UPS電源應(yīng)用分析

1 UPS電源設(shè)備的發(fā)展

不間斷電源(Uninterruptible Power System簡(jiǎn)稱UPS)從60年代的動(dòng)態(tài)UPS到今天的靜態(tài)UPS已走過(guò)了30多年的路程。60年代的UPS是采用柴油機(jī)—電動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)組來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換，平時(shí)由市電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，再由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)向負(fù)載供電。當(dāng)市電停電時(shí)，控制電路切斷市電線路和電動(dòng)機(jī)，利用飛輪的慣性，使發(fā)電機(jī)組繼續(xù)供電，同時(shí)立即啟動(dòng)柴油機(jī)，當(dāng)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，柴油機(jī)離合器與發(fā)電機(jī)聯(lián)上，完成由市電到柴油發(fā)電機(jī)的切換，這種不間斷電源稱為旋轉(zhuǎn)型不間斷電源，也叫動(dòng)態(tài)不間斷電源或動(dòng)態(tài)UPS。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，1960年以后，采用了大功率逆變技術(shù)和強(qiáng)電流電子開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)大功率的電能轉(zhuǎn)換。這種電能轉(zhuǎn)換電路，不論是主電路還是其他控制電路，均采用半導(dǎo)體固體器件，故稱固態(tài)不停電電源或靜止型不停電電源，簡(jiǎn)稱靜態(tài)UPS。

靜態(tài)UPS的歷史雖然不長(zhǎng)，但發(fā)展速度很快，近兩年的UPS比80年代初期的UPS有了很大發(fā)展。在功率結(jié)構(gòu)方面，進(jìn)入90年代，IGBT技術(shù)已成為近幾年UPS的發(fā)展趨勢(shì)。在控制技術(shù)方面，80年代的UPS主要是采用模擬控制，它是利用有限的微處理器技術(shù)，輔助于模擬量的反饋回路，以其采樣值與設(shè)定的參數(shù)值比較而生成一個(gè)誤差信號(hào)，并去周期性修正驅(qū)動(dòng)回路，以求得穩(wěn)定之輸出，這就是最初級(jí)的最簡(jiǎn)單的PWM技術(shù)之功能。進(jìn)入90年代，數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)，即采用軟件編程方式。這種控制方式使元器件更精少，硬件線路更簡(jiǎn)化，可靠性更高，瞬態(tài)反應(yīng)能力更強(qiáng)。而IGBT應(yīng)用于大容量UPS后，使整體系統(tǒng)的效率更高(逆變器效率可達(dá)98％～99％)，開關(guān)速度更快，輸出波形更好，諧波更小(小于1％～2％)，噪音降低，控制回路更簡(jiǎn)單。

靜態(tài)UPS的基本框圖如圖1所示。

圖1 靜態(tài)在線式UPS結(jié)構(gòu)框圖

隨著開關(guān)器件水平的提高和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，UPS正在向智能化的方向發(fā)展，也就是借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)，充分利用硬件和軟件的各自特點(diǎn)，使UPS智能化。智能化的UPS不僅能夠完成普通UPS所能完成的全部工作，還能對(duì)運(yùn)行中的UPS進(jìn)行監(jiān)測(cè)，隨時(shí)將采樣點(diǎn)的狀態(tài)信息送人計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，一方面獲取UPS運(yùn)行的有關(guān)參數(shù)，另一方面監(jiān)視電路中各部分的狀態(tài)，從中分析電路的工作是否正常。當(dāng)UPS發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行故障診斷，指出故障的部位，給出處理方法，自動(dòng)顯示監(jiān)測(cè)參數(shù)，自動(dòng)記錄有關(guān)異?；蚬收系男畔ⅰＶ悄芑腢PS除完成正常的控制工作外，還能在UPS發(fā)生故障時(shí)，采取必要的應(yīng)急控制動(dòng)作。智能化的UPS除能按照產(chǎn)品指標(biāo)自動(dòng)定期地進(jìn)行自檢并形成自檢記錄外，還能用程序控制UPS的啟動(dòng)或停止。可以隨時(shí)向計(jì)算機(jī)輸入信息或從計(jì)算機(jī)獲取信息。

