UPS的分类及在机电体系的运用

本文作者：郭祥柏单位：辽宁省高速公路管理局盘锦管理处

0引言

交通运输业是国民经济发展的基础，是社会发展和提高人民生活水平的基本条件，交通运输业的发达程度也是衡量一个国家现代化程度的重要标志之一。近几年，随着高速公路的迅猛发展，UPS不间断电源被大量地应用到高速公路机电系统中，为保证高速公路的稳定运营发挥了重要的作用。UPS作为高速公路机电系统的重要组成部分，在保证计算机通信、数据、收费、监控设备正常运行和电压稳定，防止瞬间停电对系统造成危害等方面的影响十分巨大。

1UPS简介

UPS（UninterruptiblePowerSupply），即不间断电源，是能够给予持续、稳定、不间断的电源供应的重要外部设备。从原理上来说，UPS是一种电力电子设备，它将自动控制逆变器与免维护贮能装置集合于一身；从功能上来说，UPS可以在市电出现异常时消除“电源污染”，还可以防止因为市电突然中断而影响正常工作，保障系统在断电之后能持续工作一定时间，使用户有充足的时间应对，并且保护系统软、硬件；从用途上来说，随着信息化社会的来临，UPS广泛地应用于从信息采集、传送、处理、储存到应用的各个环节，其重要性是随着信息应用重要性的日益提高而增加的。UPS的主要功能：实现电网与用电器之间的隔离，实现两路电源的不间断切换，提供高质量电源，具有电压变换和频率变换功能，能在停电后提供后备时间。UPS工作方式如图1所示。

1.1UPS的分类

UPS可从电路主结构、后备时间、输入/输出方式、输出波形和输出容量等5个方面对其进行分类，其中按电路主结构进行分类是目前最常用的方法。

1.1.1按电路主结构分类

1.1.1.1后备式UPS

又称“离线式UPS”，其工作方式为：市电正常时仅对市电进行稳压工作，此时UPS处于蓄电池充电状态；一旦市电异常，后备式UPS就会迅速切换，变成逆变状态，实现对负载的继续供电。后备式UPS的优点是运行起来效率高、噪音低，然而这种UPS需要切换时间，一般为4～10ms，所以价格相对便宜，主要适用于市电波动不大、对供电质量要求不高的场合。它对一般的计算机设备的工作不会造成影响，但不适用于关键性的供电不能中断的场所。后备式UPS结构如图2所示。

1.1.1.2在线式UPS

又称“双变换UPS”，它具有高质量的逆变器，逆变器一直处于工作状态。当市电正常时，在线式UPS的主要功能是稳定电压并防止电波干扰；而当市电中断时，它便使用备用直流电源（蓄电池组）给逆变器供电。由于逆变器一直在工作，因此在线式UPS不存在切换时间问题，且供电持续时间长，它的主要功能是使设备在停电时像平常一样工作，显然，由于功能的特殊性，其价格也明显要高出很多。在线式UPS结构如图3所示。

1.1.1.3在线互动式UPS

这是一种智能化的UPS，它集中了后备式UPS高效和在线式UPS高质供电的优点。在输入市电正常时，在线互动式UPS的逆变器处于反向工作（即整流工作）状态，给电池组充电；而输入市电异常时，逆变器立刻转为逆变工作状态，将电池组储备的电能转换为交流电输出，因此在线互动式UPS也有转换时间。这种UPS转换时间短于后备式UPS，保护功能强，而其最大的优点是可以方便地上网，进行UPS的远程控制和智能化管理。但由于稳频特性不够理想，它不适合用作常延时的UPS电源。在线互动式UPS结构如图4所示。

1.1.1.4串并联调整式UPS

多采用双逆变电压补偿技术，也称“Delta技术”，当市电正常时，2组逆变器只对输入电压与输出电压的差值进行调整和补偿。逆变器承担的最大功率仅为输出功率的20%，所以功率强度很小，功率余量大，这就增强了UPS的输出能力和过载能力。串并联调整式UPS不需限制负载电流波峰系数和负载功率因数，输出有功功率可以等于标定值，其结构如图5所示。

1.1.2按后备时间分类

（1）标准机：配备有内置蓄电池组的UPS。（2）长效机：需外接蓄电池组的UPS。长效机的容量有几百伏安到几十千伏安可供选择。

1.1.3按输入/输出方式分类

可分为单相输入/单相输出UPS、三相输入/单相输出UPS和三相输入/三相输出UPS。

1.1.4按输出波形分类

一类是修正正弦波逆变器和纯方波逆变器，另一类是正弦波逆变器。

1.1.5按输出容量分类

可分为微型UPS、小型UPS、中型UPS及大型UPS。

1.2UPS的主要组成

由于UPS功能的不同，其主电路结构和工作原理区别很大，但一般都包括以下组成部分：

1.2.1整流充电器

整流充电器是把交流电转换成直流电的装置。它主要有两个功能：第一，将交流电转换为直流电，再经滤波后将直流电供给逆变器；第二，给蓄电池提供充电电压，起到充电器的作用。其性能的优劣直接影响到UPS的输入性能指标。（1）可控硅整流器：以晶闸管为基础，以智能数字控制电路为核心，具有输出功率大、工作效率高、响应速度快、体积小、重量轻等诸多优点，适用于输入电压低、功率大的UPS。（2）二极管与IGBT（绝缘栅双极晶体管）组合型整流器：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。

