UPS系统原理及其在西安地铁的应用

摘 要：UPS不间断电源作为一种电源保护设备，主要由逆变器构成，具有储能作用，输出有稳压恒频特性。该设备常被用来解决电力的断电、低电压、高电压、突波等问题。UPS电源系统相关技术正不断完善，其良好的发展也给迅速发展的信息工业带来了更加可靠的技术保障与更好的支持。

关键词：UPS；逆变器；整流器；充电模块；静态旁路；维修旁路

中图分类号：TN86 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）26-0165-02

Abstract： UPS as a kind of power supply protection equipment， is mainly composed of inverters， and plays a role in energy storage， with constant frequency characteristics in its outputting voltage. The equipment is often used to solve the power outage， low voltage， high voltage， surge and other problems. The related technology of UPS power supply system is being improved constantly， and its good development also brings more reliable technical support and better support to the rapidly developing information industry.

Keywords： UPS； inverter； rectifier； charging module； static bypass； maintenance bypass

UPS（Uninterruptible Power Supply/Uninterruptible Pow

er Supply），也就是不间断块电源，作为一种可把直流电变为市电的系统设备，主要通过连接蓄电池（多为铅酸免维护蓄电池）和主机，并选取主机逆变器及其他模电路进行转换。UPS设备不仅可以保护电压过高现象，而且也可以对过低电压进行保护，信息应用的不断发展该设备的重要意义也不断提高。

1 UPS的分类

（1）后备式UPS。大多数基本类型的备份电源采用离线式或后备式技术，如1图表示。如果市电供给交流电源，它直接通过UPS传输到所连接的负载。电池充电器把输入的交流电转换成直流电，维持电池充电。如果市电故障，逆变器将电池的直流电转换成交流电供给负载。逆变器在大多数时间里运行在后备方式，充电器仅保持电池充电状态的功率。一旦市电出现超出规定范围的变化，逆变器从空载到100%负载供电，时间在几毫秒之内，逆变器从电池获得电能，直到电池耗尽。这种技术通常称为“单重转换”，因为在任何的给出点，电源仅转换一次。

（2）在线式UPS。在线互动式UPS技术提供相近水平的保护。同离线式技術有点相似，在线互动式产品采用变压器或电感器串联在市电电源和负载之间，如图2所示。这种串联式电感器提供一定程度的电压调节，使UPS逆变器能够同输入电源“相互作用”（互动式名称的由来）。在多数情况下，这种“双向的”转换器是恒定的电压装置，它用改变输出相位角去调节负载的变化，由于相位角不能够快速变化，需要电池提供功率差，这会导致电池寿命的减少。在线互动式产品的另一个限制是如果不由电池供电运行，它不能完全地使输入电源隔离负载。公用电源的干扰、频率上的干扰和其它电源的异常情况可能直接传送到关键负载上，因为它不是完全的电气隔离。

2 UPS的组成

UPS由整流模块，逆变器、蓄电池、静态开关等部件组成。

作为整流器而言，它的主要作用有两个：第一个是把交流电转换为直流电，通过滤波处理后获取的稳定直流电，并将该直流电提供给负载，具体应用比如：把充电电压给蓄电池，把充电电压提供给逆变器等；第二个作用是进行检波。由以上可知，整流的目的不止转换为直流，还有其他目的。

逆变器作为一种电子设备，主要作用是把低压直流电转换成交流电。

电子式静态转换开关和双向晶闸管的组合器件，通过它的作用连接一对反向并联的快速晶闸管，其主要作用是UPS进行市电旁路供电到逆变器供电的切换，或者反方向切换。因为接通快速晶闸管所需时间是微秒级的，所以，当采用该技术的时候，就可以在零转换时间内进行负载的持续供电作用。静态开关构成包括电子控制切换电路，该电路是用于把负载与逆变器输出相连或者是经静态旁路与旁路电源相连。

3 UPS工作原理

交流市电电源可以把输入有整流器变成直流电源。逆变器的作用是把直流电源以及源于电池的直流电源变成交流电，并将它供给负载。如果市电发生中断，那么电池会经过逆变器作用为负载进行供电。除此以外，市电电源也可经静态旁路供电给负载。如果要保养维护UPS，那么需要把负载状态转换为维修旁路供电，此时负载电源持续供应，具体如图3所示。

