短波廣播發射臺UPS的應用與維護

張 輝

(國家新聞出版廣電總局 724臺，陜西 岐山 722400)

0 引言

隨著各種自動化系統在短波廣播發射臺中的廣泛應用，作為自動化系統的重要外設，UPS電源主要發揮以下幾個方面的作用：（1）防止外電突然中斷造成的設備停止工作及數據丟失。（2）濾除外電中浪涌、頻偏等電源污染，改善電源質量。它主要用于短波廣播發射機自動化系統，節目源傳輸系統，為安全傳輸發射服務的各類服務器、工作站當中。一個良好穩定的UPS電源對于保證廣播電視傳輸的不間斷、高質量非常重要。因此，如何科學合理的配置、使用維護好UPS電源顯得越來越重要。

1 UPS的構成與工作原理

UPS電源主要由以下四部分組成，分別是：整流器、逆變器、蓄電池，旁路開關，下面分別對以上四部分加以詳述。

整流器：它是一個將市電或發電機的交流電能轉化為直流的裝置。作為一個整流裝置，它的功能主要是：a）將交流電轉化為直流電，濾波后送給逆變器。b）為蓄電池提供充電電壓。

晶閘管整流器：晶閘管整流器輸出容量大，可靠性高，工作頻率低，濾波器體積大，噪聲大，適用于輸入電壓低、功率大的UPS。

二極管與絕緣柵雙極晶體管(IGBT)組合型整流器：二極管+IGBT組合型整流器的工作頻率高，具有功率因數校正功能，濾波器體積小，噪聲低，可靠性高，適用于中小功率UPS。

逆變器：它是一個將整流后的直流電能轉化為電壓和頻率都比較穩定的交流電能的裝置，最后提供給負載。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。其性能的優劣直接影響UPS的輸出性能指標。IGBT逆變器工作頻率高(20kHz)，濾波器體積小，噪聲低，可靠性高。

旁路開關：旁路開關是為提高UPS系統工作的可靠性而設置的，能承受負載的瞬時過載或短路。因UPS的逆變器采用電子器件，如IGBT管的過載能力僅為125%，當UPS供電系統出現過載或短路故障時，UPS將自動切換到旁路，以保護UPS的逆變器不會因過載而損壞。UPS供電系統轉入旁路供電后，是由市電直接供給負載，因市電的系統容量大可提供足夠的時間，使過載或短路回路的斷路器跳閘，待系統切除過載或短路回路后，旁路開關將自動轉換回由逆變器繼續向其他負載供電。

1）靜態旁路開關：又稱靜止開關，它是一種無觸點開關，是用兩個可控硅（SCR）反向并聯組成的一種交流開關，其閉合和斷開由邏輯控制器控制。分為轉換型和并機型兩種。轉換型開關主要用于兩路電源供電的系統，其作用是實現從一路到另一路的自動切換；并機型開關主要用于并聯逆變器與市電或多臺逆變器。所謂電子式靜態轉換開關，是將一對反向并聯的快速晶閘管連接起來作為UPS在執行由市電旁路供電至逆變器供電切換操作時的元件，由于快速晶閘管的接通時間為微秒級，同小型繼電器毫秒級的轉換時間相比，它只是小型繼電器的千分之一左右。因此，依靠這種先進技術，可以對負載實現轉換時間為零的不間斷供電。正常工作時，只有逆變器供電回路或交流旁路電源回路之中的一路電源向負載供電。只有當UPS需要執行由交流旁路電源供電至逆變器供電切換操作時，才會出現短暫的(約幾毫秒～幾十毫秒)兩路交流電源在時間上重疊向負載供電的情況。靜態開關可以將轉換時間縮短到毫秒以下，甚至100μs以內，但損耗較大。

2）動態旁路開關：動態開關為有觸點開關，由接觸器、斷路器構成，靠機械動作完成轉換，動態開關轉換過程會有幾十毫秒的供電中斷，故不能應用于重要的負載場合，現代的UPS已很少采用。

蓄電池：是UPS用來作為儲存電能的裝置，它由若干個電池串聯而成，其容量大小決定了其維持放電（供電）的時間。其主要功能是：a）當市電正常時，將電能轉換成化學能儲存在電池內部。b）當市電故障時，將化學能轉換成電能提供給逆變器或負載。

2 UPS電源的分類

主要包括以下三種：后備式、在線式、在線互動式。

后備式UPS電源：當外電供電正常時，先將交流電轉換為直流電，再經過脈寬調制、濾波，將直流電重新轉變成交流電向負載供電，期間逆變器不會發生動作。若外電停止，蓄電池才會啟動供電。

在線式UPS電源：當外電供電正常時，先將交流電轉換為直流電，再經過脈寬調制、濾波，將直流電重新轉變成交流電向負載供電，同時給蓄電池供電；當外電停止，蓄電池啟動對負載供電，從而保證負載正常工作。在線式UPS電源輸出的是與電網完全隔離的純凈的正弦波電源，品質高，確保負載可以安全穩定工作。

