UPS工作原理及故障处理

王杉 韩强

（云南云天化股份有限公司动力车间，云南水富  657800）

摘  要：本文介绍UPS的基本类型、结构及工作原理，并重点讲述了UPS的维护，通过案例分析讲述我公司UPS维护工作应注意的几个事项。

关键词：UPS； 工作原理； 日常维护；分析

1  概况

我们知道以计算机和通信设备等为代表的非线性负载在运行过程中所产生的“谐波污染”是造成当今电网供电质量普遍恶化的主要原因。从大量的实践表明：电网电压和频率的急剧波动，供电的瞬时及电网上各种无法预料的干扰和高能浪涌，极有可能造成计算机的硬件损坏，并导致计算机的计算错误和数据丢失。这些电源问题会导致生产装置不可估量的损失，如公司各装置的DCS和PLC控制系统，程控电话系统、现场通讯扩音系统及电力数据网等；为满足这些设备对高可靠、高质量电源的需求，UPS正越来越广泛地被应用。UPS是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源，它能向用户提供高质量电源。不论市电供电正常与否，UPS能在毫无时间中断的条件下，向关键设备提供高质量的交流电源。

2  UPS基本类型、结构及工作原理

2.1 UPS类型

由于微处理器监控技术和先进的IGBT管驱动型脉宽调制技术等高新控制技术的引用，目前的UPS电源的可靠性已达到极高的水平。现在UPS生产厂家可以根据用户不同的配电系统提供多品种的UPS电源，包括：单相输入/单相输出方式，三相输入/单相输出方式及三相输入/三相输出方式。这几种供电方式我公司均在使用。

从主电路结构和不间断供电的运行机制来看，目前投用的UPS主要有：后备式UPS、在线互动式UPS、双逆变在线式UPS以及双逆变电压补偿在线式UPS。

2.2 UPS的主要组成部分

UPS主要由整流器、蓄电池、逆变器和静态旁路开关等几部分组成。其优点为：输出电源的稳压精度高（±0.5-±1%） ；工作频率稳定（±0.01-±0.1%）；电压失真度小的纯正弦波电源（电压畸变度小于1%， 标志着该电网不存在“谐波失真”问题）；输出波形上不存在任何干扰。

2.2.1 整流器

　　整流器是一个整流装置，即将交流转化为直流的装置。它有两个主要功能：第一，将交流电变成直流电，经滤波后供给负载，或者供给逆变器；第二，给蓄电池提供充电电压，起到充电器的作用。

2.2.2 逆变器

　　逆变器是一种将直流电转化为交流电的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。  

2.2.3 静态开关

静态开关是一种无触点开关，是用两个可控硅（SCR）反向并联组成的一种交流开关，其闭合和断开由逻辑控制器控制。分为转换型和并机型两种。转换型开关主要用于两路电源供电的系统，其作用是实现从一路到另一路的自动切换；并机型开关主要用于并联逆变器与市电或多台逆变器。

2.2.4 UPS蓄电池

　　蓄电池是UPS不间断电源用来作为储存电能的装置，它由若干个电池串联而成，其容量大小决定了其维持放电（供电）的时间。

2.3 UPS工作原理

    如图一所示，正常情况下，负荷由逆变器供电；在市电消失或超标的情况下，由电池组供电，在电池全部放电并自动关闭UPS前，若市电恢复正常，则可自动切换回市电对UPS供电。

图一  UPS运行方式

2.3.1 正常工作状态

如图二所示，两路市电均正常，电源1经整流器整流后，由逆变器将直流变换成交流电源输出给负载，整流器输出的直流电源对电池组保持浮充状态充电。

图二  正常工作状态

2.3.2 市电停电(超 限)

如图三所示，当市电（电源1）停电或超限，逆变器仍能用来自电池组提供的直流电源，为负载无间断的供电。市电在电池组完全放电前仍未恢复正常，UPS将关闭。

图三  市电停电(超 限)

2.3.3 市电恢复正常

如图四所示，市电中断期间，负载由电池组供给。一旦市电恢复正常，整流器将自动恢复工作，一边向逆变器供电，一边向电池组充电。

图四  市电恢复正常

2.3.4 UPS过载或故障

如图五所示，当出现UPS过载或出口短路、整流器过压等故障时，负载自动切换到静态旁路，由市电（电源2）供电，当逆变器恢复正常时，负载又会自动切换到逆变器供电。

图五  UPS过载或故障

2.3.5 维修状态（以季戊四醇工艺 UPS命令旁路为例）

使用PowerView显示屏上的命令进行命令旁路操作。使用该模式可以将UPS电子元件旁路，并直接给负载供电。按照下列步骤，使用命令旁路模式将UPS的输出电压直接连接到支路(市电)。

