高頻機UPS在海洋工程中的應用優勢

胡月雙，宋廣興

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

高頻機UPS在海洋工程中的應用優勢

胡月雙，宋廣興

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

主要通過對比工頻機及高頻機的區別，體現高頻機UPS的應用優勢。高頻機UPS作為未來UPS的主流設備，具有功耗小、對外干擾小、體積小、重量輕等優勢，在海洋工程供電系統應用中比傳統工頻機更有優勢。本文介紹了高頻UPS在應用上的特性，以在海洋工程設計中的應用為依托，對比了工頻機的性能特點，展示了高頻機的應用優勢，希望對國內企業在UPS選型參考有所幫助。

UPS；高頻機；工頻機；應用

傳統的工頻機UPS，整流器采用可控硅整流技術，主路三相交流輸入經過換相電感接到三個SCR橋臂組成的整流器之后變換成直流電壓。通過控制整流橋SCR的導通角來調節輸出直流電壓值。由于SCR屬于半控型器件，控制系統只能夠控制開通點，一旦SCR導通之后，即使門極驅動撤消，也無法關斷，只有等到其電流為零后才能自然關斷，所以其開通和關斷均是基于一個工頻周期，不存在高頻的開通和關斷控制。而在海洋工程領域， 高頻化、智能化和環保化是必須考慮的應用特性，本文對高頻機的應用特性進行了分析，希望對國內相關企業的設計及選型參考有所幫助。

1 UPS簡介

1.1 發展歷史

對于UPS類型的發展史，是伴隨電力電子的發展而不斷進化的，最早的工頻機結構有旋轉發電機式和靜止變換式。靜止變換式工頻機結構UPS技術緊隨旋轉發電機式出現，屬于早期工頻機的代表，也為后期技術革新奠定了基礎。UPS的無論從控制技術，成本控制，功率容量大小，拓撲技術等都有翻天覆地的變化。一般來說，技術的先進性是相對的，最前沿的產品技術的推廣也會有適用期。新型的UPS都關聯相應的IT服務器，以此為例，隨著IT新技術的涌現，包括目前主流IT廠商提到的服務器、存儲虛擬化技術，云計算等，IT產品的新舊替換代表著技術發展的方向。隨著UPS行業的發展，隨著各產業對靈活性及控制性能要求的提高，工頻機的體積、重量及功耗的參數已經漸漸體現出了劣勢。

目前UPS的技術發展方向已經確立，高頻化、控制智能化、體積小型化及節能環保化已經成為其硬性標準。體積小型化不僅能節約成本、提高效率、增加空間靈活性等優點，還會促進高頻化及數字化的應用。體積小型化必然要進行結構的精簡，高頻化就是前提。輸入/輸出隔離變壓器是工頻機的標配，高頻機取消隔離變壓器，這是小型化及高頻化重要的一步。受制于技術和材料等因素，工頻機配備輸入/輸出隔離變壓器，直接導致了產品笨重、控制性能差、能耗較大和成本昂貴。所以后來出現了UPS歷史上跨時代的革新，1980年，美國IPM公司成功取消了輸入隔離變壓器，后來又成功推出逆變器變換方案，取消了輸出隔離變壓器，這種跨時代的革命，對UPS性能的提高及數字化UPS的廣泛應用都有深遠影響，最終成就了高頻型UPS。這種UPS的整流器工作采用IGBT整流，開關頻率不再是市電工頻50Hz，而是高頻5kHz-20kHz，并且功率因數高達0.99以上，輸入不需要增加濾波器。高頻機不僅使UPS縮小了尺寸、增強了性能、減化了重量、降低了成本和增加了可靠性，還推動了待輸出隔離變壓器的UPS的淘汰，更為高頻UPS的應用推廣貢獻了重要力量。

1.2 工作模式

圖1 工頻機型UPS工作原理

對于工頻機型UPS，工作原理比較簡單，核心元件就是可控硅整流器、IGBT逆變器及隔離變壓器的，具體原理如下：通過可控硅整流器將輸入端的380V交流電轉變換為400V的直流電壓，再通過調控電路最終輸出220V逆變電壓，調控電路由IGBT逆變器及輸出隔離變壓器組成。這個過程中，輸入端的中線是與控制電路處于隔離狀態，因此，來自供電系統的干擾影響將會很小，這也是工頻機的穩定性較高的特點，見圖1。

對于高頻機型UPS而言，它采用的是升壓型(boost)的脈寬調制IGBT整流器和IGBT逆變器設計方案。在這里，通過IGBT整流器將輸入380Vac電源變換成±400Vdc的直流高壓(直流電壓的絕對值=800Vdc)，并在此基礎上，經IGBT逆變器向外輸出220Vac的逆變器電源。

2 高頻機的性能優勢

2.1 輸入端功率因數高，電能利用率高

工頻機UPS在輸入電路采用了可控硅整流，輸入端功率因數一般不超過0.8，這樣諧波電流較大(約30%)。按照三相UPS來計算，發電機容量要高于3倍UPS功率；按照單相小功率UPS來計算，發電機容量要高于5倍UPS功率。如果提高輸入功率因數，就要增加整流的脈沖，這樣就會增加成本，也會體積變得很大。

高頻機UPS，整流脈沖成千上萬，這也是高頻的特點，在這種高頻的脈沖下，高頻機不管容量大小，輸入功率因數都可以是0.99以上，諧波電流會很小，甚至低于5%，按5%計算，發電機容量基本上等于UPS功率，這樣既節約成本又減少了空間，充分利用了輸入測得電能。

