應用于船舶系統的UPS不間斷電源技術改進研究

唐耀陽，方明杰，羅南杭，饒文培

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應用于船舶系統的UPS不間斷電源技術改進研究

唐耀陽1，方明杰2，羅南杭2，饒文培2

（1.中國人民解放軍海軍駐431廠軍事代表室，武漢 430064；2.武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

本文對UPS不間斷電源的技術方案、改進設計和設備工作原理進行了分析、研究。本文研究設計的UPS不間斷電源采取了改進散熱器結構、改進風道、模塊化開關電源、改進印制板、改進測量電路、增加UPS斷電時自動切換旁路功能等12項主要技術措施，大幅度提高了設備的散熱性能、可靠性和工作穩定性。

UPS不間斷電源 可靠性 改進

0 引言

UPS不間斷電源是船舶系統的重要設備，用于為船舶動力系統各設備、船上生活保障設備、船舶通訊系統等重要設備供電。隨著設備使用頻率增多、運行時間增長，設備散熱性能下降、工作穩定性降低，已嚴重影響到船舶的安全運航行和船員生活保障，影響船舶的正常任務執行。對UPS不間斷電源進行改進以提高船舶的安全可靠性，已是當務之急。

1 UPS不間斷電源結構及原理

本文研究的UPS不間斷電源設備[1]共4套，每套由1臺不間斷電源、1臺隔離變壓器箱和3臺蓄電池箱組成，由于不間斷電源容易出現超溫報警、過流報警、自動切換到旁路、輸出電壓波動等故障，影響了相關系統的正常使用，影響到船舶正常使用和航行安全。

UPS不間斷電源的功能原理框圖如圖1所示。UPS不間斷電源改進樣機具有原設備的全部功能。新增UPS不間斷電源整機供電的自動應急措施。

2 UPS不間斷電源功能

UPS不間斷電源改進樣機的主要功能為：

圖1 UPS不間斷電源改進樣機功能原理框圖

a）UPS正常逆變供電功能；

b）蓄電池放電、充電功能；

c）UPS自動旁路供電功能；

d）手動旁路供電功能；

e）新增UPS不間斷電源整機供電的自動應急措施；

f）本機報警和遠傳報警功能。

3 UPS不間斷電源技術分析

圖2為單套UPS不間斷電源的原理接線圖。

UPS不間斷電源的工作原理[2]為：

來自電力系統的單相380 V電源輸出至隔離變壓器箱，當隔離變壓器箱前面板上的工況選擇開關置于“正常”位置時，隔離變壓器箱輸出未穩壓220 V為不間斷電源供電，電源輸出穩壓220 V至隔離變壓器箱，經隔離變壓器箱內部的工況選擇開關轉接后，通過“220 V總輸出”插座輸出為船舶系統負載供電。而且，在單相380V輸入斷電時，不間斷電源仍能依靠自帶的蓄電池輸出穩壓220 V，繼續為負載供電。

當隔離變壓器箱前面板上的工況選擇開關置于“旁路”位置時，隔離變壓器箱輸出的未穩壓220 V電壓，通過“220 V總輸出”插座輸出為船舶系統負載供電。

問題一：蓄電池箱

蓄電池箱內部安裝20塊串聯的蓄電池，蓄電池的使用壽命為3～5年，實船使用過程中的故障率低，不須改進。

問題二：隔離變壓器箱

隔離變壓器箱內部包括隔離變壓器、工況轉換開關、斷路器等，實船使用過程中工作可靠，但也存在如下影響設備使用方便性的問題：

a）當UPS出現嚴重故障輸出失電時，此時需手動將隔離變壓器箱上的旁路轉換開關由“正常”切換至“旁路”位置，從操作人員發現故障到做出正確反應需要一段時間，不利于失電的應急操作。

b）隔離變壓器在實船使用中運行穩定，但作為供電轉換設備，變壓器本身有一定的功耗，長期運行后本身溫度高，影響隔離變壓器的工作壽命，且影響UPS整機散熱性能。

問題三：不間斷電源

不間斷電源內部包括主電路元件、輔助電源、控制板、驅動板、旁路板、散熱器等各個部分[3]，在實船使用過程中，隨著使用頻率增多、運行時間增長，設備的散熱效果下降，內部溫升高，性能下降，多次出現超溫報警、過流報警、自動切換到旁路、輸出電壓波動等故障。

主要問題分析如下：

1）設備內部溫升高，影響設備工作穩定性；

2）不間斷電源采用雙層電路板，無單獨的地線層，輔助電源線、地線傳輸距離較長從而容易疊加噪聲，控制、驅動、測量電路受到電源干擾后工作穩定性下降；

3）不間斷電源的輸入電壓、輸出電壓、電池電壓和母線電壓測量電路采用差動放大電路，強電電壓接至控制板，長期使用后濾波器件性能下降，可能對弱電信號產生干擾，產生輸出電壓波動等故障；

