许 伟纪宏利

1.2.十堰市四方山广播电视发射台 湖北省 十堰市442000

引 言

在线式UPS在发射台中不仅可以为发射控制设备和信号源设备等前端设备提供高质量的不间断电源，随着技术的发展，大功率在线式UPS还可以在市电停电时，为广播电视发射机提供不间断电源，这为发射台站在市电停电时进行外电倒换或启动自备电源赢得时间，避免了由于市电断电而造成的节目停播，减少停播率。进一步保障了广播电视节目的安全优质和不间断播出。

1 在线式UPS的工作原理

UPS（Uninterrupted Power Supply）又称不间断电源，它通常被置于市电电网和用电负载之间，其目的是改善对负载的供电质量，并在市电故障时，保证负载设备的正常运行。

UPS按其结构和运行原理可分为三类：在线式UPS、在线互动式UPS和被动后背式UPS，其中在线式UPS是UPS电源的主流产品。

在线式UPS的工作原理如图1所示，逆变器串联连接在交流输入与负载之间。市电正常时，市电经过滤波整流之后，一路经充电器向电池充电，另一路通过逆变器向负载正常供电；当市电停电时，由电池经逆变器向负载供电，无转换时间。

当逆变器发生异常时，UPS自动切换到静态旁路，反应快速的静态开关可以实现供电不中断。在UPS设备出现故障，需要维修时，使用其维修旁路，维修旁路需按照一定的操作流程开启，不可随便开启。

2 设计在线式UPS注意事项和方法

在设计UPS时，需要考虑两个问题，一是要从负载的大小及特性考虑，设计UPS的额定输出功率，二是要考虑在断电时UPS可以工作的时长。

我们知道由电源供给负载的电功率有两种：一种是有功功率，另一种是无功功率。UPS所提供的有功功率和无功功率的关系可以用输出功率因数来表示。UPS的输出功率因数一般为0.8。而每个负载的功率因数是不同的，只有当多个负载的总功率因数和UPS的功率因数匹配时，UPS的输出功率才能达到100%，如果负载的实际功率因数大于UPS设定的功率因数时，实际带载能力由它最大的用功功率输出能力确定。由于感性负载在启动时，启动电流是正常工作时的3～5倍，所以对于绝大多数UPS电源而言，一般将其负载控制在30～70%额定输出功率范围内。

图1 UPS电源工作原理图

断电时UPS能够提供多长时间的工作时长，首先要计算它的理论值，理论上，UPS的工作时长=蓄电池组容量×输出电压/实际负载功率。由于电池在实际工作中放电时间与放电电流、环境温度、负载类型、放电速率、电池容量、电池使用年限等多因素相关。所以实际UPS工作时长与理论时长有所不同，需综合考虑各方面因数。

由于当电池放电至某个电压值后，产生的电压急剧下降，如果继续放电，对电池的损害相当大，而且此时实际所获得的能量也非常小，所以必须设定放电终止电压。电池的实际容量还和放电速率，温度等有关。放电电流越大，计算出电池的容量就越小。温度过高或过低，都会影响电池容量，且电池容量随着使用年限的增加而减小。

在实际应用中，已知负载大小时，可以利用电池特性曲线来估算放电时间，从而估算出UPS的工作时长。

1.先通过公式估算出UPS系统蓄电池平均放电电流：蓄电池平均放电电流≈负载功率P/（NE×η）（N为电池个数）（公式一），其中蓄电池组平均放电电压E可取蓄电池组标称电压与放电终止电压的中间值。η为UPS逆变器效率。

2.通过电池平均放电电流，再算出放电速率，放电速率=放电电流÷蓄电池标称容量（公式二），通过查阅电池在特定温度下（一般工作在25℃）放电特性曲线图表，如图2所示，即可估算出相应的放电时间。

3.如果考虑在不同地区不同温度的放电时间，在算出放电速率的前提下，利用电池放电容量与环境温度的关系曲线图，如图3所示，估计出在不同温度下电池容量百分比，再利用公式：蓄电池放电时间=蓄电池放电容量/蓄电池平均放电电流（公式三），计算蓄电池放电时间。

4.如果考虑电池使用年限，一般根据电池保养情况，电池容量随使用年限会有10%～20%的减少（三年内），年限越久，电池容量减少越大，这个要根据实际情况考虑。

当电池柜使用多块蓄电池组时，需要考虑蓄电池组的串并联关系。例如，两块相同规格的电池组串联，输出电压增加一倍，电池容量不变。两块相同规格的电池组并联，输出电压不变，电池容量增加一倍。电池两种形式连接所容纳的功是一样多的，W（功）=P（功率）×T（时间）=U（电压）×I（电流）×T（时间）

