一文解析UPS电源的基本知识

一、UPS的功能

UPS是不间断电源英文名称的缩写，是一种含有储能装置、以逆变器为主要组成部分、具有稳压、稳频、滤波、抗电磁和射频干扰、防电压峰谷浪涌等功能的用电设备电源保护系统。其主要功能是在正常、异常和供电中断的情况下，向重要用电设备及系统提供安全可靠、稳定不间断，不受倒闸操作影响的交流电源。

二、UPS的分类

1、按工作方式分类

UPS按工作方式可分为后备式、在线式和在线互动式三大类。

1）后备式

后备式UPS在市电正常时，直接由市电向负载供电，当市电超出其工作范围或停电时，通过转换开关转换为电池逆变供电。其特点是结构简单，体积小，成本低，但输入电压范围窄，输出电压稳定精度差，有切换时间，且输出波形一般为方波。

2）在线式

在线式UPS在市电正常时，由市电进行整流提供直流电压给逆变器工作，由逆变器向负载提供交流电；在市电异常时，逆变器由电池提供能量，逆变器始终处于工作状态，保证无间断输出。其特点是有极宽的输入电压范围，无切换时间，且输出电压稳定精度高，特别适合对电源要求高的场合，但成本较高。

3）在线互动式

在线互动式UPS在市电正常时，直接由市电向负载供电；当市电电压偏低或偏高时，通过UPS内部稳压线路稳压后输出；当市电异常或停电时，通过转换开关转为电池逆变供电。其特点是有较宽的输入电压范围，噪音低，体积小，但同样存在切换时间。

2、按容量大小分类

1）小容量：3kVA以下。

2）中小容量：3～10kVA。

3）中大容量：10kVA。

3、按输入/输出方式分类

1）单相输入/单相输出；

2）三相输入/单相输出；

3）三相输入/三相输出。

三、UPS的组成部分

UPS由整流器、逆变器、隔离变压器、静态开关、手动旁路开关等设备组成。

1、整流装置

整流器又称充电器，接线方式有三相全控桥式整流和三相半控桥式整流。

1）输入变压器

用来改变交流电源输入电压的大小，给整流器一个合适的电压值。

2）整流器

有三个二极管和三个可控硅组成三相全波半控桥式整流电路，调整导通角和通电时间可得到理想的直流输出电压。

3）输出过滤器

由一个电感线圈和一组电容组成的L型过滤器，用来减小整流器输出的波纹系数。

4）控制板

通过比较给定值，调整可控硅的导通角，使整流器输出电压正常。

2、逆变器

1）输入回路

提供稳定的直流电源。

2）功率开关

其交替反极性导通将直流电源转换成功率很大的方波。

3）振荡器

是逆变器的核心，发出一定频率的导通脉冲去控制功率开关电路。

4）输出回路

由恒压变压器及滤波电容组成，其作用是滤去功率开关输出方波中的高次谐波，使输出波形近似于正弦波并保持输出电压的恒定。

四、UPS的运行方式

UPS系统为单相两线制系统，输入电源为三相交流或直流，输出电源为单相交流。

1、正常运行方式

市电正常时，市电经滤波回路转换为直流电，对电池充电以备电力中断时使用。后备式和在线互动式直接由市电向负载供电，在线式则是经整流回路转换为直流电作为逆变器的输入，再经过逆变器的转换提供电力为负载使用；当市电电压过低或过高、瞬间突变等影响设备正常运转时，在线互动式通过UPS内部稳压线路稳压后输出。

2、电池工作方式

市电发生异常或停电时，逆变器将储存于电池中的直流电转换为交流电，持续提供电力供给负载继续使用，达到不断电的功能。

3、旁路运行方式

在线式UPS超载、旁路命令、逆变器过热或机器故障时，UPS一般将逆变输出转为旁路输出，即由市电直接供电。

4、旁路维护方式

UPS检修时，通过手动旁路保证负载设备的正常供电；检修完成后，重新启动UPS， UPS转为正常运行。

五、在线式UPS工作原理

在线式UPS在正常工作状态下，由厂用电源输入交流，经整流器整流滤波为直流再送入逆变器，变为稳频稳压的工频电流，经静态开关向负荷供电。当UPS交流输入电源因故中断或整流器发生故障时，逆变器由蓄电池组供电，仍可做到毫无间断地继续向负荷提供优质可靠的交流电。如果逆变器发生故障，还可自动切换至旁路备用电源供电。当负载启动电流太大，UPS也可自动切换至旁路电源供电，启动过程结束后再自动恢复由UPS供电。

如下图，供电电源为三路，其中两路交流电源来自厂用保安段，这两路电源可经静态开关自动切换，或经手动旁路开关手动切换。第三路来自直流屏，用蓄电池组供电，经隔离二极管到逆变器，三路电源配合使用。

