UPS的原理与使用

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欢迎访问e展厅 展厅 7 其它电力设备展厅 工业电源, UPS, 稳压器, 稳压电源, 充电机, ... 摘 要：介绍UPS电源的组成、工作原理、分类和特点，通过对各种类型UPS电源的比较，提出了一种新的直流型UPS供电方案，新的UPS电源系统具有良好的扩充性与分布性，允许多台小功率电源并联使用，共同向一台大容量负载供电，容易实现较高的功率因数校正，大大减小开关电源对电网的干扰污染，有利于实现净化电源的目标。最后UPS的负载问题，提出了UPS的一些使用、维护方法。 关键词：UPS；后备式；在线式；逆变 随着播出系统中计算机的日益普及和应用，对供电质量有了更高的要求：①在计算机运行期间，电源不能中断，否则将会导致随机存储器RAM中数据丢失、程序破坏、磁头损坏等难以弥补的损失；②电网上存在的干扰源（电压浪涌、电压下陷、常模干扰、共模干扰等）会对正在运行的计算机系统造成干扰和破坏，同时对电网也造成较大的污染，故必须除掉干扰源。因此UPS被广泛地应用在这样的供电系统中，它能在市电波动过大时保护计算机，还能在市电断电的情况下继续供电，以保证播出系统的正常运行。 1 UPS的工作原理 UPS电源一般是由常用电源和备用电源通过转换开关组合而成，它们之间由逻辑电路进行控制，以保证在电网正常或停电状态下，整个系统都能可靠地工作。当市电正常时，UPS相当于一台交流稳压电源，它将市电稳压后再供给计算机，与此同时，它还向UPS内蓄电池充电。当市电突然中断时，UPS立刻转为逆变工作状态，小容量的UPS一般能持续供电5～20 min，所以能保证计算机系统的正常退出，使软硬件不受损失。图1为UPS电源原理图。 2 UPS电源的分类与特点 2.1 旋转型UPS电源 一般由旋转发电机组成，主要有以下几种： （1）用柴油发电机作为备用电源，在电网停电时，用它维持供电。 （2）用电动发电机作为备用电源，并在发电机轴上装一个大的惯性飞轮。这样一方面能减少电网对电机转速的影响，提高了电压的稳定性；另一方面，电网停电时，利用飞轮的惯性使发电机在一段时间内输出的电压和频率基本不变，以供计算机做信息处理等应急操作。 （3）用直流电动机和蓄电池组来驱动发电机作备用电源。电网正常供电时，用电网交流电经整流后对蓄电池组充电，在电网停电时蓄电池组向直流电机供电，从而驱动电动机发电机组，保证计算机连续供电。 （4）用蓄电池和逆变器组成备用电源。当电网停电时，由蓄电池经逆变器变换成某种频率的交流电来驱动电动机和发电机组，以保证计算机的供电。 2.2 静止型UPS电源 目前微机中使用的UPS电源一般都是静止型的，静止型的UPS又可分为后备式和在线式两种，在线式供电质量优于后备式。根据蓄电池的容量大小，这种电源在停电时能维持几分钟至几小时，有的可达8 h。现行的UPS电源都是交流型不间断电源系统，主要由整流器、充电器、逆变器和电池组等组成，按其工作方式可划分为在线式（On-line）和后备式（Off-line），按其输出电压波形可分为正弦波输出和方波输出两种，二者都属于交流型UPS电源，目前在线式已基本上取代了后备式。 交流型UPS电源的功率因数低、电流失真严重、高次谐波干扰大，而且普遍采用BYPASS设计，因此电路结构复杂化，调试困难，成本上升，可靠性降低。此外交流型UPS电源难以实现并联运行。为此，目前又出现了大功率直流型UPS电源，如图2所示。该方案在节约能源、提高可靠性、降低生产成本等方面有一定的改进，该电源省略了DC/AC环节和开关电源中的AC/DC环节，因而生产成本降低。新方案在功率因数校正方面有较大提高，功率因数从60%提高到95%，即相当于电网的负荷减少了30%左右，因此输出功率大大增加，且明显降低了对电网污染，另一方面，可以简化DC/AC和AC/DC环节，不需要设计逆变器、锁相环和稳频部分，还可以省去原输入级大容量储能电容器，在DC/DC变换中只需留下高频小容量电容器，由于蓄电池组的耐瞬间冲击能力强，故BYPASS也可以省略掉。 