1.2.2逆变器

用以把市电经整流后的直流电能或蓄电池的直流电能转换为电压和频率都比较稳定的交流电能，其性能的优劣直接影响到UPS的输出性能指标。

1.2.3旁路开关

是为提高UPS系统工作的可靠性而设置的，能承受瞬时过载或短路电流。旁路开关可分为以下2种：（1）静态旁路开关：为无触点开关，由晶闸管开关器件构成。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执行由市电旁路供电至逆变器供电切换操作时的元件。静态开关可以将转换时间缩短到1ms以下，甚至100μs以内，但损耗较大。（2）动态旁路开关：为有触点开关，由接触器和断路器构成，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，现在的UPS已很少采用。

1.2.4蓄电池

用以为UPS提供一定后备时间的电能输出。在市电正常时，由充电器为其提供电能并转化为化学能；在市电中断时，其将化学能再转换为电能，为逆变器提供能量。

2UPS在高速公路机电系统中的实际应用

高速公路机电系统主要由4项子系统组成，分别是通讯、收费、监控和供电。UPS作为高速公路机电系统的重要组成部分，在保证计算机数据、通信、收费、监控设备稳定运行和电压稳定，防止瞬时停电对系统造成危害等方面是非常重要的。由于高速公路范围广、线路长，在经过偏远地区时供电条件十分有限，经常遇到电压波动幅度大、停电等情况；在经过环境条件不好的地区（比如山洞）时，则面临环境恶劣、干扰大等问题；再加上系统技术力量薄弱，维修能力无法跟上建设的脚步等等，所以UPS对于维护高速公路机电系统的稳定性来说意义非常重大，这也要求UPS能耐恶劣环境，具有无人值守的能力。除此之外，高速公路设计部门为了提高供电系统的可靠性，还在UPS前面增加了一级参数稳压器。

2.1UPS的选型

UPS的功率大小由几个因素决定：（1）负载功率的大小。一般情况下UPS的功率是负载功率除以0.8的大小，但为了保障UPS的最佳工作状态，一般是除以0.6。（2）负载类型。高速公路机电系统的设备供电采用相对集中的方式，其中，收费系统和监控中心、分中心及各通信站属于一类负荷（不容许停电），且设备对电源质量要求较高，因此决定了必须选择在线式UPS。

2.2蓄电池容量的选择

计算蓄电池最大放电电流值Imax的标准公式为：Imax=Pcosφ/（η×E临界×N）

3UPS的使用、维护和保养

3.1UPS的连接

安装UPS时，应选择一个通风良好、清洁的环境，并与其他物体保持一定的距离。配电箱所使用的开关不宜选择老式的刀闸开关，选用空气开关时容量要适中。如市电电压波动较大，应在UPS前安装一级参数稳压器。禁止将不同安时数、不同品牌的蓄电池组合使用。

3.2UPS的防雷接地

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。为防止寄生电容耦合干扰并保护设备及人身安全，UPS必须接地，且接地电阻不可大于1Ω。

3.3UPS的安全操作

严格按照正确的开、关机顺序进行操作，避免突然加载或减载时造成UPS输出电压波动过大。UPS开机顺序必须正确，应先使负载处于关机状态，在UPS启动后再逐一打开负载；关闭时顺序则相反。

3.4定期维护

通常，每半年应该测量UPS的电池端电压。如果电压差超过1V，则使用均衡的恒压限流（0.5A）充电，如果没有效果，则必须换新电池。如果某地长期不停电，必须定期（3个月）人为中断供电，使UPS带负载放电。

4UPS的发展方向

（1）智能化、网络化的全数字控制方式。通过UPS内部的CPU对机器参数进行编程控制；一台UPS可以同时连接多台电脑系统；可利用通讯接口与计算机通讯，并配合智能化监控软件及网络协议使用户方便、高效地在本地甚至远程分析、管理整个计算机及UPS系统。（2）高可靠性与安全性。具备自动侦测、自我保护、直流开机、高过载能力及双机热备份功能。

5结语

正确、安全地使用和维护好UPS，将使高速公路机电系统及其他应用UPS供电的设备得到安全的保护，以提高负载设备和数据的可靠性、稳定性，从而给用户创造一个放心的使用环境，并带来良好的社会效益和经济效益。