电脑电源工作原理 常见故障维修经验总结 (4)
任务4 了解UPS电源结构及原理
不间断电源UPS能够在市电断电后实现不间断地向计算机供电，因为断电后计算机靠储存在滤波电容中的能量来维持电流，一般仅能持续半个周期(10ms)左右。UPS能够在10ms之内将蓄电池内的直流电能转变为交流电能重新向计算机供电，这样就实现了对计算机不间断供电，可避免存储器中的数据丢失。
一、UPS的基本结构与原理
图12-6为UPS电源系统的基本结构框图。它是由一套交流+直流充电+交直流逆变装置构成。UPS中的蓄电池在市电正常供电时处于充电状态。一旦市电中断，蓄电池立即将储存的直流电输出给逆变器逆变成交流电供给计算机设备，保持对计算机设备供电的连续性。一般情况下，中小功率后备式UPS靠蓄电池维持供电的时间在10～30min左右。
1．交流滤波调压回路
交流滤波回路主要是对输入的交流电进行滤波净化，去掉电网中的干扰成分。并在一定范围内进行调压。
2．整流充电回路
整流充电回路是将交流整流成直流，经充电电路给蓄电池充电，并向内部提供所需的直流电。
3．蓄电池组电路
在中小型UPS中广泛应用的是M型密封电池，这是一种密封免维护电池。一般每节电池的额定电压可为2V、4V、6V或12V，它们经串并联组成电池组在UPS中使用。
蓄电池的规格容量用安时(Ah)表示，如12V，6Ah／20hR。它表明该电池的输出电压为12V，其标称容量为6Ah。这一指标是指把该电池以20h速率的条件下进行放电（放电电流为6/20=0.3A），一直放电到电池输出的终了电压为10.5V时，所测量到的总安培小时数。
蓄电池是UPS的重要组成部分，蓄电池性能和质量的好坏直接影响到UPS电源整机的质量，它的成本占整机成本的1／3以上。
4．脉宽调制型(PWM)逆变器及控制电路
在UPS中普遍地采用脉冲宽度调制技术(PWM)来实现直流转变成交流，实现直流转变成交流的电路称为逆变器。逆变器及其控制电路是UPS的核心电路。
对于后备式UPS来说，当市电电压低于170V时，此时其内部的交流稳压电路无法维持正常的220V输出，逆变器启动工作，将蓄电池中储存的直流电转变成交流电。输出波形一般为方波，也有一些UPS输出波形为正弦波。而当市电回升到180V以上时，逆变器停止工作，回到市电供电状态(稳压输出为220V)。
对于在线式UPS来说，逆变器始终处于逆变工作状态。市电供电时，不断地将交流电整流成直流后再逆变成交流输出(输出波形为正弦波)。当市电下降到170V以下时，逆变器将蓄电池储存的直流电逆变成交流电输出。市电上升到180V时，又恢复到市电供电状态。
5．检测报警保护电路
为了确保UPS安全可靠的工作，UPS必须设有完善的检测报警保护电路。一般UPS均设有过流、过压、空载保护，电池电压过低、电池极性和交流极性检测电路，指示灯和喇叭报警电路。
6．智能监控及通讯电路
新型的智能UPS具有与计算机通讯和自动监控功能，UPS监控软件通过接口通讯线路随时监控UPS及供电线路的运行情况，记载并提示掉电情况，自动处理掉电时的数据保存与系统保护。
二、UPS分类及特点
1．后备式UPS的特点
1）后备方波输出型
后备方波输出型UPS结构如图12-7所示。当市电正常时，市电220V经高频滤波、抗浪涌无源滤波电路和交流稳压电路输送给负载，同时经充电器给蓄电池充电，这时逆变器不工作。当市电断电后，逆变器启动，将电池的直流能量转变为交流(即DC／AC转换)输送给负载，这期间的转换时间主要由继电器的机械跳动时间和逆变器的启动时间决定，一般要求在4～9ms之内完成。后备式UPS允许市电的变化范围一般在180～250V之间，UPS输出的交流电压稳定度在220V±5％以内。
由于后备式UPS的市电供电和逆变供电均采用同一个变压器，所以它的交流输出火线和零线的位置是固定的，用户在接线时必须遵守它们的接线关系。即UPS的交流输入线零线接零线，火线接火线。另外，后备式UPS电源不能进行频繁的启动和关闭操作。一般要求关闭与启动之间的时间间隔10s左右；否则UPS会处于不正常的状态。
由于后备式UPS电源线路简单，易于实现，噪音低，价格便宜，所以在中小型UPS中得到了广泛应用。
2．在线式UPS的特点电脑百事网-WwW.PC841.Com领先的中国电脑IT技术网!
