UPS电源工作原理及UPS并机应用

UPS 电源工作原理及 UPS 并机应用来源 民航重庆空管站 重 庆 袁 煦 401120 作者 祝 厕 上网时间 2008-03-06 点击 1 本栏由山特电子赞助 ,山特 UPS 是中国驰名商标摘 要 本文主要介绍了 UPS 系统基本组成和各模块功能、设备故障时的工作情况，主从热备份并机应用及预防故障和发生故障的操作规程，以此提高 UPS 应用水平，减少事故的发生。关键词 UPS 蓄电池 主从热备份为配合雷达管制的需要，重庆空管站先后引进了 THALES 次雷达和 Telephonics 航管 自动化 系统， 提升了硬件设备设施的保障力量。 在此情 况下，为设备正常运行提供动力支持的供电系统 也凸显重要地位，因为供 电系统的正常与否不仅 关系到设备的运行安全，更关系到管制工作的 利展开。在供电系统中， UPS 不问断电源 是 至关重要的一个环节，它是负载和供电干线之间 的连接，解决了市电中断或瞬时变化对负载产生 的不 良影响，保证连续地和稳定地向负载供电，是预防突发事件的一个缓冲点。一 UPS 系统基本组成和各模块的功能 UPS 是在市电断电或电压波动出现时，能够不间断地为负荷提供电源，同时它还具有电源净 化功能，能够将诸如电压浪涌、电压尖峰、电 压瞬变以及噪声电压等过滤掉，保护所带负荷正 常工作。我站采用的是 BEST S4000 型 UPS ，其基 本供电单元是交流／直流／交流变流器，主要由整 流器、蓄电池、逆变器、静态开关、静态旁路、 维修旁路功能模块组成，其功能如下l 、整流器整流器采用了三相／六脉冲方式整流，将不 稳定的三相交流市电电源整成直流的器件。市电 经整流后主要作为逆变器电源，同时提供给电池 组作为浮充或均充电源。整流器是恒流恒压设 计，当充电电流达到指标极限时将 自动调节充电电压，防止对电池造成过充。2 、蓄电池蓄电池组是 UPS 系统的关键 ，平时由整流器整流的直流浮充工作。当交流输入失电或电网电 源质量超标，将 自动由蓄电池组提供直流电源经 逆变后不间断送向负载。因此，蓄电池组性能的 好坏直接影响UPS 发挥作用。3 、逆变器逆变器将整流的直流电由 IGBT 绝缘栅双极性晶体管 经 SP1ljl 『 M 正弦脉宽调制 变换，经逆变变压器转换，输出滤波后，输出纯净的正弦交流电，由静态开关零切换给负载。4 、静 态开关静态旁路开关是由可控硅等电力电子元件组成。从原理上讲它相当于一个单刀双置的开关。 静态自动旁路在控制上保证逆变器和旁路电源之间自动切换特点是 “ 先合后断 ” ， 以此保证向负荷供电不间断。 正常运行状态，静态开关闭合在逆变器侧。 5 、维修旁路 维修旁路是接于旁路电源和逆变器输出之间的开关，它可以隔离逆变器输出和 自动旁路，作为 UPS 维修和测试时不间断负载供电的设备。需要注意的是只有 UPS 工作在静态旁路电源侧才能手动合手动旁路开关。二、设备故障时工作情况l 、整流器故障或市电中断整流器无直流输出，电池组继续向逆变器供电，逆变器将 电池供给的直流电转换成交流电通过逆变器输出静态开关供给负载，此时供电的时间长短取决于电池组的容量。2 、逆变器故障或超载整流器处于正常工作状态，继续向电池组充电，逆变器输 出静态开关在旁路开关合上后自动分离，采用了先合后分的模式，保证在切换的过程中毫无中断，负载通过静态开关切换到静态旁路，由市电供电。3 、逆变器故障无法转至静态旁路当逆变器故障无法转至静态旁路时，手动转至维修旁路供电。4 、 UPS 无法供 电时将机房配电柜里的双向闸刀倒向市电。三、蓄电池的维护在平时的工作中，我们可以依靠 UPS 完善的监控系统和 日常巡检来及时发现和处理像整流器、逆变器出现的问题，但是像蓄电池组缺少监 控体系的环节来说，日常的维护和检查显得更加 重要。我站的 UPS 系统采用的电池是松下免维护 电池 ，一套 UPS 系统由 32 块单体电池串联组成， 由于每一块电池的性能好坏将影响整组电池发挥 作用，因此，蓄电池更应该是 UPS 日常注意和维 护的重点内容。 正常运行时对免维护电池应该做到以下几点1 、电池组的工作环境，温度应保证在 20 ℃ 一25“2 ，电池使用中会产生氢气，所 以要远离火 源，保持通风，防止爆炸。2 、避免不同的电池混合使用。3 、定期对 UPS 进行放电测试，检查电池放电终止电压是否在正常范围内。四、双 UPS 主从热备份的应用单台 UPS 使用时，各功能部件之间是 串联关系，任何一个环节出故障，都有可能造成供电系 统失效，若采用双 UPS 系统并联，势必将提高供 电系统的可靠性。