短波广播发射台UPS的应用与维护

张 辉

(国家新闻出版广电总局 724台，陕西 岐山 722400)

0 引言

随着各种自动化系统在短波广播发射台中的广泛应用，作为自动化系统的重要外设，UPS电源主要发挥以下几个方面的作用：（1）防止外电突然中断造成的设备停止工作及数据丢失。（2）滤除外电中浪涌、频偏等电源污染，改善电源质量。它主要用于短波广播发射机自动化系统，节目源传输系统，为安全传输发射服务的各类服务器、工作站当中。一个良好稳定的UPS电源对于保证广播电视传输的不间断、高质量非常重要。因此，如何科学合理的配置、使用维护好UPS电源显得越来越重要。

1 UPS的构成与工作原理

UPS电源主要由以下四部分组成，分别是：整流器、逆变器、蓄电池，旁路开关，下面分别对以上四部分加以详述。

整流器：它是一个将市电或发电机的交流电能转化为直流的装置。作为一个整流装置，它的功能主要是：a）将交流电转化为直流电，滤波后送给逆变器。b）为蓄电池提供充电电压。

晶闸管整流器：晶闸管整流器输出容量大，可靠性高，工作频率低，滤波器体积大，噪声大，适用于输入电压低、功率大的UPS。

二极管与绝缘栅双极晶体管(IGBT)组合型整流器：二极管+IGBT组合型整流器的工作频率高，具有功率因数校正功能，滤波器体积小，噪声低，可靠性高，适用于中小功率UPS。

逆变器：它是一个将整流后的直流电能转化为电压和频率都比较稳定的交流电能的装置，最后提供给负载。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。其性能的优劣直接影响UPS的输出性能指标。IGBT逆变器工作频率高(20kHz)，滤波器体积小，噪声低，可靠性高。

旁路开关：旁路开关是为提高UPS系统工作的可靠性而设置的，能承受负载的瞬时过载或短路。因UPS的逆变器采用电子器件，如IGBT管的过载能力仅为125%，当UPS供电系统出现过载或短路故障时，UPS将自动切换到旁路，以保护UPS的逆变器不会因过载而损坏。UPS供电系统转入旁路供电后，是由市电直接供给负载，因市电的系统容量大可提供足够的时间，使过载或短路回路的断路器跳闸，待系统切除过载或短路回路后，旁路开关将自动转换回由逆变器继续向其他负载供电。

1）静态旁路开关：又称静止开关，它是一种无触点开关，是用两个可控硅（SCR）反向并联组成的一种交流开关，其闭合和断开由逻辑控制器控制。分为转换型和并机型两种。转换型开关主要用于两路电源供电的系统，其作用是实现从一路到另一路的自动切换；并机型开关主要用于并联逆变器与市电或多台逆变器。所谓电子式静态转换开关，是将一对反向并联的快速晶闸管连接起来作为UPS在执行由市电旁路供电至逆变器供电切换操作时的元件，由于快速晶闸管的接通时间为微秒级，同小型继电器毫秒级的转换时间相比，它只是小型继电器的千分之一左右。因此，依靠这种先进技术，可以对负载实现转换时间为零的不间断供电。正常工作时，只有逆变器供电回路或交流旁路电源回路之中的一路电源向负载供电。只有当UPS需要执行由交流旁路电源供电至逆变器供电切换操作时，才会出现短暂的(约几毫秒～几十毫秒)两路交流电源在时间上重叠向负载供电的情况。静态开关可以将转换时间缩短到毫秒以下，甚至100μs以内，但损耗较大。

2）动态旁路开关：动态开关为有触点开关，由接触器、断路器构成，靠机械动作完成转换，动态开关转换过程会有几十毫秒的供电中断，故不能应用于重要的负载场合，现代的UPS已很少采用。

蓄电池：是UPS用来作为储存电能的装置，它由若干个电池串联而成，其容量大小决定了其维持放电（供电）的时间。其主要功能是：a）当市电正常时，将电能转换成化学能储存在电池内部。b）当市电故障时，将化学能转换成电能提供给逆变器或负载。

2 UPS电源的分类

主要包括以下三种：后备式、在线式、在线互动式。

后备式UPS电源：当外电供电正常时，先将交流电转换为直流电，再经过脉宽调制、滤波，将直流电重新转变成交流电向负载供电，期间逆变器不会发生动作。若外电停止，蓄电池才会启动供电。

在线式UPS电源：当外电供电正常时，先将交流电转换为直流电，再经过脉宽调制、滤波，将直流电重新转变成交流电向负载供电，同时给蓄电池供电；当外电停止，蓄电池启动对负载供电，从而保证负载正常工作。在线式UPS电源输出的是与电网完全隔离的纯净的正弦波电源，品质高，确保负载可以安全稳定工作。