2.2 節能、環保、功耗低

工頻機與高頻機在同等指標，同等輸出效果下，工頻機需外加諧波濾波器或者增加脈沖以滿足功率因數的要求，另外還需要增加輸出變壓器，這樣結構會變得更為復雜，如圖2所示，而高頻機結構更為簡單，因工頻機增加整流及變壓器，功耗將變得比高頻機高5%，因此，在節能環保上，高頻機優勢明顯。

圖2 工頻機與高頻機的結構

2.3 傷害性干擾小

患者采取椎管內麻醉方式，腰麻患者采用7.5～15 mg 0.5%鹽酸羅哌卡因（利用腦脊液稀釋），復合硬膜外麻醉患者采用2%鹽酸利多卡因和0.75%鹽酸羅哌卡因的混合液，不采用腰麻、硬膜的患者用藥量按照手術和患者實際對藥物進行合理選擇。術后用生理鹽水將50 μg舒芬太尼與200 mg 1%鹽酸羅哌卡因稀釋到100 mL用于硬膜外自控鎮痛[4-5]。

工頻機UPS具備機械噪聲和電噪聲兩種干擾，機械噪聲會對操作人員形成威脅，電噪聲會影響機器的穩定度。而高頻機UPS的工頻為20kHz及以上，這種頻率下，不會影響人的聽力及神經。高頻機功率因數0.99以上，類似線性因數，電噪聲干擾幾乎是0。

2.4 重量小、對空間依賴性小

工頻機UPS的結構相對復雜，因此重量體積都比較大。舉例說明：同為200KVA，同一種品牌，工頻機重量1500kG，而對應的高頻機僅有800kG。

2.5 數字化、智能化

工頻機UPS一般為模擬技術或者數字與模擬相結合的技術。而高頻機是全數字化的技術，根據可靠性要求，全數字技術更優于模擬技術，全數字技術也更能體現智能化。

2.6 適應電網浮動，延長電池壽命

工頻機UPS最多可適應電網變化15%浮動率，而高頻機可適應30%浮動率，同等電網環境下，高頻機電池壽命會更長。

3 應用

3.1 供電方案

鑒于海洋工程行業生產過程控制儀表重要設備主要為雙電源負載的特殊性，對應的供電設計方案有三種，詳細分類如下：

3.1.1 1臺UPS單機與1路市電構成雙路供電方案

常態下，UPS單機輸出與一路市電輸出可以為負載提供雙電源，而UPS單機輸出為負載提供不間斷電源。

當UPS輸出線路發生故障或者本機需要維護維修操作時，UPS需切換到旁路，此時對A類負載，旁路和一路市電輸出母線提供電源，這樣就避免了單機輸出母線成為單點故障。此時旁路及一路市電的可靠性特別重要，關系系統的安全性；而對B類負載，旁路輸出可以成為負載電源，臨時維持供電，直至UPS恢復正常。原理圖如圖3。

圖3 UPS單機輸出與一路市電輸出可以為負載提供雙電源負載

3.1.2 兩臺UPS雙路輸出方案3.1.3

常態下，雙電源負載每一路都由一臺UPS獨立供電，兩臺UPS各自承擔一部分單電源負載，如果1臺UPS需進行旁路檢修，還能保證雙電源供電： 一路UPS輸出和一路UPS旁路輸出；如果有一臺UPS因輸出母線故障或者需停機維護維修)時，對A類負載，因為有一臺UPS輸出母線供電，所以避免單機輸出成為單點故障；對B類負載，通過下游轉換開關切換的臨時模式，由一臺UPS輸出母線成為負載的臨時電源，直到UPS輸出正常，原理圖如圖4。

圖4 兩臺UPS雙路輸出方案

3.1.4 UPS雙機同步雙輸出方案

任何情況下，有一臺UPS的輸出母線出現故障，對A類雙輸入負載，由另一臺UPS的輸出母線提供電源，所以無任何影響；對于B類負載而言，由于采用了STS靜態高速切換開關和LBS負載母線同步追蹤器，其輸入源不間斷的切換到另一臺UPS輸出母線，保證B類負載正常供電。其中LBS負載母線同步追蹤器使兩臺獨立的UPS系統始終保持同步輸出，STS靜態高速切換開關在母線電壓異常時進行了不間斷的切換。

3.2 應用特性對比

在海洋工程領域現有的設計方案下，總結工頻機及高頻機的優勢特性，很明顯，高頻機更適合海洋石油平臺的設計環境，更具備效益性，具體對照見表1。

表1 工頻機與高頻機應用特性對比

表1(續)

4 小結

高頻機在海洋工程上的使用優勢明顯，而工頻機UPS被高頻機UPS取代也是主流發展趨勢，雖然高頻機的多領域應用并未完全成熟，仍然存在一定問題，但隨著UPS技術的不斷完善及應用方案的不斷改進，問題會越來越少，優勢也會越來越大，傳統工頻機將會被完全取代。

(本文文獻格式：胡月雙，宋廣興.高頻機UPS在海洋工程中的應用優勢[J].山東化工，2017，46(14)：102-105.)

2017-04-17

胡月雙(1983—)，大學本科，工程師，主要從事海洋石油平臺電氣專業設計工作。

TN86

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1008-021X(2017)14-0102-04