淺析UPS的工作原理及維護方法

李劍

【摘 要】本文旨在簡述UPS的基本原理，對UPS的分類、容量、電池選擇等進行了分析，結合實際工作對UPS和蓄電池的合理使用和維護進行了論述，旨在提高UPS的可用性和可靠性，使其電池壽命接近設計壽命，確保供電系統(tǒng)的運行安全。

【關鍵詞】UPS；容量；壽命；維護

【Abstract】This paper briefly describes the basic principles of lead-acid batteries， analyzes the capacity， the charge/discharge characteristics and the environmental factors of lead-acid batteries. Besides， the paper has discussed lead-acid batteries rational use and maintenance in practical work. The main purpose of this paper is how to improve lead-acid batteries availability and reliability， and then extend the batteries use life， make the batteries more efficient， ensure the power supply system work safely.

【Key words】Lead-acid battery； Capacity； Working life； Maintenance

0 前言

目前，各個領域的供電系統(tǒng)正在大量的采用不間斷電源UPS （Uninterruptible Power Supply）供電，防止因市電突然斷電而影響后端用電設備的正常工作。它的主要工作方法有：在市電供電的時候對市電進行穩(wěn)壓； UPS逆變器在市電異常時將蓄電池的化學能變成交流電能輸送出去，從而使后端用電設備得以連續(xù)運行下去。

1 UPS工作原理

UPS電源一般是由常用電源和備用電源通過轉換開關組合而成，它們之間由邏輯電路進行控制，以保證在電網(wǎng)正常或停電狀態(tài)下，整個系統(tǒng)都能可靠地工作。當市電正常時，UPS相當于一臺交流穩(wěn)壓電源，它將市電穩(wěn)壓后再供給計算機，與此同時，它還向UPS內蓄電池充電。當市電突然中斷時，UPS立刻轉為逆變工作狀態(tài)，容量根據(jù)用戶需求設備，保證后端設備的持續(xù)供電。圖1為UPS電源原理圖。

整流器：簡單的說就是將交流（AC）轉化為直流（DC）的裝置。它有兩個主要功能：第一，將交流電（AC）變成直流電（DC），經(jīng)濾波后供給負載，或者供給逆變器；第二，給蓄電池提供充電電壓。

逆變器：通俗的講，逆變器是一種將直流電（DC）轉化為交流電（AC）的裝置，將整流器提供的直流電源逆變成穩(wěn)定、純凈的交流電源。

靜態(tài)開關：靜態(tài)開關又稱靜止開關，主要為提高系統(tǒng)的可靠性，當UPS發(fā)生故障、負載過載或放電結束時，使負載能無中斷的自動切換到靜態(tài)旁路，有市電供電。

2 UPS的分類

2.1 后備式。UPS在市電正常時直接由市電向負載供電，當市電超出其工作范圍或停電時，通過轉換開關轉為電池逆變供電。沒有穩(wěn)壓，有切換時間，且輸出波形一般為方波。

2.2 在線互動式。UPS在市電正常時直接由市電向負載供電，當市電偏低或偏高時，通過UPS內部穩(wěn)壓線路穩(wěn)壓后輸出，當市電異常或停電時，通過轉換開關轉為電池逆變供電。其特點是：有穩(wěn)壓，但同樣存在切換時間。

2.3 在線式UPS在市電正常時，由市電進行整流提供直流電壓給逆變器工作，由逆變器向負載提供交流電，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。其特點是，有極寬的輸入電壓范圍，基本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較高的場合，但是成本較高。目前，市場上應用較多的的UPS大多是在線式UPS。

3 UPS的容量選擇及及電池配備

3.1 UPS的容量選擇

首先計算前端的負載功率，為確保UPS系統(tǒng)高效率和盡可能的延長UPS使用壽命，一般負載功率應滿足UPS額定功率的60%-70%。計算前端的負載功率時，要明確UPS配電系統(tǒng)的供電范圍，根據(jù)機房內設備數(shù)量進行容量綜合考慮。其次，要根據(jù)機房內機柜布局規(guī)劃進行設計，在條件允許下，則盡量考慮未來機房發(fā)展供電冗余，為今后負荷的擴展提供方便。一般可以按照每個機柜的實際用電量進行核定，預留機柜一般設計為1.5KVA。

3.2 電池配備

電池供電時間主要受負載大小，電池容量，環(huán)境溫度，電池放電截止電壓等因素影響，根據(jù)延時要求，確定所需電池的容量大小，用安時AH值來表示，以給定電流安培數(shù)時放電的時間小時數(shù)來計算。