新的UPS电源系统具有良好的扩充性与分布性，允许多台小功率电源并联使用，共同向一台大容量负载供电，只需要总功率之和大于负载容量即可。因直流变换对功率因数校正影响小，故新方案容易实现较高的功率因数校正，减少开关电源对电网的干扰污染，有利于实现净化电源的目标。 3 UPS的负载问题 UPS输出波形有方波和正弦波两种类型。方波输出的UPS带负载能力相对较差，负载量一般为额定负载的40%～60%，而且不允许带感性负载，负载太大有时可能损坏负载电路中的电源滤波电容；正弦波输出的UPS带负载能力相对较强，并能带微电感性负载。一般地，UPS外壳上标有输出功率，有些以有功功率瓦（W)或千瓦（kW)表示，也有的用视在功率伏安(VA)或千伏安(kVA)表示。有功功率用P表示，视在功率用S表示，则有：P=Scos φ，其中cos φ为功率因数。大多数UPS的cos φ大约为0.8左右，则可得P=0.8S。 所以，一个1 kVA的UPS表示其最大输出功率为1 kVA或0.8 kW，此时，就要求UPS负载设备的有功功率总和应小于0.8 kW，而负载一般都标明了额定功率，所以，所有负载的额定功率之和不能超过UPS的有功功率，若满足这样的条件，就称UPS输出功率与负载耗电功率匹配。但应注意一点，以上分析是负载稳定工作时的情况，计算机的外设一般都满足这一情况，但打印机和彩色显示器却例外，打印机启动功率是其额定功率的3～5倍，彩色显示器由于开机消磁电路工作需要较大功率，例如一台AR3240打印机其标称额定功率为220 W，则它启动时耗电功率最大可达220×5=1 100 W，所以一台1 000 W的UPS若单独带一台该打印机也是不可靠的。计算机其他外设的启动功率略大于额定功率，则在考虑匹配时按UPS输出功率的0.8进行负载匹配，例如一台3 kVA的UPS，实际带负载时可带3×0.8×0.8=1.92 kW的负载。一个标准UPS在满载（即功率充分匹配）情况下，市电中断时可持续供电约5～12 min，但在半负载（即负载耗电功率时UPS输出功率的一半）情况下，则可持续供电约10～25 min，即大约有负载减半供电时间加倍的关系。 4 UPS电源的使用与维护 实践证明交流型UPS有60%左右的故障是使用或管理不当造成的。所以正确使用与维护UPS可以大大延长其使用寿命，在使用与维护中应该注意以下几个方面： （1）新购的UPS电源使用前一定要对后备蓄电池组进行均衡充电，充电12～24 h，以延长蓄电池的使用寿命。 （2）UPS接入电路时，应保证所接市电的火线、零线顺序符合要求，否则故障会大大增加。 （3）UPS电源负载要求为纯电阻负载或较小感性负载，即使正弦波输出的UPS也只能带微电感性负载。 （4）UPS不宜由柴油发电机供电，这种发电机的频率变化大，会影响UPS的正常运行。 （5）UPS不宜带可控硅负载、桥式整流及半波整流负载。 （6）计算机的有些外设（打印机、音箱等）并不怕突然停电，而且打印机启动功率又很高，所以这类外设一般不要接入UPS的输出，可以直接接在市电中，对网络系统，可以只把服务器及有关部分接入UPS，这样可以节省投资。 （7）不要超负荷使用UPS，应按本文中前述的负载问题进行连接，这样可以保护逆变三极管。 （8）开关机应按UPS使用说明书要求操作，先开UPS，两分钟后再开通负载的电源开关。而且要一个一个地开，这样可以避免负载同时启动时的大电流冲击，而关机却要按相反顺序进行。 （9）UPS应长期处于开机状态，尽可能减少开关机的次数。一般要求关闭UPS后至少要等6 s 才能再开启，而且应禁止“冷”启动，即把市电断开使用UPS电源启动，此时启动电流很大会损坏UPS。 （10）若UPS所在地经常不断电，则蓄电池长期处于只充电不放电状态，这会使电池老化，所以应按3个月左右人为中断市电，让UPS放电一段时间，这对蓄电池有好处。若UPS使用所在地电压低或频繁停电，这会使UPS电池长期充电不足，所以应充分利用供电相对政党时间（例如午夜）对电池充电。另外，尽可能不要让蓄电池深度放电。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/3/2005)