播出機(jī)房不間斷電源的工作原理和維護(hù)管理

張 云

（作者單位：重慶廣播電視技術(shù)中心）

1 不間斷電源的工作原理

不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）主要由整流器、蓄電池、逆變器、靜態(tài)開關(guān)組成，如圖1所示。

1.1 整流器和整流器控制器

1.1.1 整流器

可控硅型三相全橋式整流器，是一種輸出電壓可調(diào)的整流器，由兩個(gè)三相半波整流電路串聯(lián)而成，如圖2所示。其中，BG1、BG3、BG5組成共陰極組，BG2、BG4、BG6組成共陽極組。整流器要形成導(dǎo)電回路，必須滿足兩個(gè)條件：一是必須有兩個(gè)可控硅同時(shí)導(dǎo)通；二是兩個(gè)不能在同一組。要保證BG1、BG3、BG5依次導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖之間的相位差應(yīng)為120°；同樣BG2、BG4、BG6依次導(dǎo)通時(shí)，觸發(fā)脈沖的相位差也應(yīng)是120°。BG1、BG3、BG5是在正半周觸發(fā)，而BG2、BG4、BG6是在負(fù)半周觸發(fā)。BG1、BG3、BG5只有在陽極承受的正弦波電壓處于正半周，控制極上輸入的是正觸發(fā)脈沖時(shí)才能導(dǎo)通。而BG2、BG4、BG6是在陽極承受的正弦波電壓處于負(fù)半周，控制極上加的是負(fù)觸發(fā)脈沖時(shí)才能導(dǎo)通。另外，要實(shí)現(xiàn)可控硅可以調(diào)節(jié)輸出電壓，必須在BG1、BG3、BG5陽極承受正向電壓的半個(gè)周期內(nèi)，與正向觸發(fā)脈沖的到來時(shí)間要一樣，且BG2、BG4、BG6陽極承受負(fù)向電壓的半個(gè)周期內(nèi)，與負(fù)向觸發(fā)脈沖的到來時(shí)間也要一樣，只有這樣才能完成，從而實(shí)現(xiàn)電源和觸發(fā)脈沖同步。

1.1.2 整流器控制器

可控硅的導(dǎo)通角是指觸發(fā)脈沖與0值之間的相位。對三相可控硅型全橋式整流器而言，由于接入的是線電壓而不是相電壓，對可控硅整流電路的最大導(dǎo)通角有嚴(yán)格要求。以接入T相的BG1和BG4為例來說明，它要受其他兩相R相和S相的電壓疊加影響，這會(huì)造成BG1和BG4陽極承受的正弦波電壓，因此不能保證BG1和BG4從0°～180°都可以使陽極的電位高于陰極，處于正向?qū)顟B(tài)，所以三相可控硅整流電路的最大導(dǎo)通角為30°。同理，R相的BG3和BG6以及S相的BG5和BG2也是如此。通過安裝在蓄電池上的直流互感器，得到直流控制信號V1。對整流器輸出電壓取樣，得到直流控制信號V2。然后把V1和V2分別送到整流器控制器中比較放大器L1和L2的反向端，經(jīng)過整流器控制電路進(jìn)行處理后，分別輸出一個(gè)觸發(fā)脈沖到可控硅BG1-BG6的控制極，通過改變可控硅的導(dǎo)通角來穩(wěn)定蓄電池的浮充電壓和充放電電流，因此，三相可控硅型全橋式整流器具有恒流、恒壓的工作特性[1]。

1.2 蓄電池

蓄電池是UPS電源里的蓄能器件。當(dāng)市電供電時(shí)，整流器給蓄電池充電，把電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能；當(dāng)市電中斷時(shí)，蓄電池通過逆變器放電，把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能[2]。

1.3 逆變器

逆變器的功能是把蓄電池輸出的直流電逆變成交流電供給負(fù)載。脈寬調(diào)制技術(shù)PWM是逆變器使用最多的技術(shù)，脈寬調(diào)制器采用的集成塊主要有SG3524、SG3525等。

