吳振英

摘要：本文介紹了UPS電源系統(tǒng)的基本組成、原理及特點(diǎn)，并對(duì)如何對(duì)其維護(hù)做了詳細(xì)的闡述。

關(guān)鍵詞：UPS 儲(chǔ)能電池 逆變器 整流器 靜態(tài)開關(guān)

0 引言

對(duì)于商業(yè)和工業(yè)工藝裝置而言，連續(xù)的優(yōu)質(zhì)電源供應(yīng)是非常關(guān)鍵的。電源中斷甚至微小的擾動(dòng)都將打斷工藝鏈條，最終造成系統(tǒng)停止運(yùn)行。因此，UPS系統(tǒng)的關(guān)鍵功能就是保護(hù)那些不能承受輕微電壓擾動(dòng)或沖動(dòng)的裝置（也稱為用戶或負(fù)載）的電源供應(yīng)。公用工程提供的未經(jīng)濾波的電源可能會(huì)含有諧頻、低谷、峰值或其他噪音。在電源鏈條中引入一個(gè)或多個(gè)UPS系統(tǒng)可以有效地消除這些類似的擾動(dòng)。更為重要的是，在斷電條件下，UPS可以緊急填補(bǔ)電源缺口。當(dāng)遇到這種情況時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)地切換為大的電池組，汲取所需的電源，直到主干線電源恢復(fù)為止。

1 UPS電源系統(tǒng)

不同的應(yīng)用要求下，負(fù)載可以分為直流負(fù)載和交流負(fù)債兩大類。為此，UPS電源又有三種主要的類型：經(jīng)過雙轉(zhuǎn)換（AC電流轉(zhuǎn)換為DC電流，再將DC電流轉(zhuǎn)換為更加純凈的AC電流）的AC UPS，實(shí)現(xiàn)將AC電流轉(zhuǎn)換為DC電流的DC整流器/充電器，和實(shí)現(xiàn)將DC電流轉(zhuǎn)換為AC電流的AC逆變器。UPS出現(xiàn)的形態(tài)不一樣，但其原理和主要功能基本相同。UPS電源系統(tǒng)主要有5部分組成：整流系統(tǒng)、儲(chǔ)能（電池組）/凈化系統(tǒng)、逆變系統(tǒng)、靜態(tài)開關(guān)控制和旁路系統(tǒng)。系統(tǒng)的穩(wěn)壓功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高頻開關(guān)整流器，本身具有可根據(jù)外電的變化控制輸出幅度的功能，從而當(dāng)外電發(fā)生變化時(shí)（該變化應(yīng)滿足系統(tǒng)要求），輸出幅度基本不變的整定電壓。儲(chǔ)能凈化功能由儲(chǔ)能電池組來完成，由于整流器對(duì)瞬時(shí)脈沖干擾不能消除，整流后的電壓仍存在干擾脈沖。儲(chǔ)能電池除可存儲(chǔ)直流電能的功能外，對(duì)整流器來說就像接了一只大容器，其等效電容量的大小，與儲(chǔ)能電池容量大小成正比。由于電容兩端的電壓是不能突變的，即利用了電容器對(duì)脈沖的平滑特性消除了脈沖干擾，起到了凈化功能，也稱對(duì)干擾的屏蔽。頻率的穩(wěn)定則由變換器來完成，頻率穩(wěn)定度取決于逆變器的振蕩頻率的穩(wěn)定程度。為方便UPS電源系統(tǒng)的日常操作與維護(hù)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)靜態(tài)開關(guān)，主機(jī)自檢故障后的自動(dòng)旁路開關(guān)，檢修旁路開關(guān)等開關(guān)控制。

2 UPS電源工作原理

一般的UPS主要有以下幾種工作模式：正常工作模式、電池工作模式、旁路工作模式和充電器工作模式。

2.1 正常工作模式 在正常情況下，UPS系統(tǒng)給負(fù)載供電，如圖一實(shí)箭頭所示。UPS系統(tǒng)從電網(wǎng)獲取電能，經(jīng)過隔離自藕變壓器降壓或者升壓、全波整流、電容/電感濾波，輸出直流電壓供給逆變電路，同時(shí)給儲(chǔ)能電池組充電。逆變電路由大功率IGBT模塊組成，實(shí)現(xiàn)直流電到交流電的轉(zhuǎn)換。逆變電路產(chǎn)生的交流電經(jīng)過靜態(tài)開關(guān)控制輸出，供給負(fù)載。當(dāng)電網(wǎng)電壓超出正常工作范圍，或者突然停電時(shí)，整流器關(guān)閉，儲(chǔ)能電池組給逆變電路供電，見電池工作模式，如圖二所示。當(dāng)負(fù)載嚴(yán)重過載，逆變電路獲得的直流電源不足以維持逆變器的正常工作時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)去旁路工作模式，如圖三所示。

