交流220 V不間斷供電轉(zhuǎn)換故障分析及對(duì)策

李星宇，鄭愷之，曾祥孔，王 歡

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交流220 V不間斷供電轉(zhuǎn)換故障分析及對(duì)策

李星宇1，鄭愷之2，曾祥孔3，王 歡4

(1. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430205；2. 華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074；3. 武漢華海通用電氣有限公司，武漢 430074；4. 渤海造船廠集團(tuán)有限公司，遼寧葫蘆島 125004)

切換電源的過(guò)程會(huì)造成供電間斷，不間斷電源保證供電的連續(xù)性。這里介紹了一種交流220 V不間斷供電的轉(zhuǎn)換裝置，并為達(dá)成不間斷供電的目的提供了兩種工作模式。針對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的掉電現(xiàn)象進(jìn)行了波形監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)波形進(jìn)行分析與判斷，提出掉電現(xiàn)象的原因與解決方法，并試驗(yàn)驗(yàn)證了解決方法的有效性。

不間斷供電 轉(zhuǎn)換裝置 波形監(jiān)測(cè) 故障分析

0 引言

供電轉(zhuǎn)換裝置是交流220 V不間斷供電裝置的重要組成部分。不間斷供電裝置廣泛應(yīng)用于通信、交通、國(guó)防和電力等重點(diǎn)領(lǐng)域[1]。而供電轉(zhuǎn)換裝置通過(guò)提供多個(gè)獨(dú)立的電源為不間斷供電裝置提供了更高的可靠性。

文獻(xiàn)[2-4]中分析了飛機(jī)、通訊以及區(qū)域電網(wǎng)中使用多個(gè)電源組合供電以達(dá)到不間斷供電的效果，針對(duì)多種工作模式的切換進(jìn)行控制分析；文獻(xiàn)[5-7]中針對(duì)不間斷供電系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行了分析，并通過(guò)控制手段減小了因電源轉(zhuǎn)換而造成對(duì)整個(gè)不間斷供電系統(tǒng)的影響，使得不間斷供電系統(tǒng)更加穩(wěn)定。從中可以看出對(duì)供電轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行合理地控制對(duì)提高不間斷供電系統(tǒng)的可靠性是非常重要的。

1 轉(zhuǎn)換裝置介紹

針對(duì)需求，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下的雙逆變電源不間斷供電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1中下半部左右兩邊分別為兩個(gè)單獨(dú)的逆變電源，中部為連接兩臺(tái)逆變電源和主電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換裝置，給2路AC220V電網(wǎng)供電，圖1上半部連接的是獨(dú)立電網(wǎng)，圖中逆變電源、接觸器以及VT3和VT4的控制電路未在圖中畫(huà)出。

圖1 供電轉(zhuǎn)換裝置圖

本雙逆變電源不間斷供電系統(tǒng)有兩種工作模式：

a) 當(dāng)單臺(tái)逆變電源供電時(shí)，由一臺(tái)逆變電源給整個(gè)電網(wǎng)供電；

b) 當(dāng)兩臺(tái)逆變電源同時(shí)供電時(shí)，由對(duì)應(yīng)側(cè)的逆變電源分別給兩側(cè)電網(wǎng)供電。

表1 供電轉(zhuǎn)換裝置晶閘管狀態(tài)

如表1所示，通過(guò)改變多組晶閘管VT1、VT2、VT3和VT4的狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)這兩種工作模式的切換，其中○代表導(dǎo)通、×代表關(guān)斷。從而達(dá)成保障獨(dú)立區(qū)域電網(wǎng)交流220 V的不間斷供電的目的。

２ 故障檢查及分析

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試此不間斷電源轉(zhuǎn)換裝置的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，在從單臺(tái)逆變電源供電模式切換至兩臺(tái)逆變電源同時(shí)供電模式過(guò)程中，存在著輸出電壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象，在嚴(yán)重的情況下甚至?xí)l(fā)生雙路停止供電的狀況，說(shuō)明該切換系統(tǒng)的控制策略仍需要改進(jìn)。

在查明故障的過(guò)程中，對(duì)該系統(tǒng)的重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行波形檢測(cè)，因?yàn)閱⑼?號(hào)逆變電源或2號(hào)逆變電源的性質(zhì)相同，所以波形比較都是用1號(hào)逆變電源的情況，并分別對(duì)以下幾點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)：1號(hào)逆變電源輸出電壓；2號(hào)逆變電源輸出電壓；1號(hào)逆變電源輸出電流；1號(hào)母線電壓；VT1兩端電壓；1號(hào)逆變電源狀態(tài)正常信號(hào)（低電平有效）；控制板SCR1驅(qū)動(dòng)信號(hào)（低電平有效）；

圖2 啟停1號(hào)逆變電源波形圖

（通道從上至下依次是1號(hào)逆變電源電壓、2號(hào)逆變電源電壓、VT1兩端電壓、1號(hào)逆變電源輸出電流；圖中橫坐標(biāo)每一小格為1 s，CH1、CH2縱坐標(biāo)峰值為400 V，CH3縱坐標(biāo)峰值為200 V，CH4基本維持在0 A）

圖3 啟停1號(hào)逆變電源波形圖

（通道從上至下依次是1號(hào)逆變電源電壓、2號(hào)逆變電源電壓、VT1兩端電壓、控制板SCR1驅(qū)動(dòng)；圖中橫坐標(biāo)每一小格為1 s，CH1、CH2縱坐標(biāo)峰值為400 V，CH3縱坐標(biāo)峰值為200 V，CH4高電平為20