廣播電視發射系統中UPS電源的運用及故障處理

羅立言

【摘要】廣播電視發射系統是由大量硬件設備構成的大型信號處理與發射系統，為了完成廣播電視信號的發射，保障設備正常工作，需要采用相應技術措施進行保障，其中UPS電源保障系統是非常重要的一種措施。本文結合廣播電視行業的特點，分析了幾種常見的UPS產品的特點，并對一些典型的故障現象進行了分析及處理，希望可以為廣播電視發射系統的運營維護人員提供一些新的思路。

【關鍵詞】廣播電視;發射系統;UPS電源;故障處理

中圖分類號：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.09.009

隨著信息時代的到來，各種計算機機房的建設規模不斷擴大，對機房設備運行的穩定性也越來越高。對于機房而言，除了設備本身的性能外，其穩定性和連續性主要受到供電的影響。對于許多信息化系統而言，設備是絕對不允許斷電的，例如政務系統、交通指揮系統、應急管理系統、廣播電視系統等等，這些系統一旦停止供電，將會造成難以估量的經濟損失，還可能造成十分惡劣的社會影響。為此，如何保障重要機房設備的連續供電，即使在市電斷開的情況下也能保證設備繼續運行，成為近年行業內研究的熱點課題。隨著技術的進步，各種技術手段被運用到機房設備管理中來，其中UPS就是機房最為重要的設備之一，通過UPS來保障計算機設備連續工作也是當前應用最為廣泛的手段之一。

1. UPS概述

UPS（Uninterruptible Power System）又稱為不間斷電源，它可以對能量進行定時間的存儲，并在需要的時候為外部設備進行供電，UPS可以理解為一組大容量的電池。與一般電池組的原理相似，UPS內部含有儲能裝置，其核心組成部分是逆變器，可以為外部設備輸出恒壓恒頻的不間斷電源。不僅可以用于單臺計算機的供電，還可以用于計算機網絡系統、電力電子設備等提供不間斷的電力供應。

當電網電壓正常時，理論上是不需要UPS也可以保障負載正常運行的，但UPS的引入將可以改善供電質量，因為市電壓通過UPS穩壓后供應給負載使用，使輸出的電能質量更高。實際上，性能好的UPS本身就是一個性能優異的交流穩壓器能夠大大改善電源供電質量。在外部市電正常時，UPS一邊進行穩壓，一邊對機內的電池進行充電，儲存后備能源。當電網電壓異常或斷電時，UPS內部傳感器會立刻感應到內容電源的斷開，于是立即控制逆變器將電池的直流電能轉換為交流電能維持對負載的供電。從外部市電供電到UPS供電，整個過程中是在瞬間完成的，在電網供電之間自行切換，無需人工干預，確保對負載的不間斷供電。當然，根據設備的精密程度，其可承受的切換時間也是不一樣的，需要根據實際應用場景進行分析。

2. 常見UPS及其特點分析

根據UPS不間斷電源工作方式的不同，將UPS分為后備式UPS、在線式UPS電源和互動式UPS電源，并對其基本結構和工作原理進行分析。

2.1 后備式UPS

后備式UPS電源為用戶提供了兩路市場通道，其功能是不同的。在市電正常供電的情況下，其中一路市電通過整流器對蓄電池進行充電，而另一路市電通過自動穩壓器初步穩壓吸收部分電網干擾后，再由旁路轉換開關直接提供給用戶。后備式UPS的電路原理圖如圖1所示。

如圖1，當市電正常時，充電器對蓄電池進行充電和浮充電，逆變器不工作;當市電中斷或異常時，由它將蓄電池供給的直流電轉變成負荷負載要求的交流電，保證負載在一段時間內仍可繼續工作。對于轉換一關，在市電正常的情況下，輸出轉換開關接通輸入電源向負載供電，反之，輸出轉換開關會斷開市電回路并立即切換到逆變器，通過逆變器對負載繼續供電。通過智能調壓電路能夠調節并穩定輸出電壓。

2.2 在線式UPS

所謂在線式UPS，是相對于后備式UPS而言的，它不是在市電異常時再介入，而是不管市電是否正常都會參與供電。在在線式UPS中，市電和用電設備是隔離的，市電不會直接供電給用電設備，而是由UPS先將市電轉換成直流電，再兵分兩路：其中一路轉回交流電為負載供電，另一路則對蓄電池進行充電或浮充電。在線式UPS的電路原理圖如圖2所示。