4）不間斷電源的電流傳感器的輸出為弱電壓信號，長期使用后濾波器件性能下降，信號傳遞過程中受到干擾，出現電流監控異常、誤報警、誤保護等故障。

不間斷電源的主電路電子元件在實船使用過程中工作較為可靠，故本次改進主要針對不間斷電源的散熱性能以及輔助電源、控制板、驅動板、旁路板存在的問題進行研究改進，而主電路基本結構保持不變。

4 UPS不間斷電源改進研究

4.1 改進設計原則

UPS不間斷電源改進設計原則為：

首先，為便于實船使用、維修和更換，改進后的設備應內變外不變，外部接口、外形尺寸、安裝尺寸與原設備完全相同，可以實現對原設備的完全替換。第二，在現有設備基礎上進行改進提高，保留成熟技術，在解決現有問題的同時，避免引入新的問題和故障隱患[4]。第三，針對原UPS存在的溫升高以及測量電路、輔助電源電路等問題開展重點改進工作，通過UPS散熱性能分析、散熱設計、機箱結構設計、內部布置設計，解決UPS散熱問題，降低設備的溫升[5]；通過改用新型電壓電流傳感器、采用模塊化電源等技術改進措施來解決測量電路、輔助電源電路存在的問題；采取自動切除熱敏電阻、印制板改進設計、接插件集成、隔離變壓器箱加裝風扇等技術措施以提高設備的可靠性和工作穩定性[6]；增加UPS故障時自動切換旁路功能以提高整機供電可使用性。第四，在所有問題中，首要考慮解決散熱問題，將散熱設計作為改進工作的重點。

4.2 解決路徑

針對設備存在的問題，UPS不間斷電源改進如下：

1)散熱器的改進

a）散熱器的總散熱面積增加、風阻降低，改善了散熱性能；b）增加了IGBT的間距，功率密度降低，改善了散熱性能。原UPS散熱器結構示意圖如圖3所示，散熱器長190 mm，截面為120 mm×120 mm，在120 mm高度方向安裝的散熱片數量為32個，散熱片布置較密集，散熱片間間距只有約2 mm，風阻較大，容易堵塞灰塵。

改進后散熱器結構示意圖如圖4所示，散熱器長270 mm，較原散熱器增加了約40%，截面仍為120 mm×120 mm，但在120 mm高度方向安裝的散熱片數量改為24個，降低了25%。

改進后的散熱器，風道更加通暢，總散熱面積增加，使散熱性能得到了提高。

同時，散熱器上布置三個IGBT模塊，由于散熱器長度的增加，IGBT模塊的中心距由50mm增加為80mm，降低了功率密度，改善了IGBT導熱和散熱。

2) 散熱風道設計的改進

主要改進為：

a）結合實船應用特點，直接從前面板進風，前后貫通式風道設計，風量大，風阻低，改善了散熱性能；b）進風口安裝可拆式屏蔽波導網，便于使用和維護，有助于設備長期保持良好散熱性。

3) UPS電路的改進

a）增加自動切除/恢復熱敏電阻功能

原UPS的220 V輸入端串入熱敏電阻，用于抑制啟動瞬間為直流電容充電產生的啟動電流，在UPS剛開始啟動時，熱敏電阻溫度較低，其電阻值較大，可以抑制啟動電流；UPS工作一段時間后，熱敏電阻溫度升高，其電阻值下降，但仍有較大的功耗，以輸入電流5A、熱敏電阻熱態阻值為0.1W計算，則此時熱敏電阻的功耗為2.5 W，熱敏電阻溫度高，一方面影響UPS散熱，另一方面還存在失效時引發設備故障的隱患。

針對上述問題，本次改進采用繼電器控制熱敏電阻的切除和恢復，在UPS開始啟動時，熱敏電阻串聯在輸入回路中，從而可抑制啟動電流，在UPS啟動后，自動切除熱敏電阻，既不影響上電瞬間熱敏電阻的限流作用，又解決了熱敏電阻長期通電過熱的問題。圖5為自動切除熱敏電阻的原理示意圖，虛線部分為所做的改進。

b）原UPS輸入、輸出采用小電流電源開關控制交流接觸器的通/斷方案，為使電路更加簡化、可靠，改用H-LW98萬能轉換開關代替。H-LW98開關的耐壓為500 V，額定電流為16 A，滿足UPS使用要求。圖6為電源開關改進前后的示意圖。

圖5 自動切除熱敏電阻示意圖

圖6 電源開關改進前后示意圖（左側為改進前）

c）原UPS輸入、輸出采用普通陶瓷熔斷器，其熔斷時間較長，瞬間短路保護能力差，同時，熔斷器安裝在UPS內部，出現故障后不易檢修。改進后UPS樣機用快速熔斷器代替原普通陶瓷熔斷器，以提高保護能力，同時，熔斷器由安裝于設備內部，改為安裝于前面板，以便于使用維修。

