UPS的分類及在機電體系的運用
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本文作者：郭祥柏單位：遼寧省高速公路管理局盤錦管理處
0引言
交通運輸業是國民經濟發展的基礎，是社會發展和提高人民生活水平的基本條件，交通運輸業的發達程度也是衡量一個國家現代化程度的重要標志之一。近幾年，隨著高速公路的迅猛發展，ups不間斷電源被大量地應用到高速公路機電系統中，為保證高速公路的穩定運營發揮了重要的作用。UPS作為高速公路機電系統的重要組成部分，在保證計算機通信、數據、收費、監控設備正常運行和電壓穩定，防止瞬間停電對系統造成危害等方面的影響十分巨大。
1UPS簡介
UPS（UninterruptiblePowerSupply），即不間斷電源，是能夠給予持續、穩定、不間斷的電源供應的重要外部設備。從原理上來說，UPS是一種電力電子設備，它將自動控制逆變器與免維護貯能裝置集合于一身；從功能上來說，UPS可以在市電出現異常時消除“電源污染”，還可以防止因為市電突然中斷而影響正常工作，保障系統在斷電之后能持續工作一定時間，使用戶有充足的時間應對，并且保護系統軟、硬件；從用途上來說，隨著信息化社會的來臨，UPS廣泛地應用于從信息采集、傳送、處理、儲存到應用的各個環節，其重要性是隨著信息應用重要性的日益提高而增加的。UPS的主要功能：實現電網與用電器之間的隔離，實現兩路電源的不間斷切換，提供高質量電源，具有電壓變換和頻率變換功能，能在停電后提供后備時間。UPS工作方式如圖1所示。
1.1UPS的分類
UPS可從電路主結構、后備時間、輸入/輸出方式、輸出波形和輸出容量等5個方面對其進行分類，其中按電路主結構進行分類是目前最常用的方法。
1.1.1按電路主結構分類
1.1.1.1后備式UPS
又稱“離線式UPS”，其工作方式為：市電正常時僅對市電進行穩壓工作，此時UPS處于蓄電池充電狀態；一旦市電異常，后備式UPS就會迅速切換，變成逆變狀態，實現對負載的繼續供電。后備式UPS的優點是運行起來效率高、噪音低，然而這種UPS需要切換時間，一般為4～10ms，所以價格相對便宜，主要適用于市電波動不大、對供電質量要求不高的場合。它對一般的計算機設備的工作不會造成影響，但不適用于關鍵性的供電不能中斷的場所。后備式UPS結構如圖2所示。
1.1.1.2在線式UPS
又稱“雙變換UPS”，它具有高質量的逆變器，逆變器一直處于工作狀態。當市電正常時，在線式UPS的主要功能是穩定電壓并防止電波干擾；而當市電中斷時，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不存在切換時間問題，且供電持續時間長，它的主要功能是使設備在停電時像平常一樣工作，顯然，由于功能的特殊性，其價格也明顯要高出很多。在線式UPS結構如圖3所示。
1.1.1.3在線互動式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高質供電的優點。在輸入市電正常時，在線互動式UPS的逆變器處于反向工作（即整流工作）狀態，給電池組充電；而輸入市電異常時，逆變器立刻轉為逆變工作狀態，將電池組儲備的電能轉換為交流電輸出，因此在線互動式UPS也有轉換時間。這種UPS轉換時間短于后備式UPS，保護功能強，而其最大的優點是可以方便地上網，進行UPS的遠程控制和智能化管理。但由于穩頻特性不夠理想，它不適合用作常延時的UPS電源。在線互動式UPS結構如圖4所示。
1.1.1.4串并聯調整式UPS
多采用雙逆變電壓補償技術，也稱“Delta技術”，當市電正常時，2組逆變器只對輸入電壓與輸出電壓的差值進行調整和補償。逆變器承擔的最大功率僅為輸出功率的20%，所以功率強度很小，功率余量大，這就增強了UPS的輸出能力和過載能力。串并聯調整式UPS不需限制負載電流波峰系數和負載功率因數，輸出有功功率可以等于標定值，其結構如圖5所示。
1.1.2按后備時間分類
（1）標準機：配備有內置蓄電池組的UPS。（2）長效機：需外接蓄電池組的UPS。長效機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
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
一類是修正正弦波逆變器和純方波逆變器，另一類是正弦波逆變器。
1.1.5按輸出容量分類
