UPS的分類(lèi)及在機(jī)電體系的運(yùn)用

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本文作者：郭祥柏單位：遼寧省高速公路管理局盤(pán)錦管理處

0引言

交通運(yùn)輸業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，是社會(huì)發(fā)展和提高人民生活水平的基本條件，交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)達(dá)程度也是衡量一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志之一。近幾年，隨著高速公路的迅猛發(fā)展，ups不間斷電源被大量地應(yīng)用到高速公路機(jī)電系統(tǒng)中，為保證高速公路的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)發(fā)揮了重要的作用。UPS作為高速公路機(jī)電系統(tǒng)的重要組成部分，在保證計(jì)算機(jī)通信、數(shù)據(jù)、收費(fèi)、監(jiān)控設(shè)備正常運(yùn)行和電壓穩(wěn)定，防止瞬間停電對(duì)系統(tǒng)造成危害等方面的影響十分巨大。

1UPS簡(jiǎn)介

UPS（UninterruptiblePowerSupply），即不間斷電源，是能夠給予持續(xù)、穩(wěn)定、不間斷的電源供應(yīng)的重要外部設(shè)備。從原理上來(lái)說(shuō)，UPS是一種電力電子設(shè)備，它將自動(dòng)控制逆變器與免維護(hù)貯能裝置集合于一身；從功能上來(lái)說(shuō)，UPS可以在市電出現(xiàn)異常時(shí)消除“電源污染”，還可以防止因?yàn)槭须娡蝗恢袛喽绊懻９ぷ?，保障系統(tǒng)在斷電之后能持續(xù)工作一定時(shí)間，使用戶有充足的時(shí)間應(yīng)對(duì)，并且保護(hù)系統(tǒng)軟、硬件；從用途上來(lái)說(shuō)，隨著信息化社會(huì)的來(lái)臨，UPS廣泛地應(yīng)用于從信息采集、傳送、處理、儲(chǔ)存到應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)，其重要性是隨著信息應(yīng)用重要性的日益提高而增加的。UPS的主要功能：實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用電器之間的隔離，實(shí)現(xiàn)兩路電源的不間斷切換，提供高質(zhì)量電源，具有電壓變換和頻率變換功能，能在停電后提供后備時(shí)間。UPS工作方式如圖1所示。

1.1UPS的分類(lèi)

UPS可從電路主結(jié)構(gòu)、后備時(shí)間、輸入/輸出方式、輸出波形和輸出容量等5個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)，其中按電路主結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)是目前最常用的方法。

1.1.1按電路主結(jié)構(gòu)分類(lèi)

1.1.1.1后備式UPS

又稱(chēng)“離線式UPS”，其工作方式為：市電正常時(shí)僅對(duì)市電進(jìn)行穩(wěn)壓工作，此時(shí)UPS處于蓄電池充電狀態(tài)；一旦市電異常，后備式UPS就會(huì)迅速切換，變成逆變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的繼續(xù)供電。后備式UPS的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行起來(lái)效率高、噪音低，然而這種UPS需要切換時(shí)間，一般為4～10ms，所以?xún)r(jià)格相對(duì)便宜，主要適用于市電波動(dòng)不大、對(duì)供電質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合。它對(duì)一般的計(jì)算機(jī)設(shè)備的工作不會(huì)造成影響，但不適用于關(guān)鍵性的供電不能中斷的場(chǎng)所。后備式UPS結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.1.1.2在線式UPS

又稱(chēng)“雙變換UPS”，它具有高質(zhì)量的逆變器，逆變器一直處于工作狀態(tài)。當(dāng)市電正常時(shí)，在線式UPS的主要功能是穩(wěn)定電壓并防止電波干擾；而當(dāng)市電中斷時(shí)，它便使用備用直流電源（蓄電池組）給逆變器供電。由于逆變器一直在工作，因此在線式UPS不存在切換時(shí)間問(wèn)題，且供電持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，它的主要功能是使設(shè)備在停電時(shí)像平常一樣工作，顯然，由于功能的特殊性，其價(jià)格也明顯要高出很多。在線式UPS結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.1.1.3在線互動(dòng)式UPS

這是一種智能化的UPS，它集中了后備式UPS高效和在線式UPS高質(zhì)供電的優(yōu)點(diǎn)。在輸入市電正常時(shí)，在線互動(dòng)式UPS的逆變器處于反向工作（即整流工作）狀態(tài)，給電池組充電；而輸入市電異常時(shí)，逆變器立刻轉(zhuǎn)為逆變工作狀態(tài)，將電池組儲(chǔ)備的電能轉(zhuǎn)換為交流電輸出，因此在線互動(dòng)式UPS也有轉(zhuǎn)換時(shí)間。這種UPS轉(zhuǎn)換時(shí)間短于后備式UPS，保護(hù)功能強(qiáng)，而其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以方便地上網(wǎng)，進(jìn)行UPS的遠(yuǎn)程控制和智能化管理。但由于穩(wěn)頻特性不夠理想，它不適合用作常延時(shí)的UPS電源。在線互動(dòng)式UPS結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.1.1.4串并聯(lián)調(diào)整式UPS

