一文解析UPS電源的基本知識

一、UPS的功能

UPS是不間斷電源英文名稱的縮寫，是一種含有儲能裝置、以逆變器為主要組成部分、具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、濾波、抗電磁和射頻干擾、防電壓峰谷浪涌等功能的用電設(shè)備電源保護(hù)系統(tǒng)。其主要功能是在正常、異常和供電中斷的情況下，向重要用電設(shè)備及系統(tǒng)提供安全可靠、穩(wěn)定不間斷，不受倒閘操作影響的交流電源。

二、UPS的分類

1、按工作方式分類

UPS按工作方式可分為后備式、在線式和在線互動式三大類。

1）后備式

后備式UPS在市電正常時，直接由市電向負(fù)載供電，當(dāng)市電超出其工作范圍或停電時，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換為電池逆變供電。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，但輸入電壓范圍窄，輸出電壓穩(wěn)定精度差，有切換時間，且輸出波形一般為方波。

2）在線式

在線式UPS在市電正常時，由市電進(jìn)行整流提供直流電壓給逆變器工作，由逆變器向負(fù)載提供交流電；在市電異常時，逆變器由電池提供能量，逆變器始終處于工作狀態(tài)，保證無間斷輸出。其特點(diǎn)是有極寬的輸入電壓范圍，無切換時間，且輸出電壓穩(wěn)定精度高，特別適合對電源要求高的場合，但成本較高。

3）在線互動式

在線互動式UPS在市電正常時，直接由市電向負(fù)載供電；當(dāng)市電電壓偏低或偏高時，通過UPS內(nèi)部穩(wěn)壓線路穩(wěn)壓后輸出；當(dāng)市電異?；蛲ｋ姇r，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)為電池逆變供電。其特點(diǎn)是有較寬的輸入電壓范圍，噪音低，體積小，但同樣存在切換時間。

2、按容量大小分類

1）小容量：3kVA以下。

2）中小容量：3～10kVA。

3）中大容量：10kVA。

3、按輸入/輸出方式分類

1）單相輸入/單相輸出；

2）三相輸入/單相輸出；

3）三相輸入/三相輸出。

三、UPS的組成部分

UPS由整流器、逆變器、隔離變壓器、靜態(tài)開關(guān)、手動旁路開關(guān)等設(shè)備組成。

1、整流裝置

整流器又稱充電器，接線方式有三相全控橋式整流和三相半控橋式整流。

1）輸入變壓器

用來改變交流電源輸入電壓的大小，給整流器一個合適的電壓值。

2）整流器

有三個二極管和三個可控硅組成三相全波半控橋式整流電路，調(diào)整導(dǎo)通角和通電時間可得到理想的直流輸出電壓。

3）輸出過濾器

由一個電感線圈和一組電容組成的L型過濾器，用來減小整流器輸出的波紋系數(shù)。

4）控制板

通過比較給定值，調(diào)整可控硅的導(dǎo)通角，使整流器輸出電壓正常。

2、逆變器

1）輸入回路

提供穩(wěn)定的直流電源。

2）功率開關(guān)

其交替反極性導(dǎo)通將直流電源轉(zhuǎn)換成功率很大的方波。

3）振蕩器

是逆變器的核心，發(fā)出一定頻率的導(dǎo)通脈沖去控制功率開關(guān)電路。

4）輸出回路

由恒壓變壓器及濾波電容組成，其作用是濾去功率開關(guān)輸出方波中的高次諧波，使輸出波形近似于正弦波并保持輸出電壓的恒定。

四、UPS的運(yùn)行方式

UPS系統(tǒng)為單相兩線制系統(tǒng)，輸入電源為三相交流或直流，輸出電源為單相交流。

1、正常運(yùn)行方式

市電正常時，市電經(jīng)濾波回路轉(zhuǎn)換為直流電，對電池充電以備電力中斷時使用。后備式和在線互動式直接由市電向負(fù)載供電，在線式則是經(jīng)整流回路轉(zhuǎn)換為直流電作為逆變器的輸入，再經(jīng)過逆變器的轉(zhuǎn)換提供電力為負(fù)載使用；當(dāng)市電電壓過低或過高、瞬間突變等影響設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，在線互動式通過UPS內(nèi)部穩(wěn)壓線路穩(wěn)壓后輸出。