近10年間，UPS發(fā)展速度很快，應(yīng)用領(lǐng)域也在迅速擴(kuò)展，已經(jīng)成為“計(jì)算機(jī)的生命線”，“是電腦及其它先進(jìn)儀器不可缺少的電源保護(hù)天使”。

2 UPS在煉油廠的應(yīng)用過(guò)程

我們?cè)邶R魯石化煉油廠應(yīng)用UPS是從三機(jī)、重整等裝置的三端口UPS開始的。1989年安裝的意大利siel公司的三端口UPS，其核心部分是有一個(gè)雙向變換器(既逆變又整流)。這種UPS主要由市電、整流／逆變器、蓄電池組、三端口變壓器構(gòu)成，其框圖如圖2所示。

圖2 三端口UPS結(jié)構(gòu)框圖

三端口UPS具有市電輸入端口、整流／逆變器輸入端口、輸出端口，俗稱三端口。三端口UPS與在線式UPS的工作方式有很大不同。首先是它的整流／逆變器處于同一電路，整流／逆變器既有市電輸入，又有逆變輸出，同時(shí)又給電池充電。從圖1可以看出，在線式UPS要經(jīng)過(guò)二次變換，即交流→直流→交流→負(fù)載。而三端口UPS經(jīng)過(guò)一次變換就供給了負(fù)載。其次，三端口UPS所使用的變壓器，不是一般的穩(wěn)壓變壓器，而是一個(gè)鐵磁諧振變壓器，這樣，當(dāng)初級(jí)電壓變化時(shí)，次級(jí)電壓基本維持不變；逆變器在市電正常情況下也工作，沒有切換時(shí)間，并在控制電路的作用下，調(diào)整逆變器輸出電壓的幅度與相位，保證逆變器輸出電壓的穩(wěn)定；在市電不正常或發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)由蓄電池作為輸入電源繼續(xù)向負(fù)載供電，保證負(fù)載不間斷地穩(wěn)定工作。三端口UPS逆變器的輸出電壓頻率不夠穩(wěn)定，帶非線性負(fù)載的能力也比較差，但成本較低。從1996年開始，煉油廠采用了具有先進(jìn)電子技術(shù)的在線式UPS，如：法國(guó)梅蘭日蘭、德國(guó)Siemens、意大利best等30套。在線式UPS的含義是：即使在電網(wǎng)電壓正常供電時(shí)，UPS的輸出也是將外來(lái)電壓經(jīng)過(guò)本身的加工轉(zhuǎn)換后再供給負(fù)載。也就是說(shuō)，即使是在電網(wǎng)電壓正常時(shí)，市電也是經(jīng)過(guò)變壓器→整流濾波→逆變器→開關(guān)S3(S3閉合，S2斷開，見圖1)→輸出。這種UPS將市電隔離。在市電正常時(shí)，過(guò)濾市電，供給負(fù)載純凈的電源。在市電不正?；虬l(fā)生故障時(shí)，UPS以蓄電池組為輸入電源繼續(xù)向負(fù)載供電，保證負(fù)載連續(xù)不斷地穩(wěn)定工作。所以，負(fù)載即使是實(shí)時(shí)控制信號(hào)，也不會(huì)因市電中斷而出現(xiàn)丟失或差錯(cuò)。它之所以具有這樣的性能，其根本原因是：它有一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)和能量的變換裝置，將市電隔離過(guò)濾后再供給負(fù)載純凈的電源。一旦市電異常，依靠這些儲(chǔ)能和能量變換裝置，繼續(xù)向負(fù)載提供高質(zhì)量的電源，以實(shí)現(xiàn)不間斷供電的要求。

UPS推廣應(yīng)用如此之快，使電腦及其敏感的先進(jìn)設(shè)備有了純凈電源的支持，提高了儀表電源的質(zhì)量，保證了電源的穩(wěn)定、不間斷、無(wú)干擾。