摘要：本文介绍有线电视前端机房UPS电源系统工作原理，设计UPS电源功率、蓄电池总容量以及日常维护。

　　一、概述
　　
　　我台前端机房的供电是和广电大楼共用一条输电线路，各种设备的运转以及和办公用电高峰重合时，经常发生大幅度的电压波动和严重杂波干扰，常烧断保险造成断电。另外，供电部门的停电维修经常安排在双休日期间进行，而此时用户收视率较高，每当前端停电，用户的投诉电话便接踵而来，意见纷纷，影响了广大用户双休日看电视的好心情，更影响了收视维护费的收取。因此，要确保有线电视网的安全运营和优质播出是至关重要的。有线电视前端是该系统的心脏，为了保证系统心脏工作稳定，前端必需使用UPS不间断电源。UPS电源可以解决电源断电、电压下陷、电源浪涌、减幅振荡、电源干扰、电源突波、电源波动、交换瞬变及谐波失真等由市电电源质量差对前端设备造成的危害。本文就如何设计和应用UPS电源谈一下自己的经验与体会。
　　
　　二、UPS电源系统的设计
　　
　　1．UPS电源的分类
　　
　　UPS电源主要由整流器、逆变器和蓄电池等组成，按其工作方式一般可分为三类：后备式、在线式和在线互动式。UPS电源具有良好的稳压功能。当市电电网瞬间断电或停电时，UPS电源能自动将蓄电池储存的直流电逆变为交流电继续向负载供电。
　　
　　后备式UPS电源（如图1）在市电正常供电时，市电通过交流旁路通道直接向负载供电，此时主机上的逆变器不工作，只是在市电停电时，才由蓄电池供电，经逆变器驱动负载。这种UPS供给的电源，没有抑制和隔离电网中的各种噪声和干扰，输出电压不是稳压稳频的，因而不宜用在精密负载及电网较差的地区，但在电网质量较高的地区还是可以用为种UPS，它的特点为结构简单，成本较低，转换时间较长。
　　

图1后备式UPS电源工作原理

　　在线式UPS电源（如图2），在市电正常时，它首先将交流变成直流电，然后进行脉宽调制、滤波，再将直流电重新变成交流电源向负载供电，并同时给蓄电池充电；一旦市电中断，立即改为蓄电池逆变器对负载供电，保证负载连续不断地稳定工作，其切换时间为零秒；因此,在线式UPS电源输出的是与市电网完全隔离的纯净的正弦波电源，大大改善了供电的质量，保护了负载安全、有效的工作。
　　

图2在线式UPS电源工作原理

　　在线互动式UPS电源（如图3）是一种界于后备式和在线式之间工作方式的UPS电源。当市电在规定电压范围内时，不作调节直接输出至用电设备，如同一台后备式UPS；当市电高于或低于正常范围时，启动升压或降压功能，并且不使用蓄电池供电，直到市电过低、过高而不可调或市电停电时，才使用蓄电池供电。这种UPS转换时间非常短，交流输出电压稳定性好，但稳频特性不理想，也被视为后备式UPS的一种变形产品。
　　

图3在线互动式UPS电源工作原理

　　2．UPS电源容量（功率）的选择
　　
　　各种品牌的UPS电源一般都是以视在功率为其额定容量，单位是VA（伏安）。而有线电视机房设备的总功率一般是以有功功率标注，其单位是W（瓦）。因此，在计算时要把UPS电源标注容量换成有功功率：有功功率＝视在功率×功率因数。UPS电源输出功率因数一般为0.8。
　　
　　UPS电源容量要根据设备负载情况确定，合理的UPS电源负载应当是其额定功率的25﹪～80﹪。有时，为给将来扩容留有余地，选用容量大一点的UPS电源，但当前负载是不应小于额定有功功率的25﹪，如果负载太小，电池不能充分放电，对电池的维护不利。因此，选用UPS电源的容量应该在现有负载的1倍左右，这样UPS电源还有一定的余量，运行也比较安全可靠，不会浪费资金。如果将来需要大规模增加负载，可以选用并机UPS电源。
　　
　　3．UPS电源蓄电池容量的配置
　　
　　蓄电池容量选择要根据蓄电池实际放电电流和所要求的备用时间来决定。选择蓄电池的容量，先计算出要求放电电流的电流值，然后根据蓄电池生产厂家提供的放电特性曲线和用户要求的备用时间进行选择。
　　
　　蓄电池最大放电电流值按下式计算：I_最大＝P×cosα/（η×N×E）。
　　
　　式中，I最大——蓄电池最大放电电流值；
　　
　　P——UPS额定输出功率；
　　cosα——UPS负载功率因数；
　　η——UPS逆变器效率；
　　N——蓄电池组的12V单体蓄电池个数；
　　E——放电时单体蓄电池的临界放电电压（12V蓄电池的临界放电电压取10V）。
　　
　　放电电流计算。由于在放电过程中，蓄电池的放电电流是变化的，蓄电池刚放电时的电流值明显小于I_最大，根据蓄电池的放电状态，一般取0.75作为校正因数。蓄电池实际所需的放电电流I＝0.75I最大。
　　
　　蓄电池容量计算。计算出蓄电池实际所需的放电电流值后，再根据所要求的备用时间按照蓄电池生产厂家所提供的蓄电池放电特性曲线找出要求蓄电池提供放电速率，按下式计算出要求配置的蓄电池容量：C（AH）＝蓄电池实际所需放电电流（A）/蓄电池放电速率（I/H）。计算出蓄电池的容量后，再根据电源的直流电压确定蓄电池的型号和连接方式，最后确定电池的个数和电池柜的尺寸及数量。
　　
　　例如，我台前端机房一台金武士10KVAUPS，其负载功率因数为0.8，逆变器效率为85﹪，蓄电池组由16节12V蓄电池组成，要求备用时间为2小时，蓄电池选用免维护密封铅酸蓄电池。
　　
　　计算蓄电池的最大放电电流值
　　
　　I最大＝P×cosα/（η×N×E）＝10000×0.8/（0.85×16×10）＝59（A）
　　
　　计算蓄电池的实际放电电流值
　　
　　I＝0.75I_最大＝0.75×59＝44（A）
　　
　　根据备用时间为2小时，在蓄电池放电曲线中查出，蓄电池的放电速度为0.28，则蓄电池的容量为：
　　
　　C＝44/0.28＝157（AH）
　　
　　要配置的蓄电池的规格为：采用3组蓄电池并联，每组由16节12V/60A蓄电池串联。
　　
　　4．配线选择
　　
　　合理选择配线是很重要的，线径太细，电流太大，容易发热而引起火灾；线径太粗，则造成浪费。根据金属导线的电气特性，一般多股铜芯线容量为6A/mm,铝线容量为4A/mm，确定主机功率后，可以参考下表选择配线和空气开关。
　　
　　表1配线选择