在线式UPS结构如图12-8所示，市电正常时，输入的交流电经滤波器将电网中的干扰成分滤掉，然后经整流滤波，给蓄电池组充电，并同时给逆变器提供工作电压。逆变器在调制信号的控制下，又将直流电逆变成稳压稳频的交流电(正弦波)给负载供电。市电不正常或断电时，蓄电池直流能量经逆变器转变成交流电，实现不间断供电。
在线式UPS的特点是无论有无市电，都是由逆变器向负载提供交流电，逆变器始终处于工作状态。因此，它从根本上消除了来自市电的电压波动和干扰，真正实现了对负载无干扰、稳压稳频的供电。一般允许市电输入电压的变化范围为180～250V，输出电压稳定范围在220V±3％以内，频率稳定度在50Hz±1％以内，输出正弦波波形失真系数小于3％。另外，由于它的逆变器始终处于逆变工作状态，所以当市电中断时，由市电切换到蓄电池供电的切换时间为零。
由于在线式UPS的线路复杂，保护功能和扩展功能强，能适应较宽的市电范围和频率范围，供电质量优良，并可以满足带发电机用户要求，所以其价格也相对较贵些。
UPS按电池向负载供电的时间可分为短延时和长延时UPS。短延时UPS一般在市电断电后只能继续供电10～30min，而长延时UPS则可连续供电1h以上，甚至可达8h。
任务5 了解后备式UPS故障分析与处理
一、故障原因分析
1．UPS电源切换启动频繁
其主要原因如下：
(1)交流220V市电电网干扰过强或者电压波动范围过大；
(2)自动稳压控制和市电供电与逆变器供电的转换工作点调整不当。
2．UPS电源只能工作在逆变器供电状态，不能转换到市电供电状态
由于UPS可以工作在逆变器供电状态，说明逆变器有关工作电路正常，故障出在与市电供电有关的控制线路，其主要原因如下：
(1)交流市电220V输入保险丝熔断，这可能是输出回路短路或过载；市电输入端火线与零线接线错误；交流市电出现过大的浪涌电流等原因造成；
(2)控制供电转换电压工作点微调电位器调整不当，导致转换电压偏高；
(3)主变压器次级反馈绕组开路，造成无交流反馈电压信号输入；
(4)交流稳压控制线路出现故障，造成在特定电压范围内UPS无输出。
3．UPS电源只能工作在市电供电状态下，不能转换到逆变器供电状态
市电供电工作正常，说明市电输压和抗干扰控制线路正常，故障出在与逆变器供电有关的线路，其原因有以下几种：
(1)若逆变器工作指示灯停止闪烁，处于长亮状态，并且UPS电源没有输出，则可能是每节12V蓄电池端电压低于终了电压10.5V，从而引起自动保护。此外，可能是逆变器末级推挽驱动晶体管损坏或是脉宽调制组件无驱动振荡脉冲输出。
(2)若逆变器工作指示灯熄灭，电源没有输出，可能是蓄电池组30A保险丝熔断，或是逆变器末级推挽驱动晶体管被烧毁而导致蓄电池组短路。此时，一般蓄电池电压都很低，有时甚至为零。具体原因是：内部辅助电源回路故障；推挽式末级驱动电路中两臂输出出现严重不平衡；过流保护线路失效；脉宽调制组件损坏；末级驱动晶体管基级线路中的保护二极管被损坏等五种情况造成。
4．逆变器工作指示灯正常，电源没有输出
可能原因是脉宽调制器件工作点失调或损坏；主电源变压器短路或层间击穿(可能性极小)；末级推挽驱动晶体管电路两臂严重不平衡；转换控制电路损坏等。
5．UPS不间断电源处于逆变器供电时，后备工作时间达不到额定满负荷供电时间
其原因有以下几种：
(1)蓄电池过度放电，使端电压接近于规定的终了电压。一般情况下，每节12V蓄电池端电压低于10.5V时，就有可能造成启动失败；
(2)蓄电池在放电以后，没有足够时间充电或者市电电网电压长期在低压状态下运行，致使充电回路未能及时对蓄电池组进行有效充电，严重时根本充不上电；
(3)蓄电池长期处于“浮充状态”，导致蓄电池内阻增大，从而造成蓄电池实际可供使用的容量远远低于蓄电池组的额定容量；