2.3.5.1  使用“ESC”来查看主菜单，然后选择“Control”(控制)。

>Control Logging

Status Display

Setup Diags

>UPS into Bypass

Do Self Test

Simulate Power 

Confirm:

UPS into Bypass

NO, ABORT

UPS IS BYPASSED

3.1 UPS维护工作的重要性

虽然在方案设计、采购选择以及安装维护上下了功夫，但还需要优质的维修服务才能保证UPS系统长期运行的可靠性，我们作为用户不仅关心UPS系统的可靠性，而且更关心UPS系统的可用性，即系统出现故障后以最快速度修复。因为正确的使用和维护UPS电源，能够使UPS电源发挥最大的效能，延长UPS电源的使用寿命。

3.2 UPS的日常维护

3.2.1 清洁和检查

UPS在正常使用情况下，主机得到维护工作很少，主要是防尘和定期除尘。在我公司现阶段因为向家坝电站的施工，空气中的灰尘较多，机柜内风机会将灰尘带入机内沉积，当遇空气潮湿时易引起主机控制紊乱，造成工作失常，并发生不准确报警，大量灰尘还会造成元器件散热不好。一般每季度应彻底清洁一次。在除尘时，检查各连接件和插件有误松动和接触不良的情况，检查散热风机运转情况及检查调节UPS的系统参数等。要经常用软的绵纸或绸布檫拭蓄电池，保持其表面清洁。

3.2.2补充和浮充 

经常性维护可延长UPS的使用寿命，对于长期处于只充电不放电状态的UPS（市电很稳定），UPS中的蓄电池就没有工作的机会，蓄电池就有可能因长时间浮充而损坏。为了补偿蓄电池能量和提高其寿命，应在一定时间内人为的中断市电一次，让蓄电池放电一段时间，用以激活蓄电池。同时UPS要进行及时的较长时间的连续充电，以免由于蓄电池衰竭而引起故障。

3.2.3 蓄电池失效原因分析

蓄电池是UPS设备的一个重要组成部分.市电掉电后电池逆变供电的时间是由蓄电池所储存的化学能所提供的，我公司现有UPS设备使用的蓄电池主要是阀控密封式铅酸蓄电池。UPS设备的故障中，与蓄电池有关的原因占50%以上，在这些故障中，有一部分是蓄电池本身的质量问题，但是更多的是使用和维护不当造成的。大修中发现的主要现象就是UPS后备蓄电池组失效，严重影响了UPS停电后供电功能的发挥。 

3.2.3.1蓄电池本身的质量问题导致蓄电池组性能下降。

从外观上看，主要的缺陷表现为：（1）电池槽变形，一但电池外壳变形，就会使极板靠得不紧，电解液也就不能充分发挥作用，使电池内阻增大，放电容量减小甚至电池失效。（2）电池漏液，电池极柱旁出现爬酸现象将会使连接线受到腐蚀，或增加极柱与连接线的接触电阻。以上两种情况都有可能导致整个UPS蓄电池组的整体失效 。

3.2.3.2 蓄电池组的维护和使用不当引起蓄电池组出现系统性能下降。

放电深度对于蓄电池实际可供容量产生影响，电池被“深度放电”是造成电池使用寿命被缩短的一个重要的原因。这种情况极易发生在电池的自动关机保护电路，它是采用具有固定的“电池电压过低自动关机”阀值设计方案的UPS中和大功率UPS而带小功率负载的使用环境中。当这种UPS被配置成长延时UPS供电系统，而且它的实际负载量较小时，UPS每一次放电过程，电池均被“深度放电”，这必然会造成电池的过早失效报废。

环境温度同时也是影响蓄电池组正常运行的一个重要因数。经验数据表明，当环境温度超过25℃，温升每增加10℃，就会导致电池的实际寿命缩短一半，因为随着环境温度的升高，电池所允许的浮充电压的值将逐渐下降。此时，如果浮充电压值为固定设计值的话，势必会将电池组置于“过压充电”状态，这必然会导致电池加速老化。 