1.3.1 PWM脈寬調(diào)制技術(shù)

逆變器中采用最多的是正弦波脈寬調(diào)制法。其原理是把頻率和幅度恒定的高頻等腰三角載波送到比較放大器反向端，再將幅度可調(diào)的50 MHz的正弦調(diào)制波送到比較放大器同相端，在滿足三角載波的幅度大于正弦調(diào)制波的幅度的條件下，在比較放大器的輸出端可得到幅度恒定的脈沖。SG3524是一種16腳封裝，雙輸出的脈寬調(diào)制器PWM，集成塊內(nèi)主要包括振蕩器VCC，誤差放大器CF1，限流放大器CF2，電壓比較放大器CF3，觸發(fā)器T，或非門L1和L2等。+5 V穩(wěn)壓電源給集成塊提供一個(gè)+5V的工作電壓和基準(zhǔn)電壓。VCC輸出3路信號，其中一路為三角波信號Vr1，送到CF3的反向端，另外兩路轉(zhuǎn)換成時(shí)鐘脈沖Vr2，一路送到觸發(fā)器T，另一路送到L1和L2。并由3腳輸出一個(gè)監(jiān)測信號，VCC的振蕩頻率由6腳和7腳的外接電容Cs和電阻Rs決定，F(xiàn)=1.15/CsRs。CF3同向端有3路輸入，分別來自CF1和CF2的輸出和晶體管CR3的集電極輸出。逆變器的輸出電壓取樣信號，一路送到CF1的1腳反向端，CF1的2腳為同向端基準(zhǔn)信號，CF1的輸出誤差信號為Va1,逆變器的輸出電流取樣信號，送到CF2的4腳反向端，CF2的5腳為同向端，CF2的輸出信號為Va2，Va1和Va2分別送到CF3的同向端，與反向端的三角波信號Vr1比較后，輸出一個(gè)脈寬調(diào)制信號Vr3。當(dāng)逆變器的輸出取樣電壓發(fā)生變化時(shí)，CF1的1腳電平也會(huì)隨之變化（上升或者下降），Vr3的脈沖寬度也會(huì)跟著變窄和變寬，進(jìn)而改變驅(qū)動(dòng)MOS管Q1~Q4的導(dǎo)通時(shí)間，直到逆變器的輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定為止。Vr2的一路送給觸發(fā)器T，其輸出為兩個(gè)互補(bǔ)的信號Q和Q—，二者相位相差180°，交替輸出高低電平給CR1和CR2，使其輪流導(dǎo)通。Vr3分別送給L1和L2，L1和L2的另兩路輸入信號分別來自T觸發(fā)器的輸出和VCC輸出的Vr2，只要Vr3、Vr2和Q有一路為高電平，L1的輸出信號Vb1即為低電平，送到功率放大晶體管CR1的基極。同理，只要Vr3、Vr2和Q—有一路為高電平L2的輸出信號Vb2即為低電平，送到功率放大晶體管CR2的基極。Vr2的另一個(gè)作用是，當(dāng)CR1和CR2進(jìn)行導(dǎo)通切換時(shí)，提供一個(gè)消隱脈沖，以避免CR1和CR2同時(shí)導(dǎo)通。9腳為外接信號，接至CF3的同向端，因此可以通過調(diào)節(jié)外接信號來控制脈寬調(diào)制信號Vr3的脈沖寬度。CR1和CR2的發(fā)射極分別通過11腳和14腳，輸出一個(gè)脈寬調(diào)制信號，給逆變器兩個(gè)橋臂中的驅(qū)動(dòng)MOS管Q1～Q4。在逆變器同一橋臂的兩個(gè)MOS管Q1和Q2中，在0°～180°的半個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，Q2完全截止，而在180°～360°半個(gè)周期內(nèi)，Q1和Q2的工作狀態(tài)則完全相反，當(dāng)Q2導(dǎo)通，Q1完全截止，由此可以看出，在一個(gè)周期0°～360°內(nèi)，二者是輪流導(dǎo)通的。另一橋臂的Q3和Q4的工作原理也是如此[3]。