從電路結構分析可知，在線式UP的逆變器一直處于工作狀態，將市電交流電轉變為直流電，轉換為高質量的正弦波交流電輸出給負載。在外部供電正常時，在線式UPS的不僅可以提供穩壓功能，而言可以有效防止電波干擾。在市電停電的情況下，備用直流電源驅動逆變器為負載提供交流電。

2.3 互動式UPS

雖然在線式UPS的優點是明顯的，但由于在線式UPS的逆變器一直處于工作狀態，在市電供電正常時需要進行一次電能變換和反變換，實際上這是多余的，白白浪費了效率。而互動式UPS則改進了這一缺點。互動式UPS電源中有一個是雙向的，既可以當逆變器使用，又可以作為充電器。互動式UPS不間斷電源是根據輸入市電情況通過升降壓或逆變時調整電壓輸出。互動式UPS不間斷電源由于沒有經過兩次變換，其效率明顯高于在線式UPS，最高可以達到95%以上。

3. UPS在廣播電視發射系統中的應用

廣播電視發射系統是廣播電視臺的核心技術設體系，它承載著廣播電視節目發射的重任。在廣播電視發射機內將音頻信號或視頻信號調制到高頻載波上，經放大后由饋線送往天線，以無線電波的形式輻射出去，從而把廣播電視節目傳送到千家萬戶。以上整個過程都是由廣播電視發射臺來完成的，其結構主要包括發射機和天線、饋線系統等部分。在廣播電視發射系統中，任何一個環節出現問題都會導致播出事故的發生，因此對整個系統內的設備工作穩定性和持續性有非常高的要求，必須確保整個發射過程中的參與設備均正常工作。也正是這樣，廣播電視發射系統的機房中都會配備合適的UPS，以確保所有設備的正常電力供應。在應用過程中需要注意以下問題：

3.1 考慮負載大小及特性

UPS額定輸出功率是標志該產品能驅動多大功率負載的重要參數，它隨負載功率因數的變化而變化，為了延長UPS的使用壽命，UPS不宜長期處于滿載狀態下運行。后備式UPS一般選取額定功率的60%～70%的負載量，在線式UPS一般選取額定功率的70%～80%的負載量。同時UPS盡量不要長期處于過度輕載狀態下運行。

3.2 做好防感應雷害工作

雷擊是所有電器的天敵，一定要注意保證UPS的有效屏蔽和接地保護。雷害會因電磁感應現象產生感應高電位脈沖。這些高電位脈沖沿著電源線或通信線進入UPS，而UPS中采用了大量的CMOS集成電路模塊和控制用的CPU等微電子器件，它們對雷電的電磁脈沖非常敏感，因此很容易被擊壞，但我們的UPS具備有效屏蔽和良好保護接地措施，但用戶也要做好電源線和通信線（例如遠端監控信號線）的防雷過壓保護。

3.3 注意使用維護與保養

使用UPS電源時，應務必遵守產品說明書或使用手冊中的有關規定，保證所接的火線、零線、地線符合要求，用戶不得隨意改變其相互的順序。嚴格按照正確的開機、關機順序進行操作。避免因負載突然加載或突然減載時，UPS電源的電壓輸出波動大，而使UPS電源無法正常工作。嚴禁頻繁地關閉和開啟UPS電源、禁止超負載使用，對于長期無停電的UPS，應當每隔3～6個月對電池放電，然后重新充電。這樣才能延長電池的使用壽命。對于長期存放的UPS，應當每隔3～6個月對UPS開機使用和充電，否則UPS主機和電池都會損壞。定期對UPS電源進行維護工作。清除機內的積塵，測量蓄電池組的電壓，檢查風扇運轉情況及檢測調節UPS的系統參數等。

3.4 電池管理

在每個功率模塊內部設置專門的充電整流器，可靠性高，無高頻雜波，避免高頻波對電池壽命的影響;避免電池在充電時過熱，延長了電池的使用壽命。用戶可通過監控顯示屏對電池管理參數進行設置，系統會根據用戶設置和電池組實際狀態對電池進行智能管理。在電池充電時，需要注意以下幾點：電池充電模式采用浮充、均充，由用戶進行選擇。自動控制電池均浮充，系統可根據電池工作狀態自動進行均浮充轉換，電池浮充時，當充電電流高于所設定的自動均浮充轉換電流值，系統由浮充轉為均充;電池均充時，當充電電流低于自動轉換的臨界值并持續穩定三個小時后，系統由均充轉為浮充。電池均充電，首先是恒流過程，在該階段，充電電流一直逼近于設置限流值，電池電壓則隨著時間逐步升高。其次是恒壓過程，在該階段，充電電壓已逼近限定充電電壓，充電電流則逐漸減小，在該階段說明電池已接近飽和狀態。

