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UPS電源工作原理

來源:山東福宏訊飛電子科技有限公司   2013年10月08日 08:48  

北京盛通力源科技有限公司

聯(lián) 系 人:高涵杰

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地址:北京市海淀區(qū)中關村硅谷(盛通力源辦事處)

UPS不間斷電源工作原理及應用說明 2008年10月25日 星期六 03:21 P.M. 
摘要:本文介紹了UPS電源系統(tǒng)的基本組成,原理及特點,并對如何對其全面、完善維護做了詳細的闡述。 關鍵字:UPS 儲能電池 
Abstract: Basic composing,theory and characteristic of UPS power are introduced in this article.It particular explains how to excessive maintenance. Key words: UPS Saving battery 一、引言 
保證任何情況下的正常供電,是冶金行業(yè)的重要基礎。為此,除工業(yè)電網正常供電外,還需配備UPS供電系統(tǒng)。UPS電源是保障供電穩(wěn)定和連續(xù)性的重要設備,因其主要機智能化程度高,儲能器材采用免維護蓄電池,使得在運行中往往忽略了對該系統(tǒng)的維護與檢修。其實維護的好壞,對電源的壽命和故障率有很大影響,下面根據我們使用中的具體情況和維護經驗介紹UPS電源的使用注意事項和日常維護要求。 
雖說各企業(yè)配置的UPS供電系統(tǒng)設備型號及系統(tǒng)容量有所不同,但其原理和主要功能基本相同。在UPS電源類型選擇上各站都選擇了在線式,這時因為在線式UPS電源系統(tǒng)具有對各類供電的零時間切換,自身供電時間的長短可選,并具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、凈化的特點。 當UPS電源系統(tǒng)本身出現(xiàn)故障時有自動旁路功能,當需要檢修時可采用手動旁路,使檢修、供電互不影響。在功率選擇上,萊鋼中小型棒材生產線選用了中功率系統(tǒng)。 二、UPS電源系統(tǒng) 
UPS電源系統(tǒng)由4部分組成:整流、儲能、變換和開關控制。其系統(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整流器,本身具有可根據外電的變化控制輸出幅度的功能,從而當外電發(fā)生變化時(該變化應滿足系統(tǒng)要求),輸出幅度基本不變的整流電壓。凈化功能由儲能電池來完成,由于整流器對瞬時脈沖干擾不能消除,整流后的電壓仍存在干擾脈沖。儲能電池除可存儲直流直能的功能外,對整流器來說就象接了一只大容器電容器,其等效電容量的大小,與儲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,即利用了電容器對脈沖的平滑特性消除了脈沖干擾,起到了凈化功能,也稱對干擾的屏蔽。頻率的穩(wěn)定則由變換器來完成,頻率穩(wěn)定度取決于變換器的振蕩頻率的穩(wěn)定程度。為方便UPS電源系統(tǒng)的日常操作與維護,設計了系統(tǒng)工作開關,主機自檢故障后的自動旁路開關,檢修旁路開關等開關控制。 
如圖1所示,在電網電壓工作正常時,給負載供電如所示,而且,同時給儲能電池充電;當突發(fā)停電時,UPS電源開始工作,由儲能電池工給負載所需電源,維持正常的生產(如粗黑→所示);當由于生產需要,負載嚴重過載時,由電網電壓經整流直接給負載供電(如虛線所示)。