多采用雙逆變電壓補(bǔ)償技術(shù)，也稱(chēng)“Delta技術(shù)”，當(dāng)市電正常時(shí)，2組逆變器只對(duì)輸入電壓與輸出電壓的差值進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償。逆變器承擔(dān)的最大功率僅為輸出功率的20%，所以功率強(qiáng)度很小，功率余量大，這就增強(qiáng)了UPS的輸出能力和過(guò)載能力。串并聯(lián)調(diào)整式UPS不需限制負(fù)載電流波峰系數(shù)和負(fù)載功率因數(shù)，輸出有功功率可以等于標(biāo)定值，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.1.2按后備時(shí)間分類(lèi)

（1）標(biāo)準(zhǔn)機(jī)：配備有內(nèi)置蓄電池組的UPS。（2）長(zhǎng)效機(jī)：需外接蓄電池組的UPS。長(zhǎng)效機(jī)的容量有幾百伏安到幾十千伏安可供選擇。

1.1.3按輸入/輸出方式分類(lèi)

可分為單相輸入/單相輸出UPS、三相輸入/單相輸出UPS和三相輸入/三相輸出UPS。

1.1.4按輸出波形分類(lèi)

一類(lèi)是修正正弦波逆變器和純方波逆變器，另一類(lèi)是正弦波逆變器。

1.1.5按輸出容量分類(lèi)

可分為微型UPS、小型UPS、中型UPS及大型UPS。

1.2UPS的主要組成

由于UPS功能的不同，其主電路結(jié)構(gòu)和工作原理區(qū)別很大，但一般都包括以下組成部分：

1.2.1整流充電器

整流充電器是把交流電轉(zhuǎn)換成直流電的裝置。它主要有兩個(gè)功能：第一，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再經(jīng)濾波后將直流電供給逆變器；第二，給蓄電池提供充電電壓，起到充電器的作用。其性能的優(yōu)劣直接影響到UPS的輸入性能指標(biāo)。（1）可控硅整流器：以晶閘管為基礎(chǔ)，以智能數(shù)字控制電路為核心，具有輸出功率大、工作效率高、響應(yīng)速度快、體積小、重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，適用于輸入電壓低、功率大的UPS。（2）二極管與IGBT（絕緣柵雙極晶體管）組合型整流器：工作頻率高，具有功率因數(shù)校正功能，濾波器體積小，噪聲低，可靠性高，適用于中小功率UPS。

1.2.2逆變器

用以把市電經(jīng)整流后的直流電能或蓄電池的直流電能轉(zhuǎn)換為電壓和頻率都比較穩(wěn)定的交流電能，其性能的優(yōu)劣直接影響到UPS的輸出性能指標(biāo)。

1.2.3旁路開(kāi)關(guān)

是為提高UPS系統(tǒng)工作的可靠性而設(shè)置的，能承受瞬時(shí)過(guò)載或短路電流。旁路開(kāi)關(guān)可分為以下2種：（1）靜態(tài)旁路開(kāi)關(guān)：為無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，由晶閘管開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成。所謂電子式靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，是將一對(duì)反向并聯(lián)的快速晶閘管連接起來(lái)，作為UPS執(zhí)行由市電旁路供電至逆變器供電切換操作時(shí)的元件。靜態(tài)開(kāi)關(guān)可以將轉(zhuǎn)換時(shí)間縮短到1ms以下，甚至100μs以?xún)?nèi)，但損耗較大。（2）動(dòng)態(tài)旁路開(kāi)關(guān)：為有觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，由接觸器和斷路器構(gòu)成，靠機(jī)械動(dòng)作完成轉(zhuǎn)換。動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程會(huì)有幾十毫秒的供電中斷，故不能應(yīng)用于重要的負(fù)載場(chǎng)合，現(xiàn)在的UPS已很少采用。

1.2.4蓄電池

用以為UPS提供一定后備時(shí)間的電能輸出。在市電正常時(shí)，由充電器為其提供電能并轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；在市電中斷時(shí)，其將化學(xué)能再轉(zhuǎn)換為電能，為逆變器提供能量。

