一、UPS 的基本概念及功能
1.不间断供电系统又称不间断电源或不停电电源,英文缩写为 UPS(Uninteruptable Power System),是一种现代化电源设备，是铁路信号电源系统的重要组成部分。
2. UPS电源系统一般采用的是“双机热备”或“N+1”并联冗余供电系统，应主要具备以下功能。
2.1信号电源的无间断切换两路电源可通过 UPS 实现无间断切换。
2.2隔离干扰。在 UPS 中,交流输入电源经整流后由逆变器对负载供电,可将电网电压的瞬时间断、谐波、电压波动、频率波动、噪声等各种干扰与负载隔离,使电网的干扰不影响负载,而且负载也不干扰电网。
2.3电压、频率变换。通过 UPS,可将输入电源的电压/频率变换成所需要的电压/频率。
2.4后备UPS 中的蓄电池储存有一定能量,市电间断时蓄电池通过逆变器继续供电。
2.5锁相同步调节。为安全、可靠执行供电的切换,要求逆变输出频率及相位与旁路市电处于严格的锁定状态且对多台间的相位差进行微调,使相位差尽可能趋于零,从而实现冗余系统锁相同步的完善调节以防止并联系统出现环流。
2.6均流调节。均流调节应保证并机系统均衡承担总电流,因此 UPS 并机控制电路应对每台 UPS 的输出电压进行微调,以保持多台 UPS 电流输出的均衡度。
2.7选择性脱机跳闸功能。并机控制电路应正确判断出哪台 UPS 单机出现故障,并进行自动操作,向值机人员发出告警信号,以便及时检修。
2.8非冗余工作状况报警。若系统处于非冗余状况,并机控制电路应发出告警,提醒值机人员及时排除故障,恢复冗余供电状态,防止由于负载的变化切换到交流旁路供电系统。
2.9环流监控。环流的出现,将会导致 UPS 并机系统运行效率下降,加速单机老化,严重时造成向交流旁路系统切换或停止供电,因此必须对环流进行监控。
二、UPS 的工作原理
UPS 由整流滤波电路,逆变器,输出变压器及滤波器,静态开关、充电电路,蓄电池组及保护电路组成,如图所示。
UPS原理框图
空气断路器 Q1 控制主路交流电源输入，整流模块将交流电源变成直流电源，逆变模块进行 DC/AC 变换，将整流模块和蓄电池提供的直流电源变换成交流电源，经过隔离变压器输出。蓄电池组在交流停电时通过逆变向负载供电。输入电源也可以通过旁路静态开关从旁路回路向负载供电。另外，要求对负载供电不间断而对 UPS 内部进行维修时，可使用维修旁路开关 Q3BP。
输入电压经过整流滤波后向逆变供电，逆变输出经输出变压器和输出滤波电路将 SPWM 波变换为正弦波。同时,整流电压经充电器给蓄电池浮充电。此时,市电经整流滤波器,逆变器,静态开关给负载供电,并由逆变器稳压稳频。
在铁路信号UPS中,充电电路一般是独立工作的,即使不用逆变器,只要接通交流电源,充电电路就开始工作。充电初期采用恒流充电,当蓄电池端电压达到浮充电压后,立即转为恒压充电,直到蓄电池被充足电。因此充电电路有电流反馈和电压反馈两个反馈回路。UPS采用电流型 PMW 集成控制器控制由场效应管,电感,二极管和电容器组成的升压变换器,构成一个具有限流稳压功能的开关电源。只要正确设定额定电压,浮充电压,恒流充电电流,就能使蓄电池沿理想的充电曲线充电,从而延长蓄电池的寿命。
市电故障(断电,电压过高或过低)时，逆变器将蓄电池的直流电变换成交流电,并通过静态开关输出至负载。
市电正常而逆变器故障或输出过载时,静态开关切换至市电端,由市电直接给负载供电。
三、UPS 电源系统的维护方法
1.UPS 电源维护标准
(1)UPS电源和逆变器的交流输人和输出均应采用三相五线制或单相三线制供电。
(2)为提高系统供电的可靠性,在选择设备时,应选用在线式 UPS 电源和逆变器,并定具检查设备的自动旁路性能,保证其可靠有效。
(3)信号机械室(如计算机连锁、CTC、TDCS机柜等)的 UPS电源应冗余配置,根据系统重要程度,可采用 N+1供电方案。
(4)UPS 和逆变器电源应在其额定容量范围内使用,禁止超载运行。对于并联冗余 UPS及逆变器系统,应在并机均分负载的方式下运行。
(5)UPS 电源和逆变器应具有软启动功能,并可在无交流输人的情况下带负载启动。
(6)UPS 电源和逆变器应设有停电,缺相,输人、输出电压过高,过低,蓄电池电压低,旁路失效及输出熔丝熔断(断路器跳闸)声光报警装置,并保证有效。
(7)UPS电源应具有蓄电池过放电保护功能。当蓄电池组放电电压达到平均单只电压10.8 V(12 V/只)时,应自动停机并发出声光报警信号。
(8)UPS在蓄电池深度放电后,应以自动均衡充电方式在 6～10h 内将蓄电池恢复到浮充状态。
(9)UPS电源应具有宽输入电压适应范围。当输入电压在额定输入电压的±20%,输人频率在规定同步范围内时,不应转电池供电。
(10)UPS 电源应具有较宽的频率适应范围,并应根据当地电源频率的变化情况,选择适当的频率跟踪速率。对于电源频率变化过快的地区,宜采用内时钟同步。
2.UPS 电源维护方法
UPS 的正常运行受环境影响较大，UPS 内部的元器件冷却风扇在不停转动，来满足UPS 运行的环境要求。为了使机UPS保持最佳的性能并预防将小问题转变成大故障做好日常的维护就非常必要。
一“看”
(1)看控制面板。每日进行UPS运行情况及告警巡视检查，确认所有 LED 指示正常，液晶屏显示的所有参数正常，面板上无报警；
(2)看通风栅格无阻塞。每月对UPS外观进行清扫，如有阻塞用吸尘器吸去表面杂质，用低压空气吹去外部碎屑；
(3)看所有风机是否运行正常，确认有风从机内吹出。风扇在连续运转下的预期工作时间一般为 20000~40000 小时，在高温环境下使用风扇寿命会缩短。每季度对风扇及滤网清洁检查。
二“听”
听有UPS无异常噪声。
三“测”
(1)测试机柜内各风扇输出处无明显的高温，尽量保持环境温度在 20℃到 25℃之间；
(2)测量并记录 UPS 三相输出电压，测量电池电压、内阻，测量电池表面温度；
(3)测量并记录 UPS 输出各相电流，如果测量值与以前明显不同，记录下新增负载的大小、种类和位置，这有利于帮助分析是否会产生故障。
四、结束语
作为铁路信号电源系统中重要的供电环节，UPS电源系统运行的稳定与否，直接关系到后端负载能否稳定可靠运行。因此，要不断深入研究UPS电源的工作原理及运行特征，铁路信号相关从业人员从UPS主机、蓄电池等模块进行逐一分析，确定风险要因有针对性地采取维护措施，确保UPS电源系统的高质量运行。