1.3.2 SG3524 過流和過壓保護(hù)電路

對逆變器的輸出電壓進(jìn)行取樣，得到直流控制信號，被送到比較放大器U7（LM339）的6腳反向端，U7的1腳為同向端，7腳為輸出端，7腳的輸出電平送到SG3524的10腳控制端。當(dāng)逆變器的輸出過壓時(shí)，10腳為高電平，使CR3飽和導(dǎo)通，通過集電極輸出1個(gè)0 V電平到CF3的同向端，使CR3無脈寬調(diào)制信號輸出，SG3524被關(guān)閉。對逆變器輸出電流進(jìn)行取樣，得到的直流控制信號，被送到U5（LM339）的6腳反向端，7腳輸出連接到SG3524的4腳，4腳接到的CF2的反向端，常態(tài)下它的輸出為高電平，當(dāng)逆變器過流時(shí)，U5的7腳輸出一個(gè)高電平到CF2的4腳，當(dāng)超過5腳的基準(zhǔn)電平時(shí)，CF2輸出的電平為0，CF3的同向端的電平也為0，使CF3無脈寬調(diào)制信號輸出，SG3524被強(qiáng)制關(guān)閉[4]。

1.4 靜態(tài)開關(guān)

靜態(tài)開關(guān)是UPS電源的重要組成部分，采用2個(gè)可控硅SR1和SR2進(jìn)行反相并聯(lián)作為電源的轉(zhuǎn)換開關(guān)，是一種無觸點(diǎn)開關(guān)。在輸入正弦波電壓的一個(gè)周期內(nèi)，SR1和SR2在邏輯控制電路的控制下，分別在正半周和負(fù)半周輪流導(dǎo)通和斷開。UPS電源采用兩組靜態(tài)開關(guān)：KS1為逆變器輸出靜態(tài)開關(guān)，KS2為市電旁路輸出靜態(tài)開關(guān)，只有當(dāng)UPS電源的逆變器輸出電壓和市電電壓的幅度與頻率相同時(shí)，KS1和KS2才能正常工作。如果兩路供電之間存在瞬時(shí)電壓差，會(huì)形成環(huán)流，電壓差越大，環(huán)流也越大，環(huán)流的形成相當(dāng)于在兩路供電之間產(chǎn)生了局部短路，當(dāng)超過靜態(tài)開關(guān)和逆變器的最大承受值時(shí)，會(huì)造成UPS電源不能工作，尤其是由市電流向逆變器的環(huán)流增大時(shí)，會(huì)對逆變器造成很大的損害。因此，為保證兩路供電的幅度和頻率一致，UPS電源是通過鎖相同步電路來減小二者之間的瞬時(shí)電壓差。在正常情況下，優(yōu)先采用逆變器供電，即KS1導(dǎo)通，KS2斷開。只有當(dāng)逆變器的輸出電壓超過規(guī)定的上限或下限值時(shí)，控制器才會(huì)把KS1斷開，KS2接通，由市電給負(fù)載供電。

2 UPS電源的日常維護(hù)

2.1 怎樣延長蓄電池的使用壽命

每隔半年，要測量每個(gè)電池的端電壓和內(nèi)阻，如果端電壓差超過了0.5 V，內(nèi)阻超過了70 mΩ，就必須對每個(gè)電池進(jìn)行均衡充電。一般新蓄電池的內(nèi)阻為10 mΩ，當(dāng)蓄電池的內(nèi)阻變大后，經(jīng)過均衡充電，它的內(nèi)阻可以降到20 mΩ左右。另外，UPS電源的充電回路是不能給蓄電池進(jìn)行均衡充電的，必須外接一個(gè)輸出電壓為13.5 V的電源來對其進(jìn)行充電。