2UPS在高速公路機(jī)電系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用

高速公路機(jī)電系統(tǒng)主要由4項(xiàng)子系統(tǒng)組成，分別是通訊、收費(fèi)、監(jiān)控和供電。UPS作為高速公路機(jī)電系統(tǒng)的重要組成部分，在保證計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)、通信、收費(fèi)、監(jiān)控設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行和電壓穩(wěn)定，防止瞬時(shí)停電對(duì)系統(tǒng)造成危害等方面是非常重要的。由于高速公路范圍廣、線路長(zhǎng)，在經(jīng)過(guò)偏遠(yuǎn)地區(qū)時(shí)供電條件十分有限，經(jīng)常遇到電壓波動(dòng)幅度大、停電等情況；在經(jīng)過(guò)環(huán)境條件不好的地區(qū)（比如山洞）時(shí)，則面臨環(huán)境惡劣、干擾大等問(wèn)題；再加上系統(tǒng)技術(shù)力量薄弱，維修能力無(wú)法跟上建設(shè)的腳步等等，所以UPS對(duì)于維護(hù)高速公路機(jī)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)意義非常重大，這也要求UPS能耐惡劣環(huán)境，具有無(wú)人值守的能力。除此之外，高速公路設(shè)計(jì)部門(mén)為了提高供電系統(tǒng)的可靠性，還在UPS前面增加了一級(jí)參數(shù)穩(wěn)壓器。

2.1UPS的選型

UPS的功率大小由幾個(gè)因素決定：（1）負(fù)載功率的大小。一般情況下UPS的功率是負(fù)載功率除以0.8的大小，但為了保障UPS的最佳工作狀態(tài)，一般是除以0.6。（2）負(fù)載類(lèi)型。高速公路機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)備供電采用相對(duì)集中的方式，其中，收費(fèi)系統(tǒng)和監(jiān)控中心、分中心及各通信站屬于一類(lèi)負(fù)荷（不容許停電），且設(shè)備對(duì)電源質(zhì)量要求較高，因此決定了必須選擇在線式UPS。

2.2蓄電池容量的選擇

計(jì)算蓄電池最大放電電流值Imax的標(biāo)準(zhǔn)公式為：Imax=Pcosφ/（η×E臨界×N）

3UPS的使用、維護(hù)和保養(yǎng)

3.1UPS的連接

安裝UPS時(shí)，應(yīng)選擇一個(gè)通風(fēng)良好、清潔的環(huán)境，并與其他物體保持一定的距離。配電箱所使用的開(kāi)關(guān)不宜選擇老式的刀閘開(kāi)關(guān)，選用空氣開(kāi)關(guān)時(shí)容量要適中。如市電電壓波動(dòng)較大，應(yīng)在UPS前安裝一級(jí)參數(shù)穩(wěn)壓器。禁止將不同安時(shí)數(shù)、不同品牌的蓄電池組合使用。

3.2UPS的防雷接地

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(hù)。為防止寄生電容耦合干擾并保護(hù)設(shè)備及人身安全，UPS必須接地，且接地電阻不可大于1Ω。

3.3UPS的安全操作

嚴(yán)格按照正確的開(kāi)、關(guān)機(jī)順序進(jìn)行操作，避免突然加載或減載時(shí)造成UPS輸出電壓波動(dòng)過(guò)大。UPS開(kāi)機(jī)順序必須正確，應(yīng)先使負(fù)載處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，在UPS啟動(dòng)后再逐一打開(kāi)負(fù)載；關(guān)閉時(shí)順序則相反。

3.4定期維護(hù)

通常，每半年應(yīng)該測(cè)量UPS的電池端電壓。如果電壓差超過(guò)1V，則使用均衡的恒壓限流（0.5A）充電，如果沒(méi)有效果，則必須換新電池。如果某地長(zhǎng)期不停電，必須定期（3個(gè)月）人為中斷供電，使UPS帶負(fù)載放電。

4UPS的發(fā)展方向

（1）智能化、網(wǎng)絡(luò)化的全數(shù)字控制方式。通過(guò)UPS內(nèi)部的CPU對(duì)機(jī)器參數(shù)進(jìn)行編程控制；一臺(tái)UPS可以同時(shí)連接多臺(tái)電腦系統(tǒng)；可利用通訊接口與計(jì)算機(jī)通訊，并配合智能化監(jiān)控軟件及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議使用戶方便、高效地在本地甚至遠(yuǎn)程分析、管理整個(gè)計(jì)算機(jī)及UPS系統(tǒng)。（2）高可靠性與安全性。具備自動(dòng)偵測(cè)、自我保護(hù)、直流開(kāi)機(jī)、高過(guò)載能力及雙機(jī)熱備份功能。

5結(jié)語(yǔ)

正確、安全地使用和維護(hù)好UPS，將使高速公路機(jī)電系統(tǒng)及其他應(yīng)用UPS供電的設(shè)備得到安全的保護(hù)，以提高負(fù)載設(shè)備和數(shù)據(jù)的可靠性、穩(wěn)定性，從而給用戶創(chuàng)造一個(gè)放心的使用環(huán)境，并帶來(lái)良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。