一般UPS電池配置公式如下：

UPS電源功率（VA）*延時時間（小時數(shù)）/UPS電源啟動直流=所需蓄電池安時數(shù)（AH）。

以某品牌20KVA UPS延時半小時為例：其啟動直流為：96V（UPS在出廠時的標準直流電壓），則20000伏安*0.5小時/96V=104AH，結果是需要，104AH的電池才能滿足半小時的供電，但是普通蓄電池沒有容量為104AH的電池，一般蓄電池為12V直流，[96V/12V=8]，所以8只電池為一組。我們可以選擇100AH電池來對其進行配置；其延時時間為：[100AH（蓄電池容量）*96V（UPS啟動直流電壓）/3000VA（UPS電源功率）=3.2小時，也可以選擇2組（16只）65AH的電池并聯(lián)配置，其延長時間為：（65AH*2）*96V/3000VA=4.16小時。

4 UPS電源的使用和維護

4.1 一般設備的使用說明書都清楚的給出了詳細的使用說明，其中最大啟動負載應控制在80%之內，將負載控制在30%～60%額定輸出功率范圍內是最佳工作狀態(tài)，如果超載使用在逆變狀態(tài)下，有可能擊穿逆變三極管，造成嚴重后果。

4.2 UPS電源在使用時，應避免因負載突加和突減時其電壓輸出波動異常，導致無法正常工作，因此要按正常的開關機順序進行操作。另外，如果頻繁快速地開機會造成UPS電源進入“啟動失敗”的狀態(tài)，其后果是：UPS電源既無市電輸出，又無逆變輸出，因此關掉電源后，通常要等6s后在開啟。

4.3 蓄電池的維護：

（1）保持機房環(huán)境溫度的適宜性。影響蓄電池使用壽命的重要因素是環(huán)境溫度，一般電池生產廠家要求的最佳環(huán)境溫度是20-25℃。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。環(huán)境溫度一旦超過25℃，每升高10℃，電池的壽命就要縮短一半。這是由于環(huán)境溫度的提高，會導致電池內部化學活性增強，產生大量的熱能，從而又會促使周圍環(huán)境溫度升高，這種惡性循環(huán)，會加速縮短電池的壽命。低溫下鉛酸電池內阻值明顯增加，嚴重降低放電容量，特別是大電流放電性能嚴重縮短，因此為獲得蓄電池的最佳容量和較長的使用壽命，應盡可能的保持機房溫度在20-25℃。

（2）定期對電池組性能進行評估。整組蓄電池中若有個別電池失效，那么恒電流充電時可能會導致以下兩種結果：一是電壓會迅速升高，即在整組電池尚未充足電時失效電池已處于過充電狀態(tài)，并導致整組電池充電電壓升高；二是會引起整組電池充電電流下降，延長充電時間。若個別電池出現(xiàn)內部短路時，其充電電壓就低于其他電池，當整組電池已充足電時，該落后電池卻尚未充好。長此下去就會出現(xiàn)惡性循環(huán)，影響整組電池性能。因此，在日常維護中，要做好整組電池合單體電池的性能分析。

（3）3.2建立健全蓄電池使用與維護措施。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，一般要求不大于2C，如100Ah的電池放電電流應不大于20A，故使用中應合理調節(jié)負載。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(xiàn)過度放電；UPS因長期與市電相連，在供電質量高、很少發(fā)生市電停電的使用環(huán)境中，蓄電池會長期處于浮充電狀態(tài)，日久就會導致蓄電池內部產生大量的硫酸鉛，并吸附到蓄電池陰極上，形成所謂的陰極“硫酸鹽化”，結果造成了電池內阻增大，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。因此建議每季度或半年放電一次，放出額定容量的30%～40%，放電過程中記錄電池單體電壓和電池組總電壓變化情況，并及時處理故障單體電池。

5 結束語

綜上所述，UPS的應用，不僅改善了電網(wǎng)質量，同時也提高了用電系統(tǒng)的可靠性。因此用戶在選擇UPS電源上應系統(tǒng)的分析，合理選擇，以適應不同工作環(huán)境的實際要求：同時對UPS的維護應制定并嚴格遵循一套科學有效的方法，才可能避免各種故障，使UPS的故障率降低到最小程度，真正做到不間斷地為設備提供安全、可靠的潔凈電源。同時，UPS蓄電池使用和保養(yǎng)中，要做好蓄電池的日常運行維護，定期進行活化充放電，嚴格控制好蓄電池運行溫度，做好蓄電池故障分析以及發(fā)現(xiàn)問題及時處理等，保證供電系統(tǒng)的安全運行。

【參考文獻】

[1]李理.閥控式密封鉛酸蓄電池的工作原理及使用維護[J].武警工程學報，2005（5）.

[2]UPS維護手冊[S].

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