随着我国国民经济的快速发展以及现代工业的快速成长，气体产品种类越来越丰富，气体工业加速发展，加上世界制造业的调整，移动式压力容器的装备制造中心也正迅速崛起并向中国转移。移动式压力容器所具有的装载量大、运输手段灵活和运输成本低廉的特点，逐步发展成为运输工业气体的主力，并在我国国民经济发展过程中起着重要的作用。移动式压力容器储运的介质绝大多数都属于易燃、易爆等有害液化气体，如果引发安全事故，不仅造成财产损失，也容易污染环境甚至造成人员伤亡，社会影响极其恶劣。

在线互动式UPS电源：是一种介于前两种工作方式之间的UPS电源，若外电处于规定的电压范围，不作调整直接供给负载，若外电数值不在正常范围，则开启升压或者是降压，且不用蓄电池，当外电极低、极高或停止时，才启用蓄电池。

3 UPS电源的运行方式

正常运行方式：当外电正常供电时，经滤波回路后，分为两个回路同时动作，其一是经由充电回路对电池组充电，另一个则是经整流回路，作为逆变器的输入，再经过逆变器的转换提供电力给负载使用；在线式不间断电源系统的输出完全由逆变器来供应，不论外电品质如何，其输出均是稳定而不受任何影响。

电池工作方式：一旦外电发生异常时，将储存于电池中的直流电转换为交流电，此时逆变器的输入改由电池组来供应，逆变器持续提供电力，供给负载继续使用，达到不间断供电的功能。不间断电源系统的电力来源是电池，而电池的容量是有限的，因此不间断电源系统不会像外电一般无限制的供应，所以不论多大容量的不间断电源系统，在其满载的状态下，其所供电的时间必定有限。

旁路运行方式：当在线式UPS电源超载、旁路命令、逆变器过热或机器故障，UPS电源一般将逆变输出转为旁路输出，即由外电直接供电。由于旁路时，UPS电源输出频率相位需与外电频率、相位相同，因而采用锁相同步技术确保UPS输出与外电同步。旁路开关双向可控硅并联工作方式，解决了旁路切换时间问题，真正做到了不间断切换，控制电路复杂，一般应用在中大功率UPS电源上。如果在过载时，必须人为减少负载，否则旁路短路器会自动切断输出。

旁路维护方式：当UPS电源进行检修时，通过手动旁路保证负载设备的正常供电，当维修操作完成后，重新启动UPS电源，UPS电源转为正常运行。

4 UPS电源的选择

UPS的带载能力是选择UPS时首先要考虑的问题，即需要一个多大容量的UPS，被选中的UPS在各种情况下带负载的能力又如何，都是需要认真考虑的。UPS的输出容量不仅与负载大小有关，还与负载的性质有关。合理配置系统容量既可保证UPS的供电质量，降低故障率，又可节省投资，提高经济效益。

4.1 根据负载大小选择系统容量

UPS选型时须注意，不能片面地认为UPS的容量越大可靠性就越高。若UPS长期处于轻载运行，虽然有利于降低逆变器的损坏概率，但却增加了UPS内部蓄电池失效的可能性。因为蓄电池的放电电流过小而放电时间偏长，容易造成深度放电，遭永久性损坏。若UPS长期处于重载运行，这样虽可节省一部分投资，但由于逆变器处于重载运行，其输出波形将发生畸变，输出电压幅值抖动过大。这样既不能为负载提供优质电源，还极易造成UPS逆变器的本级驱动元件损坏。根据目前一些UPS厂家推荐，UPS单机按带载量60%～80%来配置，并机按每台带载35%～40%来配置为佳。

另外UPS在选型时还要考虑负载系统的扩容问题，其预增加带载量为20%左右。在首次配置UPS容量时，应适当考虑中远期发展趋势，以使中远期负载容量增大时，通过UPS并机扩大其输出容量。

例如，UPS的实际负载量为80kVA，则UPS的最小选择容量可估算为：(80kVA+80kVA×20%)/60%=160kVA

4.2 根据负载性质选择系统容量

负载性质一般分为线性负载和非线性负载。不同性质的负载有不同的功率因数和峰值因数，所以选择UPS时，必须考虑负载的性质。

大多数计算机设备的输入功率因数为微容性0.7，而UPS主要针对的负载正是这些，因此，所有的UPS设计均需采用输出功率因数匹配为0.7～0.8的参数，从而最大限度地发挥UPS的带载能力。在功率因数匹配的情况下，即计算机负载的输入功率因数为微容性0.7，而UPS标定的输出功率因数也为0.7时，负载的VA数与UPS的VA数比值为1：1。也就是说1VA容量的UPS在不考虑冲击、曾容等余量因素时可带1VA的此类负载。若功率因数不匹配，例如电阻负载，1VA容量的UPS只能带0.7VA的电阻负载，否则UPS会出现过载现象。