    放电率对电池的实际可输出容量的影响，市电掉电后，要求电池逆变承担全部的负载功率。放电率视后备时间的不同而有很大的差别，后备时间越短，电池的放电率很大；长延时机可达4～8小时，放电率很小。为了能最大限度地获得最长的“安全放电时间”又不会造成电池被“深度放电”，关键是要满足30%-70%的负载量或者是让“电池电压过低自动关机电压”的阀值进行适当的提高，并使它始终高于该放电率下所允许的临界放电电压值。这样有利于对蓄电池组的保护，同时将要牺牲部分后备时间，有利于蓄电池组进行多次正常的循环放电。

3.2.3.3 蓄电池检查

（1)巡检观察，观察内容有：

电池表面有无电解液流出的痕迹；电池极柱有无严重的爬酸情况；接线螺丝有无严重锈蚀 ；  接线端有无明显松动；电池连线有无磨损、有无与机架短路的可能；有无金属异物掉到电池组内；电池开关有无跳开；电池表面有无严重膨胀。

（2）运行中测量各电池电压

目的是发现电池组中是否存在充电分压不均的问题，以确定有无故障电池。

（3） 断开电池与UPS间的开关检测各电池电压

检查目的是发现电池组中有无电压过低的电池，对我公司12V电池电压正常值应为13V左右。电压低于12V应视为故障电池并做标记：低于12.5V应给予关注。

（4）电池放电时检查各电池电压

 检查目的是发现有无容量异常偏低，内阻偏大的电池。故障电池的特征：电池内阻偏大，容量降低都会反映在端电压上，因此放电过程中其端电压低于其它正常电池2V的应视为有问题电池。低于正常电池1V的应给予关注。当测量到某块电池在放电时，它的电压极性与其它电池相反，说明它已经坏了。

（5）电池的温度检查：

 了解电池是否有异常发热的情况，从而进一步确定发热原因。

3.2.4 模块检查

对模块化的UPS（我公司使用的APC品牌的UPS）进行模块检查，包括功率模块、电池模块以及智能模块的检查；及时发现问题及时处理。

4  案例分析　

4.1案例1：二聚工艺UPS维护时无法正常开机

2009年有机装置年度大修时，对二聚UPS进行维护时UPS无法正常开机，经过检查发现蓄电池组失效，导致UPS无法正常开机；蓄电池组整体更换后，开机正常。

4.2案例2：季戊四醇事故照明UPS维护时无法正常开机

2009年有机装置年度大修时，对季戊四醇UPS进行维护时UPS无法正常开机，经过检查发现蓄电池组失效，导致UPS无法正常开机；蓄电池组整体更换后，开机正常。

4.3案例3：季戊四醇工艺UPS功率模块故障报警

2009年8月，季戊四醇工艺UPS功率模块L2故障报警，联系厂商维护工程师在硝铵事故照明UPS上做好功率模块的热插拔试验后更换备件，运行正常。

4.4案例4：制水工艺UPS电池模块故障报警

2010年5月大修期间制水工艺UPS电池模块故障报警，检查发现从上到下第一块电池模块发热严重，内部蓄电池失效，更换备件后运行正常。

4.5案例5：季戊四醇工艺UPS智能模块故障报警

2010年10-11月季戊四醇UPS主、附智能模块先后故障报警，在硝铵事故照明UPS上做好智能模块的热插拔试验后，将UPS置于旁路运行后更换备件，再切换至正常运行模式。

5  结束语

UPS的维护与故障处理是一项重要的工作，我们在实际维护中对蓄电池的维护检查还重视不够，存在仅在一年一度大检修时，在进行UPS小修维护对蓄电池组放电时才发现蓄电池已经失效的情况。根据公司近几年年度大修对UPS维护发现的问题。本人建议做好以下几方面的工作:

　　(1) 蓄电池组避免深度放电（即UPS系统严禁小负载放电）。

　　(2) UPS工作的环境温度应控制在25℃以下。

　  (3) 选择 UPS时尽量满足30%-70%的负载量。

(4) 在3-6个月时间内做好相关工作后人为断市电让蓄电池放电一段时间，用以激活蓄电池。

　 （5）购买SMITB915型UPS蓄电池测试仪，对UPS蓄电池进行在线测试，提前发现问题电池。

（6）蓄电池组的开关采用直流空气开关。

（7）UPS维护时模拟市电中断切换试验，发现问题及时处理，保证事故状态时UPS能自动切换。

这几条措施，能更加有力地保证UPS供电的可靠性。

参考文献： 

[1]周志敏 ,周纪海.UPS应用与故障诊断[M].北京:中国电力出版社,2008 

[2] Symmetra LX 操作指南,2005

[3] 爱克赛UPS维护指南,2006