广播电视发射系统中UPS电源的运用及故障处理

罗立言

【摘要】广播电视发射系统是由大量硬件设备构成的大型信号处理与发射系统，为了完成广播电视信号的发射，保障设备正常工作，需要采用相应技术措施进行保障，其中UPS電源保障系统是非常重要的一种措施。本文结合广播电视行业的特点，分析了几种常见的UPS产品的特点，并对一些典型的故障现象进行了分析及处理，希望可以为广播电视发射系统的运营维护人员提供一些新的思路。

【关键词】广播电视;发射系统;UPS电源;故障处理

中图分类号：TN92                                  文献标识码：A                          DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.09.009

随着信息时代的到来，各种计算机机房的建设规模不断扩大，对机房设备运行的稳定性也越来越高。对于机房而言，除了设备本身的性能外，其稳定性和连续性主要受到供电的影响。对于许多信息化系统而言，设备是绝对不允许断电的，例如政务系统、交通指挥系统、应急管理系统、广播电视系统等等，这些系统一旦停止供电，将会造成难以估量的经济损失，还可能造成十分恶劣的社会影响。为此，如何保障重要机房设备的连续供电，即使在市电断开的情况下也能保证设备继续运行，成为近年行业内研究的热点课题。随着技术的进步，各种技术手段被运用到机房设备管理中来，其中UPS就是机房最为重要的设备之一，通过UPS来保障计算机设备连续工作也是当前应用最为广泛的手段之一。

1. UPS概述

UPS（Uninterruptible Power System）又称为不间断电源，它可以对能量进行定时间的存储，并在需要的时候为外部设备进行供电，UPS可以理解为一组大容量的电池。与一般电池组的原理相似，UPS内部含有储能装置，其核心组成部分是逆变器，可以为外部设备输出恒压恒频的不间断电源。不仅可以用于单台计算机的供电，还可以用于计算机网络系统、电力电子设备等提供不间断的电力供应。

当电网电压正常时，理论上是不需要UPS也可以保障负载正常运行的，但UPS的引入将可以改善供电质量，因为市电压通过UPS稳压后供应给负载使用，使输出的电能质量更高。实际上，性能好的UPS本身就是一个性能优异的交流稳压器能够大大改善电源供电质量。在外部市电正常时，UPS一边进行稳压，一边对机内的电池进行充电，储存后备能源。当电网电压异常或断电时，UPS内部传感器会立刻感应到内容电源的断开，于是立即控制逆变器将电池的直流电能转换为交流电能维持对负载的供电。从外部市电供电到UPS供电，整个过程中是在瞬间完成的，在电网供电之间自行切换，无需人工干预，确保对负载的不间断供电。当然，根据设备的精密程度，其可承受的切换时间也是不一样的，需要根据实际应用场景进行分析。

2. 常见UPS及其特点分析

根据UPS不间断电源工作方式的不同，将UPS分为后备式UPS、在线式UPS电源和互动式UPS电源，并对其基本结构和工作原理进行分析。

2.1 后备式UPS

后备式UPS电源为用户提供了两路市场通道，其功能是不同的。在市电正常供电的情况下，其中一路市电通过整流器对蓄电池进行充电，而另一路市电通过自动稳压器初步稳压吸收部分电网干扰后，再由旁路转换开关直接提供给用户。后备式UPS的电路原理图如图1所示。

如图1，当市电正常时，充电器对蓄电池进行充电和浮充电，逆变器不工作;当市电中断或异常时，由它将蓄电池供给的直流电转变成负荷负载要求的交流电，保证负载在一段时间内仍可继续工作。对于转换一关，在市电正常的情况下，输出转换开关接通输入电源向负载供电，反之，输出转换开关会断开市电回路并立即切换到逆变器，通过逆变器对负载继续供电。通过智能调压电路能够调节并稳定输出电压。

2.2 在线式UPS

所谓在线式UPS，是相对于后备式UPS而言的，它不是在市电异常时再介入，而是不管市电是否正常都会参与供电。在在线式UPS中，市电和用电设备是隔离的，市电不会直接供电给用电设备，而是由UPS先将市电转换成直流电，再兵分两路：其中一路转回交流电为负载供电，另一路则对蓄电池进行充电或浮充电。在线式UPS的电路原理图如图2所示。

从电路结构分析可知，在线式UP的逆变器一直处于工作状态，将市电交流电转变为直流电，转换为高质量的正弦波交流电输出给负载。在外部供电正常时，在线式UPS的不仅可以提供稳压功能，而言可以有效防止电波干扰。在市电停电的情况下，备用直流电源驱动逆变器为负载提供交流电。