六、UPS的操作顺序

1、UPS系统投入运行前的检查

1）检查盘内清洁无杂物，绝缘符合要求；

2）检查系统接线相序、极性正确，接头无松动；

3）检查整流器电源输入电压正常；

4）检查旁路调压器升降调节灵活；

5）检查各元件完好，开关均在断开位置。

2、UPS系统投入运行的操作

1）合上系统控制、保护及信号电源小开关（或熔断器）。

2）合上正常输入工作电源开关，装上电源熔断器。

3）按下整流器充电按钮，充电器投入指示灯亮。

4）合上蓄电池组开关，装上直流电源熔断器，对应指示灯亮。

5）按下逆变器运行按钮，灯亮、大约十秒后向负荷供电。

6）合上系统备用电源开关，装上备用电源熔断器，调整输出电压为规定值。

7）检查满足静态开关切换条件（旁路电源同逆变器输出的频率和相位相同）的同步指示灯亮。

8）检查UPS运行符合所需运行方式，各信号灯指示正确。

3、UPS系统退出运行的操作

1）断开备用电源刀开关，取下备用电源熔断器。

2）按下逆变器停止与复归按钮，全部报警器复位。

3）断开直流电源刀开关，取下直流电源熔断器。

4）按下充电器停止按钮，使充电器关机。

5）断开正常交流工作电源进线刀开关，取下电源熔断器。

6）将手动旁路开关切换至旁路位置。

7）全面检查，灯光熄灭，电源均断开。

4、UPS系统切换至旁路的操作

1）检查旁路工作正常，处于备用状态。

2）合上手动旁路开关，转入备用电源供电。

3）约八秒后系统切至旁路运行。

4）检查灯光指示正确，输出电压正常。

5）断开正常交流工作电源进线开关，各信号灯指示正确。

七、UPS的日常维护

1、UPS在正常使用情况下，主机的维护工作主要是防尘和定期除尘。在除尘时应检查各连接件和插接件有无松动和接触不牢的情况。

2、平时每组电池中应有几块电池做标示电池，作为了解全电池组工作情况的参考，对标示电池应定期测量并做好记录。

3、当UPS系统出现故障时，应先查明原因，分清是负载还是UPS系统、是主机还是电池组。

4、对主机出现击穿、烧断保险或烧毁器件的故障，一定要查明原因并排除故障后才能重新启动，否则会接连发生相同的故障。

5、不能把不同容量、不同性能、不同厂家的电池连在一起，否则可能会对整组电池带来不利影响。对寿命已经过期的电池组要及时更换，以免影响主机。

八、UPS的使用注意事项

1、每一台UPS说明书上都有接线方法和使用条件的具体介绍, 开箱后应首先按说明书的要求正确安装使用，须特别注意的是：UPS 输入和输出电源相线、零线的装接顺序应符合规定(左零右相)， 并且要可靠接地。

2、接UPS的配电箱所使用的开关不宜用老式的刀闸开关，因为这种开关在开关电源时有拉弧现象，会对电网产生干扰；另外，使用熔断式保险丝，过流响应速度慢，在负载或UPS短路时，不能及时切断电源，从而会对设备造成危害。所以应采用广为使用的空气开关，这种开关有消弧和负载短路时响应速度快的功能，且有漏电保护和过热保护等功能。

3、空气开关的容量选用应适中。开关容量过大会造成过流或负载发生短路时起不到保护作用，过小会经常造成市电中断。

4、UPS应长期处于开机状态,而所带负载应用时开机,用完后关机。尽量不要带负载开启UPS，开机时应先开UPS，后开启负载电源, 关机时应按相反的顺序进行。尽量不要频繁关闭和开启UPS，关闭后至少要等6秒后才能开启，否则可能出现既无市电输出、又无逆变器输出的“启动失败”状态。

5、UPS不允许超负荷使用，所带负载总和不能大于UPS的输出功率。由于电器设备的启动功率一般都略大于其额定功率,因此在匹配负载时，最好按UPS的80%负载率来考虑，在逆变器状态下超负荷使用，常会造成逆变三极管击穿, 缩短UPS的使用寿命。

6、UPS不宜一直处于满载和轻载的状态下运行，一般选取额定容量的50%-80%，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，所以即使从经济角度讲也是得不偿失。

7、使用UPS时, 应注意不要带电感性负载（例如日光灯、空调、电动机）、半波负载及冲击负载（例如打印机），否则会对电网及UPS产生很大的冲击，应把感性负载接到其他市电线路中。UPS只能接纯电阻或电容性负载。有条件的可以用示波器检测UPS的输出波形：若是方波，须严守上述要求，若是正弦波，则可以带微电感性负载。

