吳樹濤
摘要：本文介紹了UPS電源系統的基本組成，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，是冶金行業的重要基礎。為此,除工業電網正常供電外，還需配備UPS供電系統。UPS電源是保障供電穩定和連續性的重要設備，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。
雖說各企業配置的UPS供電系統設備型號及系統容量有所不同，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，并具有穩壓、穩頻、凈化的特點。
當UPS電源系統本身出現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。
二、UPS電源系統
UPS電源系統由4部分組成：整流、儲能、變換和開關控制。其系統的穩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，從而當外電發生變化時（該變化應滿足系統要求），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。頻率的穩定則由變換器來完成，頻率穩定度取決于變換器的振蕩頻率的穩定程度。為方便UPS電源系統的日常操作與維護，設計了系統工作開關，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）。
UPS電源系統主要分兩大部分，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、濾波變為直流電壓，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，由于采用靜態和動態雙重電壓反饋。極大地改善了逆變器的動態特性和穩定性。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，當發生超載（150%負載）時，跳到旁路狀態，并在負載正常時自動返回。當發生嚴重超載（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，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*1.5A=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電源系統的使用與維護
1 、UPS電源系統開、關機
1.1 第一次開機
(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）。
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電源系統使用注意事項
UPS電源系統因其智能化程度高，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下長期運行。但工作性質決定了UPS電源系統幾乎是在不間斷狀態下運行的，增加大功率負載，即使是在基本滿載狀態下工作，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電源工作異常或損壞。
(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還是在充電、放電檢修測試狀態，都要保證電壓、電流符合規定要求。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，因為電池的循環壽命和放電深度有關。放電深度越深、循環壽命越短。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，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。一般每季度應徹底清潔一次。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。但外因工作狀態對電池的影響并沒有改變，不正常工作狀態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，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，而是要關注發現和處理落后電池，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，做到運行、日常管理的周到、細致和規范性，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，也是電池運行規程中包括的內容和進行規則。
(3)當UPS電池系統出現故障時，應先查明原因，分清是負載還是UPS電源系統；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。另外如自檢部分發生故障，顯示的故障內容則可能有誤。
(4)對主機出現擊穿，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，否則會接連發生相同的故障。
(5)當電池組中發現電壓反極、壓降大、壓差大和酸霧泄漏現象的電池時，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，也會出現各類故障，但維護工作做的好可以延長壽命，減少故障的發生，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。
參考資料： [1]中小型ABB MP200/1控制系統的數據通訊 〈〈PLC&FA〉〉2002，3
[2] ABB course A331
作者簡介：吳樹濤 男 1999年畢業于東北大學自動化專業，學士/工程師，現從事三電一體化設計與實施工作。Email:shuishou_2and1@163.com；Shutao2004@sina.com。