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UPS電源系統(tǒng)主要分兩大部分,主機和儲能電池。額定輸出功率的大小取決于主機部分,并與負載屬那種性質有關,因為UPS電源對不同性能的負載驅動能力不同,通常負載功率應滿足UPS電源70%的額定功率。儲能電池容量的選取當負載功率確定后主要取決其后備時間的長短,這個時間因各企業(yè)情況不同而不同,主要由備用電源的接入時間來定,通常在幾分鐘或幾個小時不等。萊鋼中小型棒材生產線因生產需要不允許斷電,因此,UPS電源系統(tǒng)在檢測到電網電壓中斷后,可自行啟動供電,且隨著儲能電池慢慢放電,儲能電池的容量隨著時間會逐漸降低,考慮到壽命終止時儲能電池容量下降到50%并留有一定的余量,我廠UPS電源系統(tǒng)的工作時間當儲能電池滿容量時為2小時,半容量為1小時。 2.1電源工作原理 
2.1.1 AC-DC變換:將電網來的交流電經自耦變壓器降壓、全波整流、濾波變?yōu)橹绷麟妷?,供給逆變電路。AC-DC輸入有軟啟動電路,可避免開機時對電網的沖擊。 
2.2 .2 DC-AC逆變電路:采用大功率IGBT模塊全橋逆變電路,具有很大的功率富余量,在輸出動態(tài)范圍內輸出阻抗特別小,具有快速響應特性。由于采用高頻調制限流技術,及快速短路保護技術,使逆變器無論是供電電壓瞬變還是負載沖擊或短路,均可安全可靠地工作。 2.3.3 控制驅動:控制驅動是完成整機功能控制的核心,它除了提供檢測、保護、同步以及各種開關和顯示驅動信號外,還完成SPWM正弦脈寬調制的控制,由于采用靜態(tài)和動態(tài)雙重電壓反饋。大大的改善了逆變器的動態(tài)特性和穩(wěn)定性。不間斷電源工作原理框圖如圖2所示。 2.3電源工作過程 
當市電正常380Vac時,直流主回路有直流電壓,供給DC-AC交流逆變器,輸出穩(wěn)定的220Vac交流電壓,同時市電對電流充電。當任何時候市電欠壓或突然掉電,則由電池組通過隔離二極管開關向直流回路饋送電能。從電網供電到電池供電沒有切換時間。當電池能量即將耗盡時,不間斷電源發(fā)出聲光報警,并在電池放電下限點停止逆變器工作,長鳴告警。不間斷電源還有過載保護功能,當發(fā)生超載(150%負載)時,跳到旁路狀態(tài),并在負載正常時自動返回。當發(fā)生嚴重超載(超過200%額定負載)時,不間斷電源立即停止逆變器輸出并跳到旁路狀態(tài),此時前面空氣開關也可能跳閘。消除故障后,只要合上開關,重新開機即開始恢復工作。為使不間斷電源充分工作,避免在過載或欠載下運行,電源在開機前,首先計算負載容量。FR-UK型不間斷電源(標稱額定功率)80%的阻性負載設計負載能力,一般帶計算機負載時可承受的按下式估算: ∑i=1 n Pi≤P 
其中P為不間斷電源輸出容量(VA),P為第i個負載伏安數 每套PLC功率: 220V*0.5=110VA 每臺操作站功率: 220V*2A=440VA IBM PC客戶機及服務器:220V*1.=330VA

 

 


則總功率:10*110VA+4*440VA+11*330VA=6490VA 6490VA/0.8=8112VA 
因此,在這條棒材生產線上,采用10KVA的不間斷電源比較合適。 三、UPS電源系統(tǒng)的使用與維護 1 、UPS電源系統(tǒng)開、關機 1.1 *次開機 
(1)按以下順序合閘:儲能電池開關→自動旁路開關→輸出開關依次置于“ON"。 (2)按UPS啟動面板“開”鍵,UPS電源系統(tǒng)將徐徐啟動,“逆變”指示燈亮,延時1分鐘后,“旁路”燈熄滅,UPS轉為逆變供電,完成開機。 
經空載運行約10分鐘后,按照負載功率由小到大的開機順序啟動負載。 1.2 日常開機 
只需按UPS面板“開”鍵,約20分鐘后,即可開啟電腦或其它儀器使用。通常等UPS啟動進入穩(wěn)定工作后,方可打開負載設備電源開關(注:手動維護開關在UPS正常運行時,呈“OFF"狀態(tài))。 1.3 關機 
先將電腦或其它儀器關閉,讓UPS空載運行10分鐘,待機內熱量排出后,再按面板“關”鍵。 
2、UPS電源系統(tǒng)使用注意事項 
UPS電源系統(tǒng)因其智能化程度高,儲能電池采用了免維護蓄電池,這雖給使用帶來了許多便利,但在使用過程中還應在多方面引起注意,才能保證使用安全。 
(1)UPS電源主機對環(huán)境溫度要求不高,+5℃~40℃都能正常工作,但要求室內清潔,少塵,否則灰塵加上潮濕會引起主機工作紊亂。儲能蓄電池則對溫度要求較高,標準使用溫度為25℃,平時不能超過+15℃~+30℃。溫度太低,會使儲電池容量下降,溫度每下降1℃,其容量下降1%。其放電容量會隨溫度升高而增加,但壽命降低。如果在高溫下長期使用,溫度每高10℃,電池壽命約降低一半。 
(2)主機中設置的參數在使用中不能隨意改變。特別是對電池組的參數,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調整。通常以25℃為標準,環(huán)境溫度每升高或降低1℃時,浮充電壓應增加18mV(相對于12V蓄電池)。 
(3)在無外電靠UPS電源系統(tǒng)自行供電時,應避免帶負載啟動UPS電源,應先關斷各負載,

 

 