**8、UPS主机对环境温度要求不高，040℃都能正常工作，但要求室内清洁少尘，否则灰尘加上潮湿会引起主机工作不正常。蓄电池对温度要求较高，标准使用温度为25℃，平时不宜超出1530℃范围。温度太低，会使蓄电池容量下降，温度每下降1℃，其容量下降1%。如果在高温下长期使用，温度每升高10度，电池寿命约减少一半。所以UPS的使用环境应注意通风良好，利于散热，并保持环境的清洁。 **

9、市电中断后, 标准型的UPS的供电时间一般是5～12分钟,这时候应该及时负载关机，待市电恢复正常后，再开机使用。有条件的可以选择长效型的UPS，通过外接蓄电池组来延长UPS的供电时间。

10、市电中断后，长效型UPS由电池供电而自动关机后，请勿再利用UPS电池开机供电，以免电池因过放电而损坏。

11、若用户在市电停电期间使用发电机供电，应保证发电机功率大于两倍UPS额定功率，且必须在发电机启动稳定后才能接入UPS。

12、开启UPS负载时，一般遵循先大后小的原则。

13、为了防止UPS过度放电, 要及时进行不少于48 小时的连续充电(带或不带负载均可)。

14、对长期闲置的UPS, 应每隔一个月对蓄电池进行连续20小时的充电。长期闲置不用的UPS在重新开机使用之前，先不要加负载，让UPS利用机内的充电回路，对蓄电池浮充10～12h以后再用。对于后备式UPS来说，若UPS长期工作在后备式工作状态，建议每隔一个月，让UPS处于逆变器工作状态至少2~3min， 以便激活电池。

15、禁止将不同安时数、不同品牌的电池组合使用。

16、长期不停电的地区，应定期对UPS进行充放电（原则上三个月）以保障电池的使用寿命。

17、为保护UPS的使用寿命，应同厂商维修人员协商，定期对UPS进行维护保养。

18、UPS主机中设置的参数在使用中不能随意改变，特别是电池组的参数，会直接影响其使用寿命，但随着环境温度的改变，对浮充电压要做相应调整，通常以25℃为标准，环境温度每升高或降低1℃，12伏蓄电池浮充电压应增加18mV。

19、由于大功率UPS的电池组电压很高，存在电击危险。因此在安装电池连接和输出线时，应具有安全保障，工具应采取绝缘措施，特别是输出接点应有防触摸措施。

九、UPS的常见故障及维修

1、换向失败

1）换向电容、电感或可控硅损坏。

更换电容、电感或可控硅。

2）输出过载或短路。

检修输出回路。

3）触发控制回路故障。

检修触发控制回路

2、逆变主元件损坏

1）换向失败。

维修方法同上第一条。

2）输出过载或短路。

检修输出回路。

3）主元件保护回路失效。

检修保护回路。

4）主元件自身质量问题。

更换元器件。

3、主熔断器熔断

1）换向失败。

维修方法同上第一条。

2）输出过载或短路。

检修输出回路。

3）主元件击穿短路。

更换主元件。

4）直流或交流滤波电容损坏。

更换损坏的电容。

5）设备内部有其他短路点。

检查排除设备内部其他故障。

4、静态开关不工作

1）静态开关主元件损坏。

更换静态开关主元件。

2）静态开关触发脉冲回路故障。

检查修复触发回路。

5、逆变桥与市电不同步

1）锁相环失锁。

检查失锁原因并处理。

2）市电频率偏差太大。

无需处理。

6、逆变器或静态开关主元件过热

1）环境温度过高。

改善环境条件。

2）冷却系统故障。

检修冷却系统。

3）长期过负荷。

检查调整负荷。

4）散热片上积尘太多。

清扫散热片。

5）主元件性能老化。

更换老化的元器件。

6）主元件与散热片接触不良。

紧固主元件。

7、电子元器件过热或变色

1）电容器漏油或短路。

更换电容器。

2）电感绕组短路。

修理或更换电感绕组。

3）晶体管元件击穿损坏。

更换晶体管。

4）电子元器件的参数变化引起过流。

检查更换电子元器件。

5）回路中发生短路

查找排除短路点。

8、信号指示灯不亮

1）灯泡松动或损坏。

拧紧或更换灯泡。

2）指示灯用变压器或电阻断线。

修理或更换变压器、电阻。

9、投入负荷时输出电压突然下降

1）自控系统失调。

检查处理自控系统。

2）直流阻抗匹配不良。

正确匹配直流阻抗。

10、交流输出电压异常

1）直流输出电压异常。

检修直流供电回路。

2）电压检测回路故障。

检修电压检测回路。

3）基准信号失调。

清理基准信号。

4）触发控制回路故障。

检查排除控制回路故障。

11、变压器、电抗器过热

1）绕组内部短路。

修理或更换绕组。

2）过负荷或负荷回路短路。

调整负荷或处理负荷回路。

3）环境温度过高。

改善环境条件。

12、输出电压频率不正常

1）本机震荡部分的标准信号不正常。

检查调整标准信号。

2）相关控制回路故障。

检修排除相关回路故障点。