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，其主電路結構和工作原理區別很大，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換成直流電的裝置。它主要有兩個功能：第一，將交流電轉換為直流電，再經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。其性能的優劣直接影響到UPS的輸入性能指標。（1）可控硅整流器：以晶閘管為基礎，以智能數字控制電路為核心，具有輸出功率大、工作效率高、響應速度快、體積小、重量輕等諸多優點，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
用以把市電經整流后的直流電能或蓄電池的直流電能轉換為電壓和頻率都比較穩定的交流電能，其性能的優劣直接影響到UPS的輸出性能指標。
1.2.3旁路開關
是為提高UPS系統工作的可靠性而設置的，能承受瞬時過載或短路電流。旁路開關可分為以下2種：（1）靜態旁路開關：為無觸點開關，由晶閘管開關器件構成。所謂電子式靜態轉換開關，是將一對反向并聯的快速晶閘管連接起來，作為UPS執行由市電旁路供電至逆變器供電切換操作時的元件。靜態開關可以將轉換時間縮短到1ms以下，甚至100μs以內，但損耗較大。（2）動態旁路開關：為有觸點開關，由接觸器和斷路器構成，靠機械動作完成轉換。動態開關轉換過程會有幾十毫秒的供電中斷，故不能應用于重要的負載場合，現在的UPS已很少采用。
1.2.4蓄電池
用以為UPS提供一定后備時間的電能輸出。在市電正常時，由充電器為其提供電能并轉化為化學能；在市電中斷時，其將化學能再轉換為電能，為逆變器提供能量。
2UPS在高速公路機電系統中的實際應用
高速公路機電系統主要由4項子系統組成，分別是通訊、收費、監控和供電。UPS作為高速公路機電系統的重要組成部分，在保證計算機數據、通信、收費、監控設備穩定運行和電壓穩定，防止瞬時停電對系統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，在經過偏遠地區時供電條件十分有限，經常遇到電壓波動幅度大、停電等情況；在經過環境條件不好的地區（比如山洞）時，則面臨環境惡劣、干擾大等問題；再加上系統技術力量薄弱，維修能力無法跟上建設的腳步等等，所以UPS對于維護高速公路機電系統的穩定性來說意義非常重大，這也要求UPS能耐惡劣環境，具有無人值守的能力。除此之外，高速公路設計部門為了提高供電系統的可靠性，還在UPS前面增加了一級參數穩壓器。
2.1UPS的選型
UPS的功率大小由幾個因素決定：（1）負載功率的大小。一般情況下UPS的功率是負載功率除以0.8的大小，但為了保障UPS的最佳工作狀態，一般是除以0.6。（2）負載類型。高速公路機電系統的設備供電采用相對集中的方式，其中，收費系統和監控中心、分中心及各通信站屬于一類負荷（不容許停電），且設備對電源質量要求較高，因此決定了必須選擇在線式UPS。
2.2蓄電池容量的選擇
計算蓄電池最大放電電流值Imax的標準公式為：Imax=Pcosφ/（η×E臨界×N）
3UPS的使用、維護和保養
3.1UPS的連接
安裝UPS時，應選擇一個通風良好、清潔的環境，并與其他物體保持一定的距離。配電箱所使用的開關不宜選擇老式的刀閘開關，選用空氣開關時容量要適中。如市電電壓波動較大，應在UPS前安裝一級參數穩壓器。禁止將不同安時數、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。為防止寄生電容耦合干擾并保護設備及人身安全，UPS必須接地，且接地電阻不可大于1Ω。
3.3UPS的安全操作
嚴格按照正確的開、關機順序進行操作，避免突然加載或減載時造成UPS輸出電壓波動過大。UPS開機順序必須正確，應先使負載處于關機狀態，在UPS啟動后再逐一打開負載；關閉時順序則相反。
3.4定期維護
通常，每半年應該測量UPS的電池端電壓。如果電壓差超過1V，則使用均衡的恒壓限流（0.5A）充電，如果沒有效果，則必須換新電池。如果某地長期不停電，必須定期（3個月）人為中斷供電，使UPS帶負載放電。
4UPS的發展方向
（1）智能化、網絡化的全數字控制方式。通過UPS內部的CPU對機器參數進行編程控制；一臺UPS可以同時連接多臺電腦系統；可利用通訊接口與計算機通訊，并配合智能化監控軟件及網絡協議使用戶方便、高效地在本地甚至遠程分析、管理整個計算機及UPS系統。（2）高可靠性與安全性。具備自動偵測、自我保護、直流開機、高過載能力及雙機熱備份功能。
5結語
正確、安全地使用和維護好UPS，將使高速公路機電系統及其他應用UPS供電的設備得到安全的保護，以提高負載設備和數據的可靠性、穩定性，從而給用戶創造一個放心的使用環境，并帶來良好的社會效益和經濟效益。