2.3 互动式UPS

虽然在线式UPS的优点是明显的，但由于在线式UPS的逆变器一直处于工作状态，在市电供电正常时需要进行一次电能变换和反变换，实际上这是多余的，白白浪费了效率。而互动式UPS则改进了这一缺点。互动式UPS电源中有一个是双向的，既可以当逆变器使用，又可以作为充电器。互动式UPS不间断电源是根据输入市电情况通过升降压或逆变时调整电压输出。互动式UPS不间断电源由于没有经过两次变换，其效率明显高于在线式UPS，最高可以达到95%以上。

3. UPS在广播电视发射系统中的应用

广播电视发射系统是广播电视台的核心技术设体系，它承载着广播电视节目发射的重任。在广播电视发射机内将音频信号或视频信号调制到高频载波上，经放大后由馈线送往天线，以无线电波的形式辐射出去，从而把广播电视节目传送到千家万户。以上整个过程都是由广播电视发射台来完成的，其结构主要包括发射机和天线、馈线系统等部分。在广播电视发射系统中，任何一个环节出现问题都会导致播出事故的发生，因此对整个系统内的设备工作稳定性和持续性有非常高的要求，必须确保整个发射过程中的参与设备均正常工作。也正是这样，广播电视发射系统的机房中都会配备合适的UPS，以确保所有设备的正常电力供应。在应用过程中需要注意以下问题：

3.1 考虑负载大小及特性

UPS额定输出功率是标志该产品能驱动多大功率负载的重要参数，它随负载功率因数的变化而变化，为了延长UPS的使用壽命，UPS不宜长期处于满载状态下运行。后备式UPS一般选取额定功率的60%～70%的负载量，在线式UPS一般选取额定功率的70%～80%的负载量。同时UPS尽量不要长期处于过度轻载状态下运行。

3.2 做好防感应雷害工作

雷击是所有电器的天敌，一定要注意保证UPS的有效屏蔽和接地保护。雷害会因电磁感应现象产生感应高电位脉冲。这些高电位脉冲沿着电源线或通信线进入UPS，而UPS中采用了大量的CMOS集成电路模块和控制用的CPU等微电子器件，它们对雷电的电磁脉冲非常敏感，因此很容易被击坏，但我们的UPS具备有效屏蔽和良好保护接地措施，但用户也要做好电源线和通信线（例如远端监控信号线）的防雷过压保护。

3.3 注意使用维护与保养

使用UPS电源时，应务必遵守产品说明书或使用手册中的有关规定，保证所接的火线、零线、地线符合要求，用户不得随意改变其相互的顺序。严格按照正确的开机、关机顺序进行操作。避免因负载突然加载或突然减载时，UPS电源的电压输出波动大，而使UPS电源无法正常工作。严禁频繁地关闭和开启UPS电源、禁止超负载使用，对于长期无停电的UPS，应当每隔3～6个月对电池放电，然后重新充电。这样才能延长电池的使用寿命。对于长期存放的UPS，应当每隔3～6个月对UPS开机使用和充电，否则UPS主机和电池都会损坏。定期对UPS电源进行维护工作。清除机内的积尘，测量蓄电池组的电压，检查风扇运转情况及检测调节UPS的系统参数等。

3.4 电池管理

在每个功率模块内部设置专门的充电整流器，可靠性高，无高频杂波，避免高频波对电池寿命的影响;避免电池在充电时过热，延长了电池的使用寿命。用户可通过监控显示屏对电池管理参数进行设置，系统会根据用户设置和电池组实际状态对电池进行智能管理。在电池充电时，需要注意以下几点：电池充电模式采用浮充、均充，由用户进行选择。自动控制电池均浮充，系统可根据电池工作状态自动进行均浮充转换，电池浮充时，当充电电流高于所设定的自动均浮充转换电流值，系统由浮充转为均充;电池均充时，当充电电流低于自动转换的临界值并持续稳定三个小时后，系统由均充转为浮充。电池均充电，首先是恒流过程，在该阶段，充电电流一直逼近于设置限流值，电池电压则随着时间逐步升高。其次是恒压过程，在该阶段，充电电压已逼近限定充电电压，充电电流则逐渐减小，在该阶段说明电池已接近饱和状态。

4. UPS常见故障分析及处理

UPS作为一种复杂的高科技产品，其故障类型和现象是多种多样的，本文难以穷举。笔者根据多年的工作经验，对一些UPS的典型故障进行分析并给出处理建议。

4.1 市电欠压

某广播电视机房的一台UPS设备在外部市电欠压，有可能是输入欠压，排查思路为：

检查交流输入空开是否处于闭合状态，检查交流输入空开上端三相电压是否正常

检查UPS交流接线端子上端三相电压是否正常，检查UPS交流接线端子下端三相电压是否正常，如果出现异常，可以判定为输入异常。

4.2 直流异常、直流过压、直流欠压

比较常见的故障，排查思路为检查系统监控总揽屏直流电压是否正常，检查直流正负空开是否闭合，检查直流正负接线端子上端电压是否正常，检查直流正负接线端子下端电压是否正常。