我站在加大设备更新的同时， 又增加了一台UPS 保障力量， 采用了 UPS 双机主从 热备份并机模式， 下面以此系统为例说明其工作 情况。 如图 1 所示由图 1 可以看出，第一台 UPS 是串接在第二台 UPS 的 Bypass 支路中的，在 UPS2 正常工作时，旁路 2 开关断开， UPS1 的逆变器工作是空载运行， 它 的整流器 1 向电池组 1 浮充， 旁路 1 也处于断路状 态。 一旦 UPS2 故障， 其逆变器 2 输 出断开， 而旁 路 2 静态开关导通， UPS1 接着 向负载供电，如果 UPS1 也发生故障，逆变器输出断开，旁路 l 静态 开关导通，仍继续供电。这种方式由于是热备份 连接而不存在高风险的均流问题，因此系统稳定 可靠。其缺陷在于两台 UPS 的老化不均，如果主 机在较长时间内没有出现故障，则从机一直空载 运行 ，从而造成主、从机元器件的老化严重不 均，当主机出现故障后将负载转到从机 ，可能会 由于从机瞬间无法承受突加的重载而将负载甩给市电，造成系统崩溃。备机电池长期不处于浮充 状态，影响电池寿命。 面对 以上实际解决的问题，我站制定了人工 主备转换操作规程。由于两台 UPS 是同时输出，靠逆变器静态输出开关的闭合来选择主从机，逆 变器在线带载 的 UPSP 称 为主用机 ， 未带载的 UPS 称为备用机。 当主机出现逆变器故障、 过载 等异常情况时，系统 自动切换到备用机带载供电，此时主备关系转换不需要人工干预，但是进 行系统转换检测、应急供电转换时，就需要下述 人工主备转换操作 l 、正常情况下的操作步骤 1 检查确认市电供电正常，双机系统中逆变器启动，确认带载 UPS 为主用机，空载 UPS 为备 用机。 2 停止主用机逆变器 机 内按 INV ON ／ OFF 钮 ，检查确认主用机逆变器停止。 3 检查备用机逆变器是否 已自动带载， 如 未带载按备用机机内 SSI ON 钮， 启用备用机逆变 器带载。 转换完成后， 开启原主机逆变器，SSI 灯灭。 4 如备用机逆变器启动带载，操作即完成。2 、非正常情况下的操作由于串联结构是两 台完整的 UPS 同步工作， 平常主机输出全部负载电流，主机故障时切换到 从机。这种结构的并机系统最大的问题是主机的 静态旁路没有备份。如果主机的转换控制失灵或者静态旁路故障，即使从机正常也不能切换给负载。在这种情况下，就需要进行以下操作6 检查备用机静态旁路开关是否带载供电，否则合上 IRE ，启动备用机静态旁路 机 内按 bypass on 钮 ， 检查确认备用机静态旁路带载供电后， 断开备用机维修旁路 断开备用机机 内 IBY 开关 。 7 合上备用机 IRP ， 启动备用机逆变器， 机内按 INV ON ／ OFFIt ， 等待备用机逆变器同步， 然后按 SS1 0N 钮，启动备用机逆变器带载，操作即完成。3 、主从 热备份 并机的不足从主从热备份 UPS 这个系统来说， 当它处于正常运行状态时， 一台主 UPS 在工作， 另一台备机 UPS 只提供主 UPS 旁路电压，不提供电流，所以备机设备能力不能充分发挥，只是作为一个应急手段。另外，负载短路或过负荷的问题是有可能发生的，一般情况下，旁路电源的过载能力比逆变器过载能力大，虽然增加了一台 UPS ，但是它接在主机的旁路电源，在负载短路或过负荷时， 1 检查确认市电供 电正常，双机系统中逆 变器均启动，确认带载 UPS 为主用机，空载机为 备用机。 2 检查双机 UPS 共用配电箱内维修旁路开关 状态，确保其断开，任何情况下禁止闭合共用配 电箱内维修旁路开关。 3 在主用机上将负载转到维修旁路供 电 断开主用机 IRP 空开，检查确认主用机维修旁路 带载供电。 4 检查备用机逆变器，如在运行即停止备 用机逆变器，断开备用机 IRP 空开。 5 将备用机转换到维修旁路，检查确认备 用机维修旁路与主用机维修旁路同时带载供电 后，断开主用机维修旁路 断开主用机机 内IBY 开关 。最终还会出现由主机逆变器到旁路再到备机旁路 的自动切换，因此，增加一台 UPS 没能达到提高 系统的过载能力。所以在以后的工作中我们还应该尝试更好的并机技术，为此建议采用外部过流 保护措施，或选用有该保护功能的设备，即若负 载为短路状态， UuFs 自动切断输出，避免造成 更严重的损坏。五、总结虽然加大了设备和技术上的投入和更新，但 是仍存在一些问题需要解决，在实际工作中也会 不可避免地遇到新的故障现象，我们要做的就是 在现有的基础上，充分了解设备的运行过程，制 定出完善的工作规程，在实践中不断地提升设备 的运行能力，从而保障生产安全。