的标准电容量，延长其服务年限。

最后必须指出的一点是：密封免维护的电池，其服务年限与蓄电池的放电深度有关。放电深度，即蓄电池工作状态下放出的安时数，在其标称容量中所占的百分比。按照常规，当电池放电深度达到100%时，其充放电循环次数约为200次，最多不超过250次。若放电深度降低50%，其可循环放电500多次。假设将电池放电深度为30%，那么，代理词可循环放电1200多次。因此，在日常使用期间，应尽量避免电池长时间深度放电，否则会缩短其使用寿命。

2 UPS电源的维护

做好维护工作对于UPS电源的使用寿命起着重要的作用。因此，在使用过程中，应注意以下几点：

①对于UPS电源主机的维护以防尘除尘为主。有的地区气候干燥，空气中悬浮的灰尘量较大，机身内部会落入大量灰尘，无法良好的散热。若是在潮湿空气环境中运行，主机控制系统可能紊乱，并发出警告提示。因此，要根据实际情况定期除尘。此外，在清理灰尘时，应重点查看卡槽和连接件的连接是否可靠、牢固。

②当UPS电源系统出现故障时，应准确查明原因，分清是负载还是UPS电源的问题，是主机还是电池组的问题，从而采取相应措施解决问题。

③对蓄电池的维护是整个UPS电源系统中维护的关键。蓄电池的维护繁琐而复杂，维护时应注意以下几点：

1）蓄电池不要处于深度过放电状态。首先要端正一个认识：UPS电源容量与其工作状态是否稳定没有直接关系，并不是说大容量的UPS电源工作更稳定。如果电源长期处于轻载运行，会增加UPS电源内部蓄电池失效的可能性。

2）如果蓄电池长期处于只充电不放电的状态，将会加速蓄电池老化，所以，每隔3—4个月，应进行中断外电，让UPS电源放电一段时间，以此激活蓄电池，达到恢复其容量的目的。

3）对于长期不用的UPS电源，在重新使用前，最好先不要带负载，让UPS电源利用机内的充电回路对蓄电池浮冲，10-20小时后再接入负载。对于长期不用的UPS电源应当定期投用，对电池组进行充放电。蓄电池进行大容量放电后应及时再充电，间隔时间不应超过24小时。

4）正常运行状态下，蓄电池应该保持浮充运行状态，即最佳运行状态。浮充时，电池是满电荷状态，不会对其工作寿命产生严重的影响。

5）应定期检查电池极柱是否腐蚀、松动，拧紧松动的元件，严重的可考虑更换新元件。保证蓄电池处于恒温环境，避免忽冷忽热，对于延长蓄电池的使用寿命起着重要作用。

3 其它注意事项

①环境对于UPS电源的影响：应在干燥清洁且通风良好的地方安装UPS电源，环境温度宜控制17℃～25℃之间。

②输出功率的控制：UPS电源的输出功率不得超过额定功率的80%，过大过小都可能产生不利影响，比如功率過大容易造成UPS电源过载，功率过小会影响正常供电。因此，UPS电源在选型时最好应以实际负载量的60%-70%为其额定容量。

③不宜带感性负载：负载种类非常多，比如整流器负载、感性负载、容性负载、电阻性负载等等。当UPS电源感性负载运行时，电能输出最大功率只能达到额定功率的50%，输出功率不足，因此，对于电感性很大的负载绝对不允许接到UPS电源上。

4 小结

电力系统作为广播电台的“血脉”，是确保正常播出的首要条件。UPS电源系统对于电力设备的正常稳定运行也起着举足轻重的作用。

因此，掌握好UPS电源的工作原理，做好UPS电源的维护工作显得尤为重要。电力系统一旦出现故障，会严重影响广播电视的正常播出，从2004年发展至今，我台的电视播控系统从最初的模拟播控逐步升级换代到如今的数字化播控系统，而电视播控机房配置的主备2台线式UPS也在我台对外播送自办电视节目的过程中，连续6年稳定而持续地提供着电力保障，并且在电视播控机房UPS日常运行维护方面积累了许多技术经验。电站中UPS电源的出现满足了相关设备对电源质量要求比较高的需要，不仅保证了它们的安全，而且保证了重要设备的正常稳定运行。

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