3 我发射台UPS的设计和选型

图2某品牌电池放电特性曲线

图3某品牌电池放电容量与环境的关系曲线

本台在用的重点设备主要为三台数字电视发射机、三台调频广播、信号源设备、控制设备、监控通信设备等，供电总负载约23KW，考虑到后续可能增加部分负载，我们选定UPS功率为60KVA，输出功率因数0.8，则输出额定功率=60×0.8=48KW，负载百分比=23KW÷48KW≈50%。符合理论要求。

根据我台实际情况，考虑蓄电池后备时间至少需满足1小时以 上，我 们 选 用2组384V、100AH蓄电池串联。其中每组蓄电池由32块单体电压为12V的蓄电池串联组成，所以每组电池的输出电压为±384V。

十堰地区冬季最低温度一般是-5℃，使用上述的估算法，可以估算在蓄电池工作三年后，极端工作温度-5℃时的放电时间。单块电池的标称电压12V，设定终止电压为10.8V，使用电池三年后，电池容量为总容量的80%，逆变器工作效率η为0.95，负载为23KW，则对于串联电池组，由公式一，可以计算放电电流I=23KW/{［（12+10.8）/2］×2×32×0.95}=33.18A，由公式二，可以计算放电速率=33.18/100=0.33C，参考图三，-5℃电池容量百分比约等于50%，则电池 容 量=100×80%×50%=40AH，由公式三可知，蓄电池放电时间=40/33.18=1.20H。满足我们持续工作1小时的最低要求。

在实际使用上，我台选定使用的某品牌UPS如图4所示，总共由3个机柜组成，分别是交流电源机柜，模块化不间断电源机柜和电池柜。

交流电源柜主要由输入配电和输出配电两部分组成，输出配电可根据用户需求定制，我们根据实际需要，总共分出12路输出，其中6路为380V交流输出，6路220V交流输出。

模块化不间断电源机柜，主要是包括系统配电、防雷器、静态开关、系统监控器和功率模块。

其中功率模块是在线式UPS的核心，它完成整流和逆变的过程，我台的60KAV的UPS，共分为3个功率模块，每个输出功率为20KVA，并联工作，在负载不大的情况下，即使有一个模块损坏，整机也能正常工作。

电池柜由2组蓄电池组串联组成。每组蓄电池由32块单体电压为12V的电池串联组成，蓄电池的容量为100AH。电池的充电模式为系统自动控制电池均充、浮充。

4 在线式UPS在发射台站中的应用

如图5所示，我台接有2路外电和1路柴油机发电机作为自备电源。但2路外电无高压自动倒换装置。在一路外电断电时，需通过2路外电的手动倒换高低压来恢复供电。而当2路外电均断电时，则需要启动柴油发电机来供电。这两种情况下手动恢复供电均需要一定操作时间，大约10～30分钟。因此每一次停电都会造成一次台外停播事故，更不要说保重要时段、重要节目的安全播出。

图4 UPS机柜组成示意图

在我台UPS电源的应用中，配电柜引出一路电源接入UPS输入端，我台重点设备如信号源、控制监控设备和发射机，都与UPS的输出相连，在市电断电时，由在线式UPS给重点设备供电，至少可以保证重点设备连续工作1小时，填补了停电时手动倒换电的时间空挡，完全可以做到在UPS供电和外电倒换、自备电启动三者之间时间无缝连接，切实保证不因电源停电问题造成广播电视节目播出中断。

实际上，在广电发射台，部分台站可能存在没有两路外电，只有如柴油发电机自备电源；或者是有两路外电，但没有做到双回路供电；再或是有两路外电，但没有外电高压自动倒换、低压自动倒换设备等多种情况。在线式大功率UPS在市电断电时给设备提供必要的供电时间，能够保证工作人员有时间进行相关电源的倒换操作。

图5我发射台供配电系统

5 UPS的维护和保养

UPS电源的使用环境为清洁、干燥，温度不能太高，在20℃～25℃为宜，做好UPS的接地保护，定期查看设备运行状态，并要及时清除机器中的灰尘。重点是做好对电池的维护，对长期无停电的UPS，应当每隔3～6个月人为断电一次，让UPS电源的蓄电池放电一段时间，维持电池良好的充放电特性。尤其在断开市电的放电状态下，要注意电池组和单块电池的电压测量。

结束语

对于广电发射台，一般都建在城市海拔高地，自然灾害时有发生，外电停电或不可避免，为了应对突发状况，在供配电系统中接入大功率在线式UPS，既可以不间断为重要设备供电，还可以避免市电电源的电源浪涌、电源干扰及谐波失真等问题对设备造成的危害。当然，在线式UPS主要是为外电源或自备电源的倒换提供操作时间，一般不需要UPS蓄电池过长时间供电。我台使用大功率在线式UPS的近三年来，有效减少了台外停播率，设备工作稳定，收到良好效果。