三相UPS逆變電源的研究與應用

劉 坤，姚寶慶

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司能源動力廠，山東萊蕪 271104）

1 問題的由來

UPS電源系統是在系統斷電情況下，保障設備供電連續性的重要設備，UPS電源系統的穩定與否直接影響機組設備在非正常狀態下能否保持正常運行。萊鋼能源動力廠燃氣車間5#TRT原UPS電源供電模式采用后備式電源。2014年4月5#TRT因后備式UPS電源故障導致PLC失電癱瘓，后臺監控電腦黑屏，動力油系統、潤滑油系統全部停止運行，發電機未及時解列，機組因軸瓦缺油造成機組振蕩，從而引發重大設備事故。另外，當發生高低壓電源同時停電的情況時，潤滑油泵、動力油泵停止運行，旁通閥組不能正常工作，入口蝶閥無法關閉，易對機組造成嚴重損傷，對高爐工況造成極大影響。為保證這些重要設備不間斷供電，在線UPS電源供電模式成為我們急需研究開發的重要課題。

2 傳統UPS供電方式及存在問題分析

后備式UPS電源模式見圖1。

該后備式電源供電方式為當系統電源220 V輸入正常時，UPS供電模式為直接由電源進行供電不經過逆變器供給負載。蓄電池組只是作為后備電源由充電模塊對其進行充電，保持浮充狀態；當系統失電后，轉為由電池組經逆變器轉換后供給負載。

圖1 后備式UPS電源結構框圖

該UPS電源由充電器、蓄電池組及逆變器組成，系統電源正常時，對蓄電池充電并浮充，逆變器不工作，系統斷電后，將直流電壓（電池供給）變成符合負載要求的交流電壓，電壓波形有方波、準方波、正弦波三種形式，該后備UPS存在輸出電壓精度和穩定性差，而且輸出轉換時間較長，輸出轉換開關受切換電流能力和動作時間限制，UPS輸出功率偏低，基本在2 kVA以下等缺點。

同時潤滑油泵、動力油泵和入口蝶閥采用380 V電源供電，PLC、監控微機和旁通閥組采用220 V電源供電。后備UPS電源輸出為220 V，且電池容量低，不能滿足上述部分設備的電壓要求以及全部設備的容量要求，而且常規UPS設備存在價格貴、維護量大、故障率高等不足。

通過上述研究分析，UPS逆變輸出電壓精度、穩定性及輸出功率大小是關鍵技術難題之一。

3 改進方案

3.1 技術研發思路

通過應用在線UPS逆變電源思路，引入三相UPS逆變電源供電模式。

3.2 三相UPS逆變電源供電技術開發

3.2.1 組成結構

圖2為三項UPS逆變電源系統框圖，通過該框圖可以看出，該逆變電源由濾波器、整流器、逆變器、隔離變壓器及靜態轉換開關等模塊組成。

圖2 改進后三相UPS電源結構框圖

整流模塊的作用主要是將交流電（380 V/220 V）整流成穩定的直流電源（432 VDC±2 V）供逆變器轉換。

直流系統輸入通過防反二極管，在系統失電時作為供應電源使用，供逆變器轉換，在正常工作時直流系統處于后備電源狀態。

逆變器主要是把交流輸入或直流輸入電源經整流器整流后的直流電轉換成為輸出電壓精度高、穩定性強的交流電。

靜態切換開關主要作為三種輸入電源間切換平臺，當逆變器故障時，可以通過旁路供電，當恢復正常時自動切換至逆變供電，逆變器與旁路電源保證頻率和相位同步。

3.2.2 工作原理

通過控制原理圖3可以看出：當系統電壓正常時，380 V交流電源經過濾波器、三相隔離變壓器整流成穩定的直流電（432 V/270 V/145 VDC±2 V），并經逆變器轉換為正弦波電源，經輸出變壓器隔離后，經靜態轉換開關并經過二次濾波后轉換為380 V/220 V電源供給用戶。

圖3 三相UPS逆變供電控制回路原理圖

當系統斷電后，不間斷電源自動轉換為直流供電狀態，由蓄電池供給的直流電源經過防反二極管后，直接給逆變器供電，經過輸出隔離變壓器，靜態轉換開關、濾波器后轉換為380 V/220 V電源供給用戶。在交流輸入斷開瞬間，直流電將自動快速投入，輸入電壓無任何間斷。

當交流380 V系統電源及直流電源出現故障時，由旁路電源進行供電，經過靜態轉換開關及濾波器后轉換為380 V/220 V電源供給用戶。

4 應用效果

采用三相UPS逆變電源技術后，利用原有TRT所帶的直流供電系統（直流充供電裝置及蓄電池），為三相UPS逆變電源提供了穩定的直流輸入，避免了重復投資，節約成本效果顯著。

同時有效解決了后備式UPS電源輸出只有220 V交流電源的弊端，通過輸出380 V/220 V電源，將現有TRT重要設備輸入電源接入三相UPS電源，諸如旁通閥、進出口大型閥門、快切閥等重要設備，通過改造，由于供電可靠，有效保障了設備的穩定運行。