4. UPS常見故障分析及處理

UPS作為一種復雜的高科技產品，其故障類型和現象是多種多樣的，本文難以窮舉。筆者根據多年的工作經驗，對一些UPS的典型故障進行分析并給出處理建議。

4.1 市電欠壓

某廣播電視機房的一臺UPS設備在外部市電欠壓，有可能是輸入欠壓，排查思路為：

檢查交流輸入空開是否處于閉合狀態，檢查交流輸入空開上端三相電壓是否正常

檢查UPS交流接線端子上端三相電壓是否正常，檢查UPS交流接線端子下端三相電壓是否正常，如果出現異常，可以判定為輸入異常。

4.2 直流異常、直流過壓、直流欠壓

比較常見的故障，排查思路為檢查系統監控總攬屏直流電壓是否正常，檢查直流正負空開是否閉合，檢查直流正負接線端子上端電壓是否正常，檢查直流正負接線端子下端電壓是否正常。

4.3 蓄電池充電故障

若判定為蓄電池或充電電路故障，檢查思路：首先對充電電路輸入輸出電壓進行測量，如果輸入正常但輸出異常，可推斷出是充電電路故障。如果輸出都沒有異常，那可能是由于蓄電池長期未充電、過放或已到壽命期等原因所致。

4.4 功放晶體管頻繁燒壞

某廣播電視機房的某型UPS逆變器一對功放晶體管損壞，更換同型號晶體管后，不久又燒壞，反復換了幾次均是被燒壞。根據電路基本原理，元器件燒壞通常是過流所致，因此功放晶體管頻繁燒壞的原因分析就變成了UPS過流的原因分析。根據以往經驗，UPS過流主要有：

過流保護失效。當逆變器輸出發生過電流時，過流保護電路不起作用;脈寬調制故障，輸出的兩路互補波形不對稱，一個導通時間長，而另一個導通時間短，使兩臂工作不平衡，甚至兩臂同時導通，造成兩管損壞;功率管參數相差較大，此時即使輸入對稱波形，輸出也會不對稱，該波形經輸出變壓器，造成偏磁，即磁通不平衡，積累下去導致變壓器飽和而電流驟增，燒壞功率管，而一只燒壞，另一只也隨之燒壞。

4.5 不能正常開機

某型UPS在開啟后，顯示面板上沒有給出任何提示信息，且UPS始終未進入正常工作狀態。從以上現象來看，其故障可以在市電輸入、蓄電池和市電檢測部分及蓄電池電壓檢測回路，排查思路為：首先檢查市電輸入保險絲是否燒毀，如果保險絲完好，檢查蓄電池保險是否燒毀，如果市電檢測電路正常，再檢查蓄電池電壓檢測電路是否正常。根據UPS的一般默認設置，如果市電檢測電路異常，那么UPS就會自動關閉所有輸出及顯示。

4.6 無法自動切換工作狀態

某廣播電視機房的某型UPS在市電供電正常時逆變器工作指示燈閃爍，蜂鳴器發出間斷叫聲。經進一步觀察發現，UPS當時工作在逆變狀態，而且無法轉換到市電工作狀態。根據以上現象，不能進行逆變供電向市電供電轉換，說明逆變供電向市電供電轉換部分出現了故障，分析思路：確認市電輸入保險絲是否損壞，如果無損壞，檢查市電整流濾波電路輸出是否正常，如果正常則繼續檢查市電檢測電路是否正常，如果正常，再檢查逆變供電向市電供電轉換控制輸出是否正常。找到故障原因后相應進行維修即可。

4.7 蓄電池保險絲熔斷

某廣播電視機房有一臺后備式UPS，該設備如果負載接近滿載時，市電供電正常，而蓄電池供電時蓄電池保險絲熔斷。根據物理學原理，保險絲熔斷顯然是由于電流過大導致的。此時需要依次檢查逆變器是否擊穿、蓄電池電壓是否過低、保險絲產品是否達標。

5. 結語

UPS屬于高科技產品，其技術水平仍在不斷提高，未來的UPS產品無論是在功能還是性能方面都將全面超越當前水平，這為廣播電視發射系統的運維保障提供了很好的條件，也預示了UPS廣闊的應用前景。本文對UPS的一些典型故障進行分析，可以為相關故障的排查提供參考，具有一定的現實意義。

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