中壓變頻器控制電源UPS技術優化改進

付荷英，沈敬輝

(陜西渭河煤化工集團有限責任公司，陜西 渭南 714000)

陜西渭河煤化工集團有限責任公司三期兩臺240t/h循環硫化床鍋爐裝置八臺風機電氣控制系統均采用西門子完美無諧波系列變頻控制。每臺變頻器內均配置一臺容量為700VA的UPS不間斷電源裝置，給變頻柜內TBCP控制提供穩定電源，由于變頻器自身配置的UPS沒有旁路，維護起來較困難，小容量的UPS使用壽命短，自裝置運行至今由于UPS故障引起的跳車頻次較多，對工藝裝置造成極大的影響。為了解決此類問題我公司電氣部門對八臺高壓變頻器內的UPS進行技術改造，采用一臺容量為10kVA索克曼MASTERYS IP系列UPS進行系統改造。

1 UPS電源在企業中的應用及原理

不間斷電源是在電網異常(如停電、欠壓、干擾或浪涌)的情況下不間斷的為電氣負載提供后備交流電源，維持電氣設備正常運作的設備，它作為計算機信息系統、通信系統、數據網絡中心等的重要外設，在保護計算機數據、保證電網電壓和頻率的穩定、改進電網質量、防止瞬時停電和事故停電對用戶造成的危害等方面是非常重要的。下面著重介紹下UPS在工廠中的應用及原理。

1.1 UPS電源在企業中的應用

UPS不間斷電源是企業重要的供電保障設備，隨著工業自動化的發展，電氣儀表控制越來越精密化，計算機技術應用和工業網絡及相關通訊在工廠內越來越普及，對高質量的供電提出了越來越嚴格的要求。除了要求供電系統具有連續可靠性之外，還要求市電(50HZ或60HZ的工頻交流電)的輸出應保持良好的輸出正弦波形且不帶干擾。就公司來說，一二三期生產操作系統(DCS)、重要高低壓設備的控制系統、電氣運行系統后臺監測與操作等等，一旦突然失電或瞬間晃電欠壓(電壓突變)就會造成計算機數據和圖表丟失或使正在運行中的軟件遭到破壞，導致控制裝備損壞。因此，UPS電源得到了廣泛的應用。

1.2 工業UPS電源基本工作原理

現在，工業UPS電源可以向用戶提供四種類型的UPS電源品種：后備式UPS、在線互動式UPS、三端式UPS、雙變換在線式UPS。工業UPS的典型原理結構如圖1所示，工業UPS電源系統由五部分組成：主回路、旁路、電池等電源輸入電路；進行AC/DC變換的整流器(REC)；進行DC/AC變換的逆變器(INV)；逆變和旁路輸出切換電路(靜態開關)以及蓄能電池。

圖1 UPS基本原理圖

當電網電壓正常時(UPS輸入市電及輔助市電正常)，UPS處于正常工作狀態，整流器和逆變器均正常工作，靜態開關將逆變器輸出與負載相連，電池與直流母線相連，在直流母線電壓作用下處于浮充電狀態。

當電網電壓異常(UPS輸入市電及輔助市電均異常)或停電時，UPS整流器將自動停止工作，逆變器由電池供電而繼續工作，時間的長短取決于負載的大小及電池的容量。當電池放電到終止電壓時，如市電仍未恢復正常，逆變器將停止工作，UPS的操作控制面板將顯示相應告警信息。當UPS 通過電池給負載提供后備電源時，如市電恢復，整流器將自動啟動(此時其輸出功率逐漸增加)，重新給逆變器供電，恢復到正常運行狀態。在上述過程中，市電的中斷和恢復都不會中斷對負載的供電。