2、電池工作方式

市電發(fā)生異?；蛲ｋ姇r，逆變器將儲存于電池中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，持續(xù)提供電力供給負(fù)載繼續(xù)使用，達(dá)到不斷電的功能。

3、旁路運(yùn)行方式

在線式UPS超載、旁路命令、逆變器過熱或機(jī)器故障時，UPS一般將逆變輸出轉(zhuǎn)為旁路輸出，即由市電直接供電。

4、旁路維護(hù)方式

UPS檢修時，通過手動旁路保證負(fù)載設(shè)備的正常供電；檢修完成后，重新啟動UPS， UPS轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行。

五、在線式UPS工作原理

在線式UPS在正常工作狀態(tài)下，由廠用電源輸入交流，經(jīng)整流器整流濾波為直流再送入逆變器，變?yōu)榉€(wěn)頻穩(wěn)壓的工頻電流，經(jīng)靜態(tài)開關(guān)向負(fù)荷供電。當(dāng)UPS交流輸入電源因故中斷或整流器發(fā)生故障時，逆變器由蓄電池組供電，仍可做到毫無間斷地繼續(xù)向負(fù)荷提供優(yōu)質(zhì)可靠的交流電。如果逆變器發(fā)生故障，還可自動切換至旁路備用電源供電。當(dāng)負(fù)載啟動電流太大，UPS也可自動切換至旁路電源供電，啟動過程結(jié)束后再自動恢復(fù)由UPS供電。

如下圖，供電電源為三路，其中兩路交流電源來自廠用保安段，這兩路電源可經(jīng)靜態(tài)開關(guān)自動切換，或經(jīng)手動旁路開關(guān)手動切換。第三路來自直流屏，用蓄電池組供電，經(jīng)隔離二極管到逆變器，三路電源配合使用。