為防止蓄電池出現(xiàn)老化現(xiàn)象，如果UPS電源停機(jī)的時(shí)間超過15天以上，就必須進(jìn)行人為介入，斷開負(fù)載，給蓄電池浮充10小時(shí)以上，然后再連接上負(fù)載工作。如果外電3個(gè)月都沒有出現(xiàn)停電，這時(shí)蓄電池處于長期浮充而沒有放電的狀態(tài)，需要拔掉UPS電源的外電，讓蓄電池進(jìn)行放電。

蓄電池的深度放電和負(fù)載量的大小有關(guān)，蓄電池應(yīng)避免進(jìn)行深度放電，放電深度會(huì)影響電池的壽命，如表1所示。如果蓄電池使用得當(dāng)，它的壽命一般可以超過5年。

表1 放電深度對電池壽命的影響

當(dāng)蓄電池進(jìn)行放電時(shí)，它的工作電壓會(huì)逐漸降低，當(dāng)降到一定值時(shí)，報(bào)警器會(huì)報(bào)警，說明這時(shí)蓄電池已經(jīng)從正常放電進(jìn)入了深度放電。所以，播出機(jī)房應(yīng)避免長時(shí)間使用蓄電池供電，只是在市電中斷的情況下，可以將其作為應(yīng)急供電來使用。

工作環(huán)境溫度對蓄電池的使用壽命也有很大的影響，如表2所示：

表2 不同溫度下電池的使用壽命

從表2中可以看出，當(dāng)溫度超過40 ℃時(shí)，如果市電沒有中斷，在不對電池進(jìn)行充放電的情況下，電池的使用壽命只有3個(gè)月，而且是永久性損壞。

2.2 UPS電源不要帶半波整流器負(fù)載

半波整流器的二極管只有在正弦波的正半周才導(dǎo)通。對于逆變器中的驅(qū)動(dòng)MOS管來說，Q1、Q2和Q3、Q4是在PWM輸出脈沖的控制下輪流導(dǎo)通。這時(shí)如果使用半波整流器做負(fù)載，由于只有正半周導(dǎo)通，會(huì)造成在正半周工作的Q1和Q2的電流增大，使兩對驅(qū)動(dòng)MOS管的工作處于不平衡的狀態(tài)。而逆變器的輸出變壓器通常是采用耦合的工作方式，由于只有正半周的電流通過變壓器，且電流是單向的，會(huì)造成變壓器工作處在偏磁的狀態(tài)，反過來又會(huì)進(jìn)一步增加Q1和Q2的工作電流，加劇逆變器工作的不對稱性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞MOS管。

2.3 外接蓄電池時(shí)的注意事項(xiàng)

在UPS電源外添加蓄電池和外充電器，雖然可以增加蓄電池的容量來延長UPS電源在市電中斷時(shí)的供電時(shí)間，但一定要考慮到負(fù)載的因素。如果用大容量的電池帶輕負(fù)載，會(huì)造成蓄電池的放電電流很小，所消耗的電池容量反而會(huì)更多，工作電壓會(huì)越來越低，使蓄電池長時(shí)間處于深度放電的狀態(tài)。隨著蓄電池使用時(shí)間變長，內(nèi)阻會(huì)變大，從而造成蓄電池的損壞，而這種損壞是不能用均衡充電的方法來減小蓄電池的內(nèi)阻的，是一種永久的損壞，是不可恢復(fù)。因此，在UPS電源外接蓄電池時(shí)，一定要避免因負(fù)載過輕而產(chǎn)生深度放電，進(jìn)而損壞蓄電池的現(xiàn)象[5]。