等UPS電源系統(tǒng)起動后再開啟負載。因負載瞬間供電時會有沖擊電池,多負載的沖擊電流和加上所需的供電電流會造成UPS電源瞬間過載,嚴重時將損壞變換器。 
(4)UPS電源系統(tǒng)按使用要求功率余量不大,在使用中要避免隨意增加大功率的額外設備,也不允許在滿負載狀態(tài)下長期運行。但工作性質決定了UPS電源系統(tǒng)幾乎是在不間斷狀態(tài)下運行的,增加大功率負載,即使是在基本滿載狀態(tài)下工作,都會造成主機出故障,嚴重時將損壞變換器。 
(5)自備發(fā)電機的輸出電壓,波形、頻率、幅度應滿UPS電源對輸入電壓的要求,另久發(fā)電機的功率要遠大于UPS電源的額定功率,否則任一條件不滿,將會造成UPS電源工作異?;驌p壞。 
(6)由于組合電池組電壓很高,存在電擊危險,因此裝卸導電聯(lián)接條、輸出線時應用安全保障,工具應采用絕緣措施,特別是輸出接點應有防觸摸措施。    
(7)不論是在浮充工作狀態(tài)還是在充電、放電檢修測試狀態(tài),都要保證電壓、電流符合規(guī)定要求。過高的電壓或電流可能會造成電池的熱失控或失水、電壓、電流過小會造成 電池虧電,這都會影響電池的使用壽命,前者的影響更大。 
(8)在任何情況下,都應防止電池短路或深度放電,因為電池的循環(huán)壽命和放電深度有關。放電深度越深、循環(huán)壽命越短。在容量試驗中或是放電檢修中,通常 放電達到容量的30%~50%就可以了。 
(9)對電池應避免大電流充放電,雖說在充電時可以接受大電流,但在實際操作中應盡量避免,否則會造成電池極板膨脹變形,使得極板活性物質脫落,電池內阻增大,溫升越高,嚴重時將造成容量下降,壽命提前終止。 3、日常維護與檢修 
(1)UPS電源在正常使用情況下,主機的維護工作很少,主要是防塵和定期除塵。特別是氣候干燥的地區(qū),空氣中的灰粒較多,機內的風機會將灰塵帶入機內沉積、當遇空氣潮濕時會引起主機控制紊亂造成主機工作失常,并發(fā)生不準確告警,大量灰塵也會造成器件散熱不好。一般每季度應*清潔一次。其次就是在除塵時,檢查各連接件和插接件有無松動和接觸不牢的情況。    
(2)雖說儲能電池組目前都采用了免維護電池,但這只是免除了以往的測比、配比、定時添加蒸餾水的工作。但外因工作狀態(tài)對電池的影響并沒有改變,不正常工作狀態(tài)對電池造成的影響沒有變,這部分的維護檢修工作仍是非常重要的,UPS電源系統(tǒng)的大量維修檢修工作主要在電池部分。 
a.儲能電池的工作全部是在浮充狀態(tài),在這種情況下至少應每年進行一次放電。放電前應先對電池組進行均衡充電,以達全組電池的均衡。要清楚放電前電池組已存在的落后電池。放電過程中如有一只達到放電終止電壓時,應停止放電,繼續(xù)放電先消除落后電池后再放。

 

 


b.核對性放電,不是首先追求放出容量的百分之多少,而是要關注發(fā)現(xiàn)和處理落后電池,經對落后電池處理后再作核對性放電實驗。這樣可防止事故,以免放電中落后電池惡化為反極電池。 
c.平時每組電池至少應有8只電池作標示電池,作為了解全電池組工作情況的參考,對標示電池應定期測量并做好記錄。 
d.日常維護中需經常檢查的項目有:清潔并檢測電池兩端電壓、溫度;連接處有無松動,腐蝕現(xiàn)象、檢測連接條壓降;電池外觀是否完好,有無殼變形和滲漏;極柱、安全閥周圍是否有酸霧逸出;主機設備是否正常。 
e.免維護電池要維護,不是什么無稽之談,應從廣義的維護立場出發(fā),做到運行、日常管理的周到、細致和規(guī)范性,保證設備(包括主機設備)保持良好的運行狀況,從而延長使用年限;保證直流母線經常保持合格的電壓和電池的放電容量;保證電池運行和人員的安全可靠。這就是電池維護的目的,也是電池運行規(guī)程中包括的內容和進行規(guī)則。 
(3)當UPS電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,應先查明原因,分清是負載還是UPS電源系統(tǒng);是主機還是電池組。雖說UPS主機有故障自檢功能,但它對面而不對點,對更換配件很方便,但要維修故障點,仍需做大量的分析、檢測工作。另外如自檢部分發(fā)生故障,顯示的故障內容則可能有誤。    
(4)對主機出現(xiàn)擊穿,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)當電池組中發(fā)現(xiàn)電壓反極、壓降大、壓差大和酸霧泄漏現(xiàn)象的電池時,應及時采用相應的方法恢復和修復,對不能恢復和修復的要更換,但不能把不同容量、不同性能、不同廠家的電池聯(lián)在一起,否則可能會對整組電池帶來不利影響。對壽命已過期的電池組要及時更換,以免影響到主機。 四、結束語   
再好的設備也有壽命,也會出現(xiàn)各類故障,但維護工作做的好可以延長壽命,減少故障的發(fā)生,這和人的壽命長短、生老病死是一樣的道理。不要因為高智能、免維護而忽略了本應進行的維護工作,預防在任何時候都是安全運行的重要保障。   
不間斷電源UPS的工作原理 
  按UPS的工作方式來分,可分為在線(on-line)式UPS和離線(off-line)式UPS。離線式UPS又稱后各式UPS,它還可分為正弦波輸出、方波輸出、帶穩(wěn)壓的或不帶穩(wěn)壓的。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

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