UPS電源應用分析
不間斷電源(Uninterruptible Power System簡稱UPS)從60年代的動態(tài)UPS到今天的靜態(tài)UPS已走過了30多年的路程。60年代的UPS是采用柴油機—電動機—發(fā)電機組來實現(xiàn)電能的轉換,平時由市電驅動電動機,再由電動機帶動發(fā)電機向負載供電。當市電停電時,控制電路切斷市電線路和電動機,利用飛輪的慣性,使發(fā)電機組繼續(xù)供電,同時立即啟動柴油機,當柴油機的轉速與發(fā)電機轉速相同時,柴油機離合器與發(fā)電機聯(lián)上,完成由市電到柴油發(fā)電機的切換,這種不間斷電源稱為旋轉型不間斷電源,也叫動態(tài)不間斷電源或動態(tài)UPS。
隨著半導體技術的發(fā)展,1960年以后,采用了大功率逆變技術和強電流電子開關來實現(xiàn)大功率的電能轉換。這種電能轉換電路,不論是主電路還是其他控制電路,均采用半導體固體器件,故稱固態(tài)不停電電源或靜止型不停電電源,簡稱靜態(tài)UPS。
靜態(tài)UPS的歷史雖然不長,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。在功率結構方面,進入90年代,IGBT技術已成為近幾年UPS的發(fā)展趨勢。在控制技術方面,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,輔助于模擬量的反饋回路,以其采樣值與設定的參數(shù)值比較而生成一個誤差信號,并去周期性修正驅動回路,以求得穩(wěn)定之輸出,這就是最初級的最簡單的PWM技術之功能。進入90年代,數(shù)字控制技術取代模擬控制技術,即采用軟件編程方式。這種控制方式使元器件更精少,硬件線路更簡化,可靠性更高,瞬態(tài)反應能力更強。而IGBT應用于大容量UPS后,使整體系統(tǒng)的效率更高(逆變器效率可達98%~99%),開關速度更快,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結構框圖
隨著開關器件水平的提高和計算機技術的發(fā)展,UPS正在向智能化的方向發(fā)展,也就是借助于計算機技術,充分利用硬件和軟件的各自特點,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,還能對運行中的UPS進行監(jiān)測,隨時將采樣點的狀態(tài)信息送人計算機進行處理,一方面獲取UPS運行的有關參數(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UPS發(fā)生故障時,根據(jù)監(jiān)測結果,進行故障診斷,指出故障的部位,給出處理方法,自動顯示監(jiān)測參數(shù),自動記錄有關異常或故障的信息。智能化的UPS除完成正常的控制工作外,還能在UPS發(fā)生故障時,采取必要的應急控制動作。智能化的UPS除能按照產品指標自動定期地進行自檢并形成自檢記錄外,還能用程序控制UPS的啟動或停止??梢噪S時向計算機輸入信息或從計算機獲取信息。
近10年間,UPS發(fā)展速度很快,應用領域也在迅速擴展,已經成為“計算機的生命線”,“是電腦及其它先進儀器不可缺少的電源保護天使”。
2 UPS在煉油廠的應用過程
我們在齊魯石化煉油廠應用UPS是從三機、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、三端口變壓器構成,其框圖如圖2所示。
圖2 三端口UPS結構框圖
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,同時又給電池充電。從圖1可以看出,在線式UPS要經過二次變換,即交流→直流→交流→負載。而三端口UPS經過一次變換就供給了負載。其次,三端口UPS所使用的變壓器,不是一般的穩(wěn)壓變壓器,而是一個鐵磁諧振變壓器,這樣,當初級電壓變化時,次級電壓基本維持不變;逆變器在市電正常情況下也工作,沒有切換時間,并在控制電路的作用下,調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,系統(tǒng)由蓄電池作為輸入電源繼續(xù)向負載供電,保證負載不間斷地穩(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電子技術的在線式UPS,如:法國梅蘭日蘭、德國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,UPS的輸出也是將外來電壓經過本身的加工轉換后再供給負載。也就是說,即使是在電網(wǎng)電壓正常時,市電也是經過變壓器→整流濾波→逆變器→開關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,過濾市電,供給負載純凈的電源。在市電不正常或發(fā)生故障時,UPS以蓄電池組為輸入電源繼續(xù)向負載供電,保證負載連續(xù)不斷地穩(wěn)定工作。所以,負載即使是實時控制信號,也不會因市電中斷而出現(xiàn)丟失或差錯。它之所以具有這樣的性能,其根本原因是:它有一個或多個儲能環(huán)節(jié)和能量的變換裝置,將市電隔離過濾后再供給負載純凈的電源。一旦市電異常,依靠這些儲能和能量變換裝置,繼續(xù)向負載提供高質量的電源,以實現(xiàn)不間斷供電的要求。
UPS推廣應用如此之快,使電腦及其敏感的先進設備有了純凈電源的支持,提高了儀表電源的質量,保證了電源的穩(wěn)定、不間斷、無干擾。
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