(4)蓄电池充电回路损坏或者充电电压调整不当。在正常市电供电状态下，电源内部能够自动利用充电回路对蓄电池“浮充充电”，恢复蓄电池组的原有性能。若蓄电池组端电压过低，一般均需将蓄电池脱机进行均衡充电，才有可能重新恢复蓄电池组的性能。
6．“逆变器工作指示灯”停止闪烁，电蝉常鸣
其主要原因有以下几种：
(1)频繁开关UPS不间断电源，造成启动失败。即UPS不工作在市电供电状态，也不工作在逆变器供电状态。一般要求在关断UPS电源开关后，至少要等5～6s以后，才允许重新启动；
(2)UPS电源由于负载过重或者蓄电池端电压过低引起自动保护线路动作；
(3)在有些UPS中，可能是控制工作状态指示灯和蜂鸣器的定时器组件损坏；
(4)在UPS电源负载回路中或在市电供电网络中有大负载或电感性负载接入。
7．变压器有异常声响
其故障主要原因有以下几种：
(1)整流回路和稳压电路故障，整流桥或集成稳压块烧毁；
(2)主变压器初级或次级绕组打火；
(3)脉宽调制线路和末级推挽驱动晶体管之间的连接线缆断裂或插头座接触不良；
(4)末级推挽驱动晶体管电路两臂输出严重失调不匹配。
8．UPS不间断电源每次开机工作一段时间后，蜂鸣器长鸣，无输出
UPS能够工作一段时间，说明其基本回路正常，可能是某种保护起了作用。其主要原因有以下两种：
(1)市电／逆变器供电转换控制电路故障，导致电压比较放大器工作不稳定；
(2)过电流保护电路工作点漂移，造成误动作。
二、UPS故障处理
(1)首先分析故障现象。根据蜂鸣器发声、工作状态指示灯明暗闪烁、电源有无输出以及用户使用和维护情况等信息，参照以上8种故障现象的故障分析，判断是逆变器部分故障还是市电供电部分故障。同时依照故障UPS电源的特点和电路原理进行分析，实现故障定位。
(2)拆机进行直观检查。查看电缆连接插头是否松动，各种元器件表面是否有异常情况，如有无特殊气味，保险丝是否熔断，以及有无断线、开焊或接触不良等现象。
(3)若是市电供电电路故障，可以从输入级向后逐级检查，也可从后向前检查。检查路线按输入交流市电电压→自动稳压控制电路→抗干扰控制电路→继电器开关矩阵→转换控制电路→输出电路。
(4)若是逆变供电电路故障，检查路线按蓄电池端电压→末级推挽驱动晶体管→蓄电池组30A保险丝自动保护电路→脉宽调制组件→断电器开关矩阵→输出电路。其中，以蓄电他端电压过低，导致故障的故障率较高。如一台SENDON UPS-1000不间断电源，开机无输出，也无任何提示报警信息，不能工作在逆变器供电和市电供电状态下。根据其工作原理，按照上述步骤检测实际线路，最后发现蓄电池电压过低。每节蓄电池端电压已由12V降至6V左右，以致引起自动保护电路动作，需要对这种小型密封铅电池进行均衡充电。
由于手头没有专用高效安全UPS电源恒流充电器，因此利用晶体管直流稳压电源与滑线变阻器，对蓄电池组进行均衡充电，具体方法是：WVJ-3A带自保护功能晶体管直流稳压电源，将其正极性输出分成四股，分别与四节规格为12V，24Ah/20hR的蓄电池的正极端相接。直流稳压电源负极输出，经过200Ω/300W滑线变组器，再分成四股接至四节蓄电池的负极，蓄电池接为并联方式。开始充电时发现蓄电池内阻较大，将电压调至21V，充电5h后，将电压调到18V，逐渐调低电压，同时移动滑线变阻器，以调节充电电流，充电12h后，蓄电池电压恢复正常，装机后电源恢复正常供电。另外，UPS的末级推挽驱动晶体管较易损坏，并且大多为基极与发射极之间开路，导致逆变器无输出或变压器有异常声音等情况发生。
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