隨著我國國民經濟的快速發展以及現代工業的快速成長，氣體產品種類越來越豐富，氣體工業加速發展，加上世界制造業的調整，移動式壓力容器的裝備制造中心也正迅速崛起并向中國轉移。移動式壓力容器所具有的裝載量大、運輸手段靈活和運輸成本低廉的特點，逐步發展成為運輸工業氣體的主力，并在我國國民經濟發展過程中起著重要的作用。移動式壓力容器儲運的介質絕大多數都屬于易燃、易爆等有害液化氣體，如果引發安全事故，不僅造成財產損失，也容易污染環境甚至造成人員傷亡，社會影響極其惡劣。

在線互動式UPS電源：是一種介于前兩種工作方式之間的UPS電源，若外電處于規定的電壓范圍，不作調整直接供給負載，若外電數值不在正常范圍，則開啟升壓或者是降壓，且不用蓄電池，當外電極低、極高或停止時，才啟用蓄電池。

3 UPS電源的運行方式

正常運行方式：當外電正常供電時，經濾波回路后，分為兩個回路同時動作，其一是經由充電回路對電池組充電，另一個則是經整流回路，作為逆變器的輸入，再經過逆變器的轉換提供電力給負載使用；在線式不間斷電源系統的輸出完全由逆變器來供應，不論外電品質如何，其輸出均是穩定而不受任何影響。

電池工作方式：一旦外電發生異常時，將儲存于電池中的直流電轉換為交流電，此時逆變器的輸入改由電池組來供應，逆變器持續提供電力，供給負載繼續使用，達到不間斷供電的功能。不間斷電源系統的電力來源是電池，而電池的容量是有限的，因此不間斷電源系統不會像外電一般無限制的供應，所以不論多大容量的不間斷電源系統，在其滿載的狀態下，其所供電的時間必定有限。

旁路運行方式：當在線式UPS電源超載、旁路命令、逆變器過熱或機器故障，UPS電源一般將逆變輸出轉為旁路輸出，即由外電直接供電。由于旁路時，UPS電源輸出頻率相位需與外電頻率、相位相同，因而采用鎖相同步技術確保UPS輸出與外電同步。旁路開關雙向可控硅并聯工作方式，解決了旁路切換時間問題，真正做到了不間斷切換，控制電路復雜，一般應用在中大功率UPS電源上。如果在過載時，必須人為減少負載，否則旁路短路器會自動切斷輸出。

旁路維護方式：當UPS電源進行檢修時，通過手動旁路保證負載設備的正常供電，當維修操作完成后，重新啟動UPS電源，UPS電源轉為正常運行。

4 UPS電源的選擇

UPS的帶載能力是選擇UPS時首先要考慮的問題，即需要一個多大容量的UPS，被選中的UPS在各種情況下帶負載的能力又如何，都是需要認真考慮的。UPS的輸出容量不僅與負載大小有關，還與負載的性質有關。合理配置系統容量既可保證UPS的供電質量，降低故障率，又可節省投資，提高經濟效益。

4.1 根據負載大小選擇系統容量

UPS選型時須注意，不能片面地認為UPS的容量越大可靠性就越高。若UPS長期處于輕載運行，雖然有利于降低逆變器的損壞概率，但卻增加了UPS內部蓄電池失效的可能性。因為蓄電池的放電電流過小而放電時間偏長，容易造成深度放電，遭永久性損壞。若UPS長期處于重載運行，這樣雖可節省一部分投資，但由于逆變器處于重載運行，其輸出波形將發生畸變，輸出電壓幅值抖動過大。這樣既不能為負載提供優質電源，還極易造成UPS逆變器的本級驅動元件損壞。根據目前一些UPS廠家推薦，UPS單機按帶載量60%～80%來配置，并機按每臺帶載35%～40%來配置為佳。

另外UPS在選型時還要考慮負載系統的擴容問題，其預增加帶載量為20%左右。在首次配置UPS容量時，應適當考慮中遠期發展趨勢，以使中遠期負載容量增大時，通過UPS并機擴大其輸出容量。

例如，UPS的實際負載量為80kVA，則UPS的最小選擇容量可估算為：(80kVA+80kVA×20%)/60%=160kVA

4.2 根據負載性質選擇系統容量

負載性質一般分為線性負載和非線性負載。不同性質的負載有不同的功率因數和峰值因數，所以選擇UPS時，必須考慮負載的性質。

大多數計算機設備的輸入功率因數為微容性0.7，而UPS主要針對的負載正是這些，因此，所有的UPS設計均需采用輸出功率因數匹配為0.7～0.8的參數，從而最大限度地發揮UPS的帶載能力。在功率因數匹配的情況下，即計算機負載的輸入功率因數為微容性0.7，而UPS標定的輸出功率因數也為0.7時，負載的VA數與UPS的VA數比值為1：1。也就是說1VA容量的UPS在不考慮沖擊、曾容等余量因素時可帶1VA的此類負載。若功率因數不匹配，例如電阻負載，1VA容量的UPS只能帶0.7VA的電阻負載，否則UPS會出現過載現象。