六、UPS的操作順序

1、UPS系統(tǒng)投入運(yùn)行前的檢查

1）檢查盤內(nèi)清潔無雜物，絕緣符合要求；

2）檢查系統(tǒng)接線相序、極性正確，接頭無松動；

3）檢查整流器電源輸入電壓正常；

4）檢查旁路調(diào)壓器升降調(diào)節(jié)靈活；

5）檢查各元件完好，開關(guān)均在斷開位置。

2、UPS系統(tǒng)投入運(yùn)行的操作

1）合上系統(tǒng)控制、保護(hù)及信號電源小開關(guān)（或熔斷器）。

2）合上正常輸入工作電源開關(guān)，裝上電源熔斷器。

3）按下整流器充電按鈕，充電器投入指示燈亮。

4）合上蓄電池組開關(guān)，裝上直流電源熔斷器，對應(yīng)指示燈亮。

5）按下逆變器運(yùn)行按鈕，燈亮、大約十秒后向負(fù)荷供電。

6）合上系統(tǒng)備用電源開關(guān)，裝上備用電源熔斷器，調(diào)整輸出電壓為規(guī)定值。

7）檢查滿足靜態(tài)開關(guān)切換條件（旁路電源同逆變器輸出的頻率和相位相同）的同步指示燈亮。

8）檢查UPS運(yùn)行符合所需運(yùn)行方式，各信號燈指示正確。

3、UPS系統(tǒng)退出運(yùn)行的操作

1）斷開備用電源刀開關(guān)，取下備用電源熔斷器。

2）按下逆變器停止與復(fù)歸按鈕，全部報警器復(fù)位。

3）斷開直流電源刀開關(guān)，取下直流電源熔斷器。

4）按下充電器停止按鈕，使充電器關(guān)機(jī)。

5）斷開正常交流工作電源進(jìn)線刀開關(guān)，取下電源熔斷器。

6）將手動旁路開關(guān)切換至旁路位置。

7）全面檢查，燈光熄滅，電源均斷開。

4、UPS系統(tǒng)切換至旁路的操作

1）檢查旁路工作正常，處于備用狀態(tài)。

2）合上手動旁路開關(guān)，轉(zhuǎn)入備用電源供電。

3）約八秒后系統(tǒng)切至旁路運(yùn)行。

4）檢查燈光指示正確，輸出電壓正常。

5）斷開正常交流工作電源進(jìn)線開關(guān)，各信號燈指示正確。

七、UPS的日常維護(hù)

1、UPS在正常使用情況下，主機(jī)的維護(hù)工作主要是防塵和定期除塵。在除塵時應(yīng)檢查各連接件和插接件有無松動和接觸不牢的情況。

2、平時每組電池中應(yīng)有幾塊電池做標(biāo)示電池，作為了解全電池組工作情況的參考，對標(biāo)示電池應(yīng)定期測量并做好記錄。

3、當(dāng)UPS系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，應(yīng)先查明原因，分清是負(fù)載還是UPS系統(tǒng)、是主機(jī)還是電池組。

4、對主機(jī)出現(xiàn)擊穿、燒斷保險或燒毀器件的故障，一定要查明原因并排除故障后才能重新啟動，否則會接連發(fā)生相同的故障。

5、不能把不同容量、不同性能、不同廠家的電池連在一起，否則可能會對整組電池帶來不利影響。對壽命已經(jīng)過期的電池組要及時更換，以免影響主機(jī)。

八、UPS的使用注意事項(xiàng)

1、每一臺UPS說明書上都有接線方法和使用條件的具體介紹, 開箱后應(yīng)首先按說明書的要求正確安裝使用，須特別注意的是：UPS 輸入和輸出電源相線、零線的裝接順序應(yīng)符合規(guī)定(左零右相)， 并且要可靠接地。

2、接UPS的配電箱所使用的開關(guān)不宜用老式的刀閘開關(guān)，因?yàn)檫@種開關(guān)在開關(guān)電源時有拉弧現(xiàn)象，會對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾；另外，使用熔斷式保險絲，過流響應(yīng)速度慢，在負(fù)載或UPS短路時，不能及時切斷電源，從而會對設(shè)備造成危害。所以應(yīng)采用廣為使用的空氣開關(guān)，這種開關(guān)有消弧和負(fù)載短路時響應(yīng)速度快的功能，且有漏電保護(hù)和過熱保護(hù)等功能。

3、空氣開關(guān)的容量選用應(yīng)適中。開關(guān)容量過大會造成過流或負(fù)載發(fā)生短路時起不到保護(hù)作用，過小會經(jīng)常造成市電中斷。

4、UPS應(yīng)長期處于開機(jī)狀態(tài),而所帶負(fù)載應(yīng)用時開機(jī),用完后關(guān)機(jī)。盡量不要帶負(fù)載開啟UPS，開機(jī)時應(yīng)先開UPS，后開啟負(fù)載電源, 關(guān)機(jī)時應(yīng)按相反的順序進(jìn)行。盡量不要頻繁關(guān)閉和開啟UPS，關(guān)閉后至少要等6秒后才能開啟，否則可能出現(xiàn)既無市電輸出、又無逆變器輸出的“啟動失敗”狀態(tài)。

5、UPS不允許超負(fù)荷使用，所帶負(fù)載總和不能大于UPS的輸出功率。由于電器設(shè)備的啟動功率一般都略大于其額定功率,因此在匹配負(fù)載時，最好按UPS的80%負(fù)載率來考慮，在逆變器狀態(tài)下超負(fù)荷使用，常會造成逆變?nèi)龢O管擊穿, 縮短UPS的使用壽命。