2.4 在線式UPS電源不要在沒有安裝蓄電池的情況下工作

我們在檢查蓄電池的內(nèi)阻和端電壓時(shí)，通常要把電池取下來進(jìn)行測量，測量結(jié)束后，一定要把蓄電池安裝好才能開機(jī)。如果沒有安裝好蓄電池就開機(jī)，當(dāng)UPS電源的負(fù)載過重時(shí)，會(huì)造成UPS電源輸出的電壓不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)逆變器的輸出變壓器還會(huì)出現(xiàn)異響，甚至損壞驅(qū)動(dòng)MOS管。造成這一現(xiàn)象的原因是：整流器給逆變器提供的驅(qū)動(dòng)電流不夠引起的。這時(shí)需要蓄電池提供一部分驅(qū)動(dòng)電流給逆變器，來彌補(bǔ)整流器所提供的驅(qū)動(dòng)電流的不足。

3 UPS電源的故障維修

3.1 故障現(xiàn)象：報(bào)警器響，UPS電源無輸出電壓

故障分析：故障應(yīng)出在蓄電池和逆變器。

故障排查：先用萬用表測量蓄電池的端電壓，測量值正常，為12 V。排除了蓄電池以后，接下來檢查逆變器部分，先檢查PWM集成塊SG3524，用萬用表測量保護(hù)端口10腳的電壓，測量值為0.7 V高電平，該端口被鎖定，說明電源出現(xiàn)了過流和過壓。下一步要找出電源出現(xiàn)過流和過壓的原因，檢查SG3524的后一級，也就是驅(qū)動(dòng)MOS管和輸出變壓器。用萬用表檢查驅(qū)動(dòng)MOS管Q1-Q4，測量后發(fā)現(xiàn)Q3和Q4被擊穿，檢查周圍的器件，沒有發(fā)現(xiàn)有損壞。說明故障原因是Q3和Q4被擊穿，造成Q1～Q4的工作狀態(tài)嚴(yán)重不平衡，UPS電源出現(xiàn)輸出過流的現(xiàn)象，使SG3524被封鎖，沒有輸出信號，進(jìn)而造成UPS電源沒有輸出電壓。

故障排除：更換Q3和Q4后，重新開啟電源，發(fā)現(xiàn)UPS電源輸出電壓正常。

3.2 故障現(xiàn)象：逆變器輸出電壓和浮充電壓偏大

故障分析：根據(jù)UPS電源的工作特性，引起輸出電壓過高的原因通常有兩個(gè)：整流器穩(wěn)壓電路和過壓保護(hù)電路。

故障檢查：先檢查UPS電源逆變器的過壓保護(hù)電路，用萬用表測量SG3524的保護(hù)端口10腳的電壓，測量值為0 V低電平，測量輸出端11和14腳的電壓，為0.7 V高電平，再測量U7（LM339）的7腳，為0 V低電平。說明雖然輸出電壓偏大，但沒有超過保護(hù)值，因此沒有封鎖SG3524。下一步檢查整流器穩(wěn)壓電路，用萬用表測量整流器中的可控硅BG1～BG6，測量BG3的陽極和陰極之間的阻值時(shí)，測量值為0 Ω，確定BG3已被擊穿，其他5只可控硅的測量值正常。說明故障是因BG3損壞而使整流器失去了穩(wěn)壓作用。

故障處理：更換BG3后，電源的輸出電壓正常。

3.3 故障現(xiàn)象：開機(jī)后出現(xiàn)咔咔聲，逆變器不能工作

故障分析：咔咔的聲音可能是繼電器吸合不好產(chǎn)生的。

故障檢查：先用萬用表測量蓄電池的端電壓，測量值為12 V。檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，繼電器的一端接有兩個(gè)電阻R32和R33，其中，R32的表面發(fā)黑，有被燒焦的痕跡，焊下R32和R33，測量阻值，R33為100 kΩ，R32為∞，而R32正常值應(yīng)為100 kΩ，說明R32已開路，造成繼電器的電壓過低，吸合不好。

故障處理：更換R32后，開機(jī)聲音消失，逆變器正常工作。

4 結(jié)語

播出機(jī)房使用了在線式UPS電源后，提高了信源系統(tǒng)供電的可靠性，避免了因停電而造成的長時(shí)間信號中斷，確保了安全播出。