5 UPS的使用與維護

5.1 UPS主機的開關機順序

由于一般負載在啟動瞬間存在沖擊電流，而UPS內部功率元件都有一定的安全工作范圍，過大的沖擊電流會縮短元器件的使用壽命甚至會損壞元器件，所以我們必須嚴格按照一定先后順序進行操作，否則很容易給UPS電源造成內傷，嚴重的話能損壞UPS電源。

正確打開UPS電源的順序應該是：先檢查UPS電源的輸入端電源極性與外電供電線路的電源極性連接是否一致，然后再檢查UPS電源輸出端所接負載的總功率大小是否在UPS電源的額定功率之內；滿足了上面的條件后，打開UPS電源控制柜上的電源開關，來讓市電為UPS內的電池組進行供電，過一段時間，再將負載的電源開關逐一打開，如此一來可以確保負載電流，不會對UPS電源的內部供電線路造成過度沖擊，從而可以有效保證UPS電源不受內傷。

正確關閉UPS電源的順序應該是：先將連接到UPS電源輸出端的負載逐一關閉掉，之后再將電源控制柜上的電源開關關閉掉就可以了，如果長時間不使用UPS電源的話，可以考慮將連接到市電插座上的電源線纜拔掉，以避免雷雨季節UPS遭遇雷電襲擊，從而引發雷擊事故。

5.2 蓄電池的維護

1）環境溫度：影響蓄電池壽命的重要因素是環境溫度，一般要求的最佳環境溫度是在20-25℃之間。雖然溫度的升高對電池放電能力有所提高，但付出的代價卻是電池的壽命大大縮短。據試驗測定，環境溫度一旦超過25℃，每升高10℃，電池的壽命就要縮短一半。目前UPS所用的蓄電池一般都是免維護的，其設計壽命是在電池生產廠家要求的環境下才能達到。達不到規定的環境要求，其壽命的長短就有很大的差異。另外，環境溫度的提高，會導致電池內部化學活性增強，從而產生大量的熱能，又會反過來促使周圍環境溫度升高，這種惡性循環，會加速縮短電池的壽命。

2）定期充電放電：UPS電源中的浮充電壓和放電電壓，在出廠時均已調試到額定值，而放電電流的大小是隨著負載的增大而增加的，使用中應合理調節負載，比如控制負載數量。一般情況下，負載不宜超過UPS額定負載的60%。在這個范圍內，電池的放電電流就不會出現過度放電。

UPS因長期與市電相連，在供電質量高、很少發生市電停電的使用環境中，蓄電池會長期處于浮充電狀態，日久就會導致電池化學能與電能相互轉化的活性降低，加速老化而縮短使用壽命。因此，一般每隔2-3個月應完全放電一次，放電時間可根據蓄電池的容量和負載大小確定。一次全負荷放電完畢后，按規定再充電8小時以上。

3）選用合適的UPS電源充電器：UPS電源用的免維護密封電池不能用可控硅式的“快速充電器”進行充電。這是因為這種充電器會造成蓄電池同時處于既“瞬時過流充電”又“瞬時過壓充電的惡劣充電狀態。這種狀態會使電池可供使用容量大大下降，嚴重時會使蓄電池報廢。 在采用恒壓截止型充電回路的UPS電源時，注意不要將電池電壓過低保護工作點調得過低，否則，在它充電初期容易產生過流充電。當然，最好選用即具有恒流，又有恒壓的充電器對其進行充電。

5.3 適宜的工作環境：

1）保持UPS工作環境的清潔，否則灰塵會進入UPS的控制框中，并直接覆蓋在它的電子線路中，時間一長UPS內部的工作電路就會散熱不良，長期以往自然就容易出現故障了。最好將UPS放置在四處通風、遠離灰塵的環境，這樣可以確保UPS在長時間工作后散熱充分。

2）避免潮濕環境，UPS內部有電子線路，電子線路中的各個元器件在潮濕環境中長期工作時，其電氣性能會逐步下降，而且還有可能產生漏電現象，引發火災事故。

3）避免UPS處于強磁場包圍之中，也就是說不能將它與具有強磁特性的設備放置在一起，因為UPS的防磁能力十分有限，如果長時間在強磁場環境中工作的話，UPS的使用壽命將大大縮短。

6 結束語

隨著廣電事業的持續快速發展，UPS的使用將越來越廣泛，其重要性也將越來越高，所以，正確選用、合理維護好UPS十分必要，只有這樣，才能讓它發揮出更大的作用。