4.3 蓄电池充电故障

若判定为蓄电池或充电电路故障，检查思路：首先对充电电路输入输出电压进行测量，如果输入正常但输出异常，可推断出是充电电路故障。如果输出都没有异常，那可能是由于蓄电池长期未充电、过放或已到寿命期等原因所致。

4.4 功放晶体管频繁烧坏

某广播电视机房的某型UPS逆变器一对功放晶体管损坏，更换同型号晶体管后，不久又烧坏，反复换了几次均是被烧坏。根据电路基本原理，元器件烧坏通常是过流所致，因此功放晶体管频繁烧坏的原因分析就变成了UPS过流的原因分析。根据以往经验，UPS过流主要有：

过流保护失效。当逆变器输出发生过电流时，过流保护电路不起作用;脉宽调制故障，输出的两路互补波形不对称，一个导通时间长，而另一个导通时间短，使两臂工作不平衡，甚至两臂同时导通，造成两管损坏;功率管参数相差较大，此时即使输入对称波形，输出也会不对称，该波形经输出变压器，造成偏磁，即磁通不平衡，积累下去导致变压器饱和而电流骤增，烧坏功率管，而一只烧坏，另一只也随之烧坏。

4.5 不能正常开机

某型UPS在开启后，显示面板上没有给出任何提示信息，且UPS始终未进入正常工作状态。从以上现象来看，其故障可以在市电输入、蓄电池和市电检测部分及蓄电池电压检测回路，排查思路为：首先检查市电输入保险丝是否烧毁，如果保险丝完好，检查蓄电池保险是否烧毁，如果市电检测电路正常，再检查蓄电池电压检测电路是否正常。根据UPS的一般默认设置，如果市电检测电路异常，那么UPS就会自动关闭所有输出及显示。

4.6 无法自动切换工作状态

某广播电视机房的某型UPS在市电供电正常时逆变器工作指示灯闪烁，蜂鸣器发出间断叫声。经进一步观察发现，UPS当时工作在逆变状态，而且无法转换到市电工作状态。根据以上现象，不能进行逆变供电向市电供电转换，说明逆变供电向市电供电转换部分出现了故障，分析思路：确认市电输入保险丝是否损坏，如果无损坏，检查市电整流滤波电路输出是否正常，如果正常则继续检查市电检测电路是否正常，如果正常，再检查逆变供电向市电供电转换控制输出是否正常。找到故障原因后相应进行维修即可。

4.7 蓄电池保险丝熔断

某广播电视机房有一台后备式UPS，该设备如果负载接近满载时，市电供电正常，而蓄电池供电时蓄电池保险丝熔断。根据物理学原理，保险丝熔断显然是由于电流过大导致的。此时需要依次检查逆变器是否击穿、蓄电池电压是否过低、保险丝产品是否达标。

5. 结语

UPS属于高科技产品，其技术水平仍在不断提高，未来的UPS产品无论是在功能还是性能方面都将全面超越当前水平，这为广播电视发射系统的运维保障提供了很好的条件，也预示了UPS广阔的应用前景。本文对UPS的一些典型故障进行分析，可以为相关故障的排查提供参考，具有一定的现实意义。

参考文献：

[1]戴勇干.UPS供电系统可靠性及其规范中值得商榷的问题[J].西北水电，2021（05）：98-101.

[2]李静，张厚才.磷酸铁锂电池UPS在数据中心机房的应用分析[J].信息技术与信息化，2021（10）：177-179.

[3]徐紅新.编组站自动化信号系统设备电源设置方案探讨[J].铁道建筑技术，2021（10）：169-172.

[4]沈毅.广播电视台供配电系统故障处理及智能化改造[J].电声技术，2021，45（10）：50-52.

[5]姜莹荧.广播电视大功率UPS配置方案探讨[J].数字传媒研究，2021，38（09）：77-80.

[6]赵军棋，李正花.广播电视无线台站UPS电源系统智能化设计与技术运用[J].电子世界，2021（16）：180-181.

[7]郑宝坤.浅谈广播电视发射台供电系统的运行和日常维护[J].西部广播电视，2021，42（14）：223-225.

[8]王文海，高明.移动通信系统UPS电源的使用、维护及故障处理[J].数字技术与应用，2019，37（05）：120-121.

[9]陈晓娟，陈东阳，申雅茹.基于低频噪声测量的UPS故障诊断方法[J].电子器件，2015，38（02）：424-428.

[10]李江伟，石瑞才，王愚，等.UPS系统中电压型逆变器开路故障诊断研究[J].电力系统保护与控制，2020，48（23）：148-153.

[11]高明，夏幸福.UPS电源故障及维护技术实践探究[J].电子世界，2020（15）：206

[12]彭美玲.UPS故障处理与运行维护措施研究[J].通信电源技术，2020，37（12）：280-281+285.