2.2 電池工作模式 當(dāng)市電電網(wǎng)不再穩(wěn)定超出正常工作范圍，或者電網(wǎng)失電時(shí)，整流器不再工作，此時(shí)電池組立即接替整流器給逆變電路提供電源，如圖二所示。

儲(chǔ)能電池組的容量取決于負(fù)載功率的大小，原則上負(fù)載功率越大，要求儲(chǔ)能電池的容量越大。當(dāng)負(fù)載功率確定后，電池容量主要取決于其后備時(shí)間的長短，這個(gè)時(shí)間因各企業(yè)情況不同而不同，主要由備用電源的接入時(shí)間來定，通常在幾十分鐘或幾個(gè)小時(shí)，乃至于幾十個(gè)小時(shí)不等。從整流器供電到電池組供電沒有切換時(shí)間，當(dāng)電池組能量即將耗盡時(shí)，UPS系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并在電池放電下限點(diǎn)停止逆變器工作。如果在電池組能量耗盡之前，電網(wǎng)電壓恢復(fù)供電，則系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)回正常整流器工作模式，供給逆變器，同時(shí)給電池組進(jìn)行充電。反之，如果此時(shí)旁路電源正常，則系統(tǒng)自動(dòng)切換到旁路系統(tǒng)，否則系統(tǒng)就將停止工作。

2.3 旁路工作模式 當(dāng)逆變器由于整流器不能正常供電、或者儲(chǔ)能電池組能量不足而無法工作，或者由于負(fù)載嚴(yán)重過載，而不能給負(fù)載提供足夠的能量時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)去旁路工作模式，如圖三所示。當(dāng)負(fù)載恢復(fù)正常，或者系統(tǒng)恢復(fù)正常供電條件時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)會(huì)從旁路工作模式切換回正常工作模式。

2.4 充電器工作模式 當(dāng)UPS系統(tǒng)工作在充電器工作模式時(shí)，整流器僅僅對(duì)儲(chǔ)能電池組充電，系統(tǒng)不對(duì)負(fù)載供電，如圖四所示。

3 UPS電源系統(tǒng)的功能完善

為了完善UPS電源系統(tǒng)的功能，一些先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到了UPS上。

3.1 多機(jī)并行工作 傳統(tǒng)的UPS電源系統(tǒng)多為單機(jī)系統(tǒng)，也就是說當(dāng)UPS系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，負(fù)載只能通過旁路供電。對(duì)于某些要求嚴(yán)格的用電設(shè)備，顯然這種方案是不能完全解決實(shí)際需要的，于是并機(jī)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生了。并機(jī)系統(tǒng)從外形上看就是有兩臺(tái)單機(jī)系統(tǒng)同時(shí)工作，兩臺(tái)單機(jī)之間互有聯(lián)系。正常工作時(shí)，兩臺(tái)系統(tǒng)同時(shí)工作并各自承擔(dān)50%的負(fù)載。當(dāng)一臺(tái)系統(tǒng)出現(xiàn)故障而不能正常工作時(shí)，另一臺(tái)系統(tǒng)自動(dòng)承擔(dān)全部的負(fù)載，反之亦然。這種冗余的設(shè)計(jì)方式無疑大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保了關(guān)鍵負(fù)載的正常工作。并機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，最多8臺(tái)并機(jī)運(yùn)行的設(shè)計(jì)方案時(shí)?？梢钥吹?，當(dāng)然，UPS電源系統(tǒng)的價(jià)格相應(yīng)要貴許多。

3.2 遠(yuǎn)程控制

IT技術(shù)的發(fā)展，成就了UPS系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。對(duì)于某些特定場合，人類是不可能全天候呆在設(shè)備機(jī)房的，比如海上鉆井平臺(tái)。此時(shí)，需要我們可以遠(yuǎn)程控制設(shè)備，監(jiān)測數(shù)據(jù)參數(shù)。智能控制模塊和通信模塊的面世也就顯得尤為重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]美國GUTOR公司提供.PEW1000系列UPS用戶說明書.

[2]徐小杰.UPS的工作原理及其組成[J].UPS應(yīng)用.2003.21.