當UPS內部故障(如逆變器不工作)或市電因外部原因突然失電時，旁路輸出切換電路控制靜態開關導通，靜態開關將輔助市電旁路與負載相連，此過程不會中斷負載的供電。

當UPS需要維護或改造時，可以通過合上維修旁路開關Q3保持負載持續供電后停運UPS，斷開輸入開關Q1、旁路開關Q2和UPS輸出開關Q4進行作業。

2 中壓西門子變頻器單獨配置UPS(無旁路)出現的問題

中壓西門子變頻器內配置單獨的UPS裝置，自2010年投用以來，我公司三期4#5#鍋爐共八臺變頻器由于UPS故障原因引起跳車，總結如下：

(1) 2012年4月7日，5#鍋爐一次風機變頻器UPS過載報警，導致控制電源失電，引起跳車。

(2)2012年4月9日，4#鍋爐二次風機變頻器UPS電池報警，無法對其立即檢修處理，存在很大隱患。

(3)2016年3月28日，5#鍋爐二次風機6千伏開關柜綜合保護器上顯示非電量信號故障，保護動作從而引起二次風機跳車。保護器非電量信號故障是采集二次風機變頻器的故障信號，對變頻器進行檢查發現內部UPS電源故障不工作。

(4)2016年5月6日，5#鍋爐引風機A變頻器內UPS電池故障，導致變頻器故障跳車，導致工藝降負荷。

3 UPS改造前存在的弊端

三期鍋爐八臺風機每臺變頻器均配置一臺容量為700VA的UPS裝置，主要給變頻器的控制系統提供一個穩定的不間斷的電源，但是多次由于UPS故障引起變頻器跳車，對三期裝置的生產經濟效益造成極大的損失。目前運行狀況存在以下弊端：

(1)變頻器配置的UPS容量小，后備電池時間不足；

(2)變頻器配置的UPS安裝位置在柜內，不便于日常巡檢和檢修維護；

(3)變頻器配置的UPS為非工業型的UPS，沒有配置旁路電源，電源供電只有市電，沒有事故電源，運行可靠性差。

4 UPS改造后具備的優勢

鍋爐四臺風機是整個鍋爐裝置的重要設備，影響面極大，為了降低故障率的次數，我們通過技術手段來進行更優化的改造。本次改造采用索克曼MASTERYS IP系列容量為10KVA的UPS，它具備以下優勢：

(1)運行性能可靠穩定、帶有隔離變壓器、占地面積小，這款機型的金屬機箱以及高度的保護性可以保證其特性優于以往在工業企業的惡劣環境中所使用的其他電源設備，配置額外的兩組后備電池，采用湯淺NP65-12型號蓄電池，此電池具有極低的浮充電流，密封反應效率高，使用壽命長。

(2)具有先進的干接點接口(ADC)、LCD遙控通訊顯示器、外部手動旁路、電源分享、并聯組件、隔離控制器等優越性能，我們通過對UPS進行一些人為模擬實驗，比如切斷市電，UPS將自動切入旁路，繼續對負載進行供電或者市電恢復后，整流器立即啟動，UPS將自動恢復正常模式，而且UPS旁路輸入端電源引自事故發電機所帶312配電室事故段，這樣有利于提高負載供電系統的可靠性。

(3)UPS輸出電源通過電源分配柜二次分配到每個變頻器的控制電源處(圖2所示)，電源分配柜總空開采用ABB帶選擇性保護微型斷路器S752DR E63 ，并通過實驗成功避免了由于單臺設備引起短路或者接地越級跳閘問題，提高了設備供電系統的穩定性。

圖2 電源分配柜圖

5 項目實施情況

從確認要對原八臺變頻器控制電源進行優化技術改造后，通過前期大量調研，最終我們采用法國索克曼工業級的UPS和湯淺蓄電池作為后備電源，并將UPS輸出電源進行二次分配，采用ABB帶選擇性保護微型斷路器S752DR E63(如圖2中所示)，此種配置具有不受電壓波動或干擾影響，電磁兼容性極好等功能，單獨控制，操作簡單，簡化原設計原理圖(圖3和圖4所示)。原控制電源只有一個來自312配電室正常市電，沒有旁路電源，新UPS采用兩路電源供電，一路引自312配電室正常市電，一路引自312配電室事故段，兩路電源來回切換，提高了八臺風機變頻器控制電源的可靠性和穩定性，大大降低了維護成本和能耗，提高了設備運行的效率。

圖3 改造前的原理圖

圖4 改造后的原理圖

6 結束語

UPS是一種含有儲能裝置，以整流器、逆變器為主要組成部分的穩壓穩頻的交流電源。三期鍋爐八臺風機變頻器內UPS自2016年改造后運行至今，變頻器運行狀況良好，故障率為零，提高了鍋爐裝置的安全可靠性和穩定性，從本質上消除因控制電源失電造成三期工藝裝置停機的隱患，減少了經濟損失。