6、UPS不宜一直處于滿載和輕載的狀態(tài)下運(yùn)行，一般選取額定容量的50%-80%，若UPS長期處于輕載運(yùn)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?yàn)樾铍姵氐姆烹婋娏鬟^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(yùn)行，這樣雖可節(jié)省一部分投資，但由于逆變器處于重載運(yùn)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，所以即使從經(jīng)濟(jì)角度講也是得不償失。

7、使用UPS時, 應(yīng)注意不要帶電感性負(fù)載（例如日光燈、空調(diào)、電動機(jī)）、半波負(fù)載及沖擊負(fù)載（例如打印機(jī)），否則會對電網(wǎng)及UPS產(chǎn)生很大的沖擊，應(yīng)把感性負(fù)載接到其他市電線路中。UPS只能接純電阻或電容性負(fù)載。有條件的可以用示波器檢測UPS的輸出波形：若是方波，須嚴(yán)守上述要求，若是正弦波，則可以帶微電感性負(fù)載。

**8、UPS主機(jī)對環(huán)境溫度要求不高，040℃都能正常工作，但要求室內(nèi)清潔少塵，否則灰塵加上潮濕會引起主機(jī)工作不正常。蓄電池對溫度要求較高，標(biāo)準(zhǔn)使用溫度為25℃，平時不宜超出1530℃范圍。溫度太低，會使蓄電池容量下降，溫度每下降1℃，其容量下降1%。如果在高溫下長期使用，溫度每升高10度，電池壽命約減少一半。所以UPS的使用環(huán)境應(yīng)注意通風(fēng)良好，利于散熱，并保持環(huán)境的清潔。 **

9、市電中斷后, 標(biāo)準(zhǔn)型的UPS的供電時間一般是5～12分鐘,這時候應(yīng)該及時負(fù)載關(guān)機(jī)，待市電恢復(fù)正常后，再開機(jī)使用。有條件的可以選擇長效型的UPS，通過外接蓄電池組來延長UPS的供電時間。

10、市電中斷后，長效型UPS由電池供電而自動關(guān)機(jī)后，請勿再利用UPS電池開機(jī)供電，以免電池因過放電而損壞。

11、若用戶在市電停電期間使用發(fā)電機(jī)供電，應(yīng)保證發(fā)電機(jī)功率大于兩倍UPS額定功率，且必須在發(fā)電機(jī)啟動穩(wěn)定后才能接入UPS。

12、開啟UPS負(fù)載時，一般遵循先大后小的原則。

13、為了防止UPS過度放電, 要及時進(jìn)行不少于48 小時的連續(xù)充電(帶或不帶負(fù)載均可)。

14、對長期閑置的UPS, 應(yīng)每隔一個月對蓄電池進(jìn)行連續(xù)20小時的充電。長期閑置不用的UPS在重新開機(jī)使用之前，先不要加負(fù)載，讓UPS利用機(jī)內(nèi)的充電回路，對蓄電池浮充10～12h以后再用。對于后備式UPS來說，若UPS長期工作在后備式工作狀態(tài)，建議每隔一個月，讓UPS處于逆變器工作狀態(tài)至少2~3min， 以便激活電池。

15、禁止將不同安時數(shù)、不同品牌的電池組合使用。

16、長期不停電的地區(qū)，應(yīng)定期對UPS進(jìn)行充放電（原則上三個月）以保障電池的使用壽命。

17、為保護(hù)UPS的使用壽命，應(yīng)同廠商維修人員協(xié)商，定期對UPS進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

18、UPS主機(jī)中設(shè)置的參數(shù)在使用中不能隨意改變，特別是電池組的參數(shù)，會直接影響其使用壽命，但隨著環(huán)境溫度的改變，對浮充電壓要做相應(yīng)調(diào)整，通常以25℃為標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境溫度每升高或降低1℃，12伏蓄電池浮充電壓應(yīng)增加18mV。