d）原UPS采用分立元器件構成輔助電源電路，位于控制板，其局部溫度較高，長期使用后，元器件參數性能下降而輸出紋波較大，容易對控制、測量、驅動信號產生干擾。在本次改進中，專門定制了性能優良的輔助電源模塊，該電源模塊有交流220 V和直流240 V兩路輸入，兩路輸入相互切換時輸出不斷電，輸出電壓紋波小于100 mV，該電源模塊采用全金屬外殼，安裝于通風口上方，散熱性能好，輔助電源的品質和可靠性大大提高，改進后輔助電源的外形和布置見圖8。

e）原UPS內部接插件較多，多采用2.54 mm和3.96 mm間距的直插式印制電路板插座，反復插拔、長期使用后，易產生接觸不良影響可靠性等問題，導致UPS工作異常，針對該問題，改進后的UPS采用3個用螺釘鎖緊的鍍金接插件，替代原分散布置于3塊電路板的25個插拔式接插件，總接插件數由27個減少為5個，提高了接插件的接觸可靠性，設備的工作可靠性得到提高。

f）原UPS控制板與驅動板之間有驅動信號、報警反饋、驅動電源等互聯線，互聯線較多容易造成信號干擾和降低可靠性，改進后的UPS將原控制板與驅動板合并為控制驅動板，而且通過優化設計、合理布局，電路板的外形尺寸縮小了約31%，設備的工作可靠性得到提高。

g）原UPS控制板與驅動板采用雙層印制電路板，地線四處分布，易耦合噪聲而使信號受到干擾，改進后的UPS樣機用4層印制電路板替代原2層印制電路板，其中一層為地線層，同時印制板元器件合理布局，印制板走線加粗，通過上述措施，提高了信號抗干擾能力，設備的工作可靠性得到提高。

圖7 原UPS內部電路板布置示意圖

圖8 UPS樣機電路板布置示意圖

改進前后印制電路板對比如表1所示。

圖7為原UPS內部電路板布置示意圖。圖8為改進后UPS樣機電路板布置示意圖。

h）原UPS輸入電流、輸出電流、電池電流測量采用Honeywell公司的CS系列傳感器，該傳感器需要額外的調零、調量程電路來調節輸出電壓，在實際使用過程中出現零點漂移、輸出弱電壓信號在傳遞過程中易受干擾等問題，改進后的UPS樣機改用LEM公司的LA58-P型電流傳感器，其測量精度較高（＜0.5%），零點失調小（＜0.4%），響應時間快（＜1μs），直接輸出電流信號（原副邊電流比1000:1），抗干擾能力強，無需調零、調量程，與控制電路的匹配性增強、可靠性提高。

原電流測量原理如圖9所示。改進后電流測量原理如圖10所示。

i）原UPS輸入電壓、輸出電壓、電池電壓、母線電壓測量采用基于差動放大的測量電路，實際使用中出現因分壓電阻阻值不匹配或阻值變化造成測量不準問題，以及將較高電壓接入控制板，容易產生干擾等問題，改進后的UPS樣機改用LEM公司的LV25-P/SP2型電壓傳感器，其精度較高（＜0.8%），線性誤差小（＜0.2%），原付邊隔離電壓高（4.1 kV），直接輸出電流（原副邊電流比2500:1000），抗干擾能力強，無需調零、調量程，可靠性提高。原電壓測量原理如圖11所示。改進后電壓測量原理如圖12所示。

圖11 原電壓測量原理

圖12 改進后電壓測量原理

5 應用前景分析及結論

本文改進研究的UPS不間斷電源改進樣機，針對船用UPS存在的問題，采取了多項針對性的改進設計措施，改進后設備的散熱性能、設備的抗干擾能力和自兼容能力提升，工作穩定性、可靠性較原設備大幅度提高。

本文針對原設備存在的超溫報警、過流報警、輸出電壓波動等故障問題，開展了大量深入細致的研究分析和技術改進工作，采取了改進散熱器結構、改進風道、模塊化開關電源、改進印制板、改進測量電路、增加UPS斷電時自動切換旁路功能等12項主要技術改進措施，大幅度提高了設備的散熱性能、可靠性和工作穩定性。

[1] 石磊. UPS電源技術及發展[J].電器開關，2010, (01):19-20.

[2] 趙昌秀.淺談UPS電源及其維護[J]. 科學大眾，2011,(03):07-08.

[3] 周彥.中小功率不間斷電源的研究與設計[J]. 科技創新導報，2011,(31):11-12.

[4] 孫博. UPS電源設備的原理與使用維護[J]. 通信電源技術，2010,27(3):68-70.

[5] 鄭小瑛. 通信電源的維護管理探討[J]. 通信電源技術, 2010, 27(5):91-94.

[6] 李探元等. 不間斷電源電氣性能測試技術[J]. 通信電源技術, 2011,28(6):84-86.

Improvement of Uninterruptible Power Supply Used in A Ship

Tang Yaoyang1, Fang Mingjie2, Luo Nanhang2, Rao Wenpei2

（1．Naval Representatives Office in 431 Factory, Wuhan 430064, China；2. Wuhan Second Ship Design Institute, Wuhan 430064, China）

TN862

A

1003-4862（2017）03-0062-05

2016-09-15

唐耀陽(1969-)，男，高級工程師。研究方向：UPS電源。