　　表2空气开关选择

　　　　
　　5．选择品牌
　　
　　在购买UPS电源时，应主要考虑下列因素：输入电压范围、输出电压范围、输出频率范围、旁路逆变零切换以及抗突波、干扰、谐波失真的能力，另外，售后服务也很重要。大量实践证明，如果UPS输出端的零线对地线的"干扰"电位过高，会导致计算网络的数据通讯的误码率增高，如果使用高频机型，由于高频辐射，它会对计算机网络造成影响，因此选型时应考虑这些问题。
　　
　　三、UPS电源的使用及维护
　　
　　1．UPS电源应可能安装在清洁、阴凉、通风、干燥的地方，最好环境温度保持在20℃～25℃之间。温度过低，蓄电池实际可释放的容量将大大减少；温度过高，蓄电池的使用寿命将大大缩短。对密封式免维护电池来说，当环境温度超过25℃时，温度每升高10℃，使用寿命会缩短一半。
　　
　　2．初次使用前，应先不接负载，让UPS对蓄电池充电12小时以上，让各电池电压均衡后再入使用。
　　
　　3．UPS的输出功率一般不超过标称功率的80﹪。负载过小，对UPS本身及蓄电池的充放电性能都会造成一定的影响；负载过大；容易造成UPS过载，容易产生故障，烧坏逆变器。UPS一般选额定功率的50﹪～80﹪的负载量，并应留有一定的余量。
　　
　　4．不宜带感情负载，因为在感情负载条件下，UPS的输出功率会大大下降，最多只能达到标称功率的50﹪。
　　
　　5．不宜带载开、关机，以防启动瞬间烧坏逆变器等元件。
　　
　　6．严格按顺序开、关机，以减小冲击电流带来的损害。
　　
　　7.要防止电池短路或深度放电，深度放电会造成电池内阻增大或充电电压过低从而导致降低甚至失去充电能力，放电程度越深，循环寿命越短；
　　
　　8.要避免大电流充放电，否则会造成电池极板膨胀变形，使得极板活性物质脱落，内阻增大，容量下降，寿命缩短；
　　
　　9.不经常停电时，建议每隔一个月对UPS进行一次人为的断电，让UPS电源在逆变状态下工作一段时间，防止电解液沉淀，以便让蓄电池维持良好的充放电特性，延长使用寿命；
　　
　　10.要定期对电池进行检查、测量，并做好记录。检查项目包括：整组电池的浮充电压，单体电池浮充电压，检查电池是否损坏，壳、盖间有无泄漏，表面是否有灰尘等杂物，电池架、连接线、端子是否有松动或锈蚀等。单体电池电压不能低于标称值的70%。一旦发现电池电压异常、物理损伤、电解液泄漏、温度异常等现象，应找出原因并及时更换有故障的蓄电池。
　　
　　11．每年入夏之后，随着气温的不断升高，雷雨也如期而至，雷击闪电和市电电网上的浪涌会严重威胁到UPS的供电安全，为防雷击，在输入配电柜内加装避雷器，在UPS之前安装谐波滤波器；而UPS的输出配电柜内部统一接地，以此来有效地防雷击。
　　
　　四、结束语
　　
　　我台有线电视机房使用UPS电源后，电源的可靠性大大提高，有线电视系统前端机房再也没有因为电源电压低和电网倒电等供电问题影响正常收看，为我台安全优质播出提供了有力保障。
　　
　　责任编辑:Randy