5 UPS的使用与维护

5.1 UPS主机的开关机顺序

由于一般负载在启动瞬间存在冲击电流，而UPS内部功率元件都有一定的安全工作范围，过大的冲击电流会缩短元器件的使用寿命甚至会损坏元器件，所以我们必须严格按照一定先后顺序进行操作，否则很容易给UPS电源造成内伤，严重的话能损坏UPS电源。

正确打开UPS电源的顺序应该是：先检查UPS电源的输入端电源极性与外电供电线路的电源极性连接是否一致，然后再检查UPS电源输出端所接负载的总功率大小是否在UPS电源的额定功率之内；满足了上面的条件后，打开UPS电源控制柜上的电源开关，来让市电为UPS内的电池组进行供电，过一段时间，再将负载的电源开关逐一打开，如此一来可以确保负载电流，不会对UPS电源的内部供电线路造成过度冲击，从而可以有效保证UPS电源不受内伤。

正确关闭UPS电源的顺序应该是：先将连接到UPS电源输出端的负载逐一关闭掉，之后再将电源控制柜上的电源开关关闭掉就可以了，如果长时间不使用UPS电源的话，可以考虑将连接到市电插座上的电源线缆拔掉，以避免雷雨季节UPS遭遇雷电袭击，从而引发雷击事故。

5.2 蓄电池的维护

1）环境温度：影响蓄电池寿命的重要因素是环境温度，一般要求的最佳环境温度是在20-25℃之间。虽然温度的升高对电池放电能力有所提高，但付出的代价却是电池的寿命大大缩短。据试验测定，环境温度一旦超过25℃，每升高10℃，电池的寿命就要缩短一半。目前UPS所用的蓄电池一般都是免维护的，其设计寿命是在电池生产厂家要求的环境下才能达到。达不到规定的环境要求，其寿命的长短就有很大的差异。另外，环境温度的提高，会导致电池内部化学活性增强，从而产生大量的热能，又会反过来促使周围环境温度升高，这种恶性循环，会加速缩短电池的寿命。

2）定期充电放电：UPS电源中的浮充电压和放电电压，在出厂时均已调试到额定值，而放电电流的大小是随着负载的增大而增加的，使用中应合理调节负载，比如控制负载数量。一般情况下，负载不宜超过UPS额定负载的60%。在这个范围内，电池的放电电流就不会出现过度放电。

UPS因长期与市电相连，在供电质量高、很少发生市电停电的使用环境中，蓄电池会长期处于浮充电状态，日久就会导致电池化学能与电能相互转化的活性降低，加速老化而缩短使用寿命。因此，一般每隔2-3个月应完全放电一次，放电时间可根据蓄电池的容量和负载大小确定。一次全负荷放电完毕后，按规定再充电8小时以上。

3）选用合适的UPS电源充电器：UPS电源用的免维护密封电池不能用可控硅式的“快速充电器”进行充电。这是因为这种充电器会造成蓄电池同时处于既“瞬时过流充电”又“瞬时过压充电的恶劣充电状态。这种状态会使电池可供使用容量大大下降，严重时会使蓄电池报废。 在采用恒压截止型充电回路的UPS电源时，注意不要将电池电压过低保护工作点调得过低，否则，在它充电初期容易产生过流充电。当然，最好选用即具有恒流，又有恒压的充电器对其进行充电。

5.3 适宜的工作环境：

1）保持UPS工作环境的清洁，否则灰尘会进入UPS的控制框中，并直接覆盖在它的电子线路中，时间一长UPS内部的工作电路就会散热不良，长期以往自然就容易出现故障了。最好将UPS放置在四处通风、远离灰尘的环境，这样可以确保UPS在长时间工作后散热充分。

2）避免潮湿环境，UPS内部有电子线路，电子线路中的各个元器件在潮湿环境中长期工作时，其电气性能会逐步下降，而且还有可能产生漏电现象，引发火灾事故。

3）避免UPS处于强磁场包围之中，也就是说不能将它与具有强磁特性的设备放置在一起，因为UPS的防磁能力十分有限，如果长时间在强磁场环境中工作的话，UPS的使用寿命将大大缩短。

6 结束语

随着广电事业的持续快速发展，UPS的使用将越来越广泛，其重要性也将越来越高，所以，正确选用、合理维护好UPS十分必要，只有这样，才能让它发挥出更大的作用。