19、由于大功率UPS的電池組電壓很高，存在電擊危險。因此在安裝電池連接和輸出線時，應(yīng)具有安全保障，工具應(yīng)采取絕緣措施，特別是輸出接點(diǎn)應(yīng)有防觸摸措施。

九、UPS的常見故障及維修

1、換向失敗

1）換向電容、電感或可控硅損壞。

更換電容、電感或可控硅。

2）輸出過載或短路。

檢修輸出回路。

3）觸發(fā)控制回路故障。

檢修觸發(fā)控制回路

2、逆變主元件損壞

1）換向失敗。

維修方法同上第一條。

2）輸出過載或短路。

檢修輸出回路。

3）主元件保護(hù)回路失效。

檢修保護(hù)回路。

4）主元件自身質(zhì)量問題。

更換元器件。

3、主熔斷器熔斷

1）換向失敗。

維修方法同上第一條。

2）輸出過載或短路。

檢修輸出回路。

3）主元件擊穿短路。

更換主元件。

4）直流或交流濾波電容損壞。

更換損壞的電容。

5）設(shè)備內(nèi)部有其他短路點(diǎn)。

檢查排除設(shè)備內(nèi)部其他故障。

4、靜態(tài)開關(guān)不工作

1）靜態(tài)開關(guān)主元件損壞。

更換靜態(tài)開關(guān)主元件。

2）靜態(tài)開關(guān)觸發(fā)脈沖回路故障。

檢查修復(fù)觸發(fā)回路。

5、逆變橋與市電不同步

1）鎖相環(huán)失鎖。

檢查失鎖原因并處理。

2）市電頻率偏差太大。

無需處理。

6、逆變器或靜態(tài)開關(guān)主元件過熱

1）環(huán)境溫度過高。

改善環(huán)境條件。

2）冷卻系統(tǒng)故障。

檢修冷卻系統(tǒng)。

3）長期過負(fù)荷。

檢查調(diào)整負(fù)荷。

4）散熱片上積塵太多。

清掃散熱片。

5）主元件性能老化。

更換老化的元器件。

6）主元件與散熱片接觸不良。

緊固主元件。

7、電子元器件過熱或變色

1）電容器漏油或短路。

更換電容器。

2）電感繞組短路。

修理或更換電感繞組。

3）晶體管元件擊穿損壞。

更換晶體管。

4）電子元器件的參數(shù)變化引起過流。

檢查更換電子元器件。

5）回路中發(fā)生短路

查找排除短路點(diǎn)。

8、信號指示燈不亮

1）燈泡松動或損壞。

擰緊或更換燈泡。

2）指示燈用變壓器或電阻斷線。

修理或更換變壓器、電阻。

9、投入負(fù)荷時輸出電壓突然下降

1）自控系統(tǒng)失調(diào)。

檢查處理自控系統(tǒng)。

2）直流阻抗匹配不良。

正確匹配直流阻抗。

10、交流輸出電壓異常

1）直流輸出電壓異常。

檢修直流供電回路。

2）電壓檢測回路故障。

檢修電壓檢測回路。

3）基準(zhǔn)信號失調(diào)。

清理基準(zhǔn)信號。

4）觸發(fā)控制回路故障。

檢查排除控制回路故障。

11、變壓器、電抗器過熱

1）繞組內(nèi)部短路。

修理或更換繞組。

2）過負(fù)荷或負(fù)荷回路短路。

調(diào)整負(fù)荷或處理負(fù)荷回路。

3）環(huán)境溫度過高。

改善環(huán)境條件。

12、輸出電壓頻率不正常

1）本機(jī)震蕩部分的標(biāo)準(zhǔn)信號不正常。

檢查調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)信號。

2）相關(guān)控制回路故障。

檢修排除相關(guān)回路故障點(diǎn)。