4 UPS的基本操作和基本维护

4.1 UPS开关机步骤及注意事项

（1）正常模式开机步骤（适用UPS处于完全断电）。通过闭合输入开关为UPS提供市电，将电池开关闭合，然后整流器开始工作，其指示灯显示绿色，并且呈现闪烁状态，正常工作大概30S以后，指示灯绿色不再闪烁，呈现稳态常亮状态（整流器、旁路、输出指示灯为绿色；电池、逆变指示灯不亮；状态指示灯为黄色），持续按INVERTER ON键约2S。逆变器开始工作，逆变器指示灯显示绿色，并且呈现闪烁状态。当逆变器开始正常工作以后，UPS的状态由旁路供电状态转换为逆变器供电状态，此时旁路指示灯不亮，逆变器以及输出指示灯是亮的状态。（2）正常模式到到电池模式的切换。关闭外部电源，将市电断开，此时的UPS工作在电池模式。如果想把UPS转换到正常模式，那么要等几秒，然后把外部电源关闭。再一次进行市电供电。经过10S以后，整流器开始自动工作，逆变器重新恢复供电。（3）正常模式与旁路模式之间的切换。当UPS工作于正常模式的时候，如果将INVERTER OFF键按下，那么可以进入旁路模式。相反的，如果按下的是INVERTER ON键，那么就会使逆变器到进入正常模式。（4）正常模式到维修旁路模式的切换。以下几个问题需要注意：a.如果主机工作于逆变器供电模式，那么千万不能手动转换到维修旁路模式！b.在进行旁路的手动操作转换前，一定要对逆变器状态进行确定；每一步都要按规定逐步进行，不能太着急，每一步完成以后的5-10秒钟一定要观察一下机器的状态，只有状态稳定后才能进一步操作！第一个需要进行检查的是旁路，保证它的正常状态，持续按INVERTER OFF键2S以上。然后，把逆变器关闭，将UPS变成静态旁路的供电模式。这个时候，逆变器指示灯为熄灭状态，颜色呈现黄色，蜂鸣器发生告警，负载转换成静态旁路模式（将SILENCEON/OFF按下⑤开关实现告警消音）维修开关状态由OFF切换到ON。将市电输入、电池开关以及UPS输出都关闭，然后把UPS转换到维修旁路模式。（5）紧急停机步骤。如果发生紧急状况，可以通过对EPO开关进行操作，把UPS关闭。经系统操作，把整流器、逆变器关闭，然后第一时间终止负载的供电，同时，停止电池的充电或放电。（6）UPS复位步骤。如果EPO或者逆变器的温度比较高，或者因为电池过压、过多的切换次数以及其他原因使UPS关机，可以依据显示屏有的提示信息，选取相关的措施弄清故障，然后按下FAULT CLEAR键，将系统的状态转换出紧急关机状态。等到整流器完成启动以后，持续按INVERTER ON键2S以上。

4.2 UPS现场安全操作注意事项

（1）进行操作前，首先应获取设备管理人员的同意，并进行配合。（2）相关UPS执行操作人员，需要经过一定的UPS知识培训。（3）必须对操作提供安全工具，包括护目镜，绝缘手套，绝缘工具等。（4）无论执行的是什么操作，都一定要保证有关部件不带电。

5 UPS的基本常见故障的分析和处理

（1）UPS整流器故障。原因：因为电压稳定性不好，使UPS整流器因为异常导致退出，UPS自行转换到静态旁路模式。依照故障表现，使维修旁路开始工作，然后将UPS市电输入、输出关机关闭，重新启动UPS，就可以解决故障。（2）综合监控的UPS报警，查看屏幕显示电池未接入，无电池资料。依照故障呈现状态，可能因为某节电池发生损坏，或者接线存在问题，检查电池的表面有没有发生破裂，极柱处是否存在异物。为了解决故障，第一步是使用万用表对市电输入以及输出进行测量，数据正常，对电池的总电压进行测量，无数值显示，可以看到电池输入没有问题，但是输出不存在，因此可以确定问题出现在电池间接线，所以将电池空开，并用万用表进行分段测量，前16块电池一测后16块一测一步步减小范围查出故障点，最终恢复设备状态。

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