UPS的分類及在機(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錦管理處
0引言
交通運(yùn)輸業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，是社會發(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)程度也是衡量一個國家現(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，在保證計算機(jī)通信、數(shù)據(jù)、收費、監(jiān)控設(shè)備正常運(yùn)行和電壓穩(wěn)定，防止瞬間停電對系統(tǒng)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(xù)、穩(wěn)定、不間斷的電源供應(yīng)的重要外部設(shè)備。從原理上來說，UPS是一種電力電子設(shè)備，它將自動控制逆變器與免維護(hù)貯能裝置集合于一身；從功能上來說，UPS可以在市電出現(xiàn)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(tǒng)在斷電之后能持續(xù)工作一定時間，使用戶有充足的時間應(yīng)對，并且保護(hù)系統(tǒng)軟、硬件；從用途上來說，隨著信息化社會的來臨，UPS廣泛地應(yīng)用于從信息采集、傳送、處理、儲存到應(yīng)用的各個環(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：實現(xiàn)電網(wǎng)與用電器之間的隔離，實現(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間。UPS工作方式如圖1所示。
1.1UPS的分類
UPS可從電路主結(jié)構(gòu)、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(jìn)行分類，其中按電路主結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類是目前最常用的方法。
1.1.1按電路主結(jié)構(gòu)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(jìn)行穩(wěn)壓工作，此時UPS處于蓄電池充電狀態(tài)；一旦市電異常，后備式UPS就會迅速切換，變成逆變狀態(tài)，實現(xiàn)對負(fù)載的繼續(xù)供電。后備式UPS的優(yōu)點是運(yùn)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(zhì)量要求不高的場合。它對一般的計算機(jī)設(shè)備的工作不會造成影響，但不適用于關(guān)鍵性的供電不能中斷的場所。后備式UPS結(jié)構(gòu)如圖2所示。
1.1.1.2在線式UPS
又稱“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，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，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(xù)時間長，它的主要功能是使設(shè)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(jié)構(gòu)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(zhì)供電的優(yōu)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(tài)，給電池組充電；而輸入市電異常時，逆變器立刻轉(zhuǎn)為逆變工作狀態(tài)，將電池組儲備的電能轉(zhuǎn)換為交流電輸出，因此在線互動式UPS也有轉(zhuǎn)換時間。這種UPS轉(zhuǎn)換時間短于后備式UPS，保護(hù)功能強(qiáng)，而其最大的優(yōu)點是可以方便地上網(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的UPS電源。在線互動式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“Delta技術(shù)”，當(dāng)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(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按后備時間分類
（1）標(biāo)準(zhǔn)機(jī)：配備有內(nèi)置蓄電池組的UPS。（2）長效機(jī)：需外接蓄電池組的UPS。長效機(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
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(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，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，能承受瞬時過載或短路電流。旁路開關(guān)可分為以下2種：（1）靜態(tài)旁路開關(guān)：為無觸點開關(guān)，由晶閘管開關(guān)器件構(gòu)成。所謂電子式靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，是將一對反向并聯(lián)的快速晶閘管連接起來，作為UPS執(zhí)行由市電旁路供電至逆變器供電切換操作時的元件。靜態(tài)開關(guān)可以將轉(zhuǎn)換時間縮短到1ms以下，甚至100μs以內(nèi)，但損耗較大。（2）動態(tài)旁路開關(guān)：為有觸點開關(guān)，由接觸器和斷路器構(gòu)成，靠機(jī)械動作完成轉(zhuǎn)換。動態(tài)開關(guān)轉(zhuǎn)換過程會有幾十毫秒的供電中斷，故不能應(yīng)用于重要的負(fù)載場合，現(xiàn)在的UPS已很少采用。
1.2.4蓄電池
用以為UPS提供一定后備時間的電能輸出。在市電正常時，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，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)中的實際應(yīng)用
高速公路機(jī)電系統(tǒng)主要由4項子系統(tǒng)組成，分別是通訊、收費、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，在保證計算機(jī)數(shù)據(jù)、通信、收費、監(jiān)控設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行和電壓穩(wěn)定，防止瞬時停電對系統(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，在經(jīng)過偏遠(yuǎn)地區(qū)時供電條件十分有限，經(jīng)常遇到電壓波動幅度大、停電等情況；在經(jīng)過環(huán)境條件不好的地區(qū)（比如山洞）時，則面臨環(huán)境惡劣、干擾大等問題；再加上系統(tǒng)技術(shù)力量薄弱，維修能力無法跟上建設(shè)的腳步等等，所以UPS對于維護(hù)高速公路機(jī)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性來說意義非常重大，這也要求UPS能耐惡劣環(huán)境，具有無人值守的能力。除此之外，高速公路設(shè)計部門為了提高供電系統(tǒng)的可靠性，還在UPS前面增加了一級參數(shù)穩(wěn)壓器。
2.1UPS的選型
UPS的功率大小由幾個因素決定：（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)載類型。高速公路機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)備供電采用相對集中的方式，其中，收費系統(tǒng)和監(jiān)控中心、分中心及各通信站屬于一類負(fù)荷（不容許停電），且設(shè)備對電源質(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，應(yīng)選擇一個通風(fēng)良好、清潔的環(huán)境，并與其他物體保持一定的距離。配電箱所使用的開關(guān)不宜選擇老式的刀閘開關(guān)，選用空氣開關(guān)時容量要適中。如市電電壓波動較大，應(yīng)在UPS前安裝一級參數(shù)穩(wěn)壓器。禁止將不同安時數(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、關(guān)機(jī)順序進(jìn)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(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啟動后再逐一打開負(fù)載；關(guān)閉時順序則相反。
3.4定期維護(hù)
通常，每半年應(yīng)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(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UPS內(nèi)部的CPU對機(jī)器參數(shù)進(jìn)行編程控制；一臺UPS可以同時連接多臺電腦系統(tǒng)；可利用通訊接口與計算機(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、管理整個計算機(jī)及UPS系統(tǒng)。（2）高可靠性與安全性。具備自動偵測、自我保護(hù)、直流開機(jī)、高過載能力及雙機(jī)熱備份功能。
5結(jié)語
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)造一個放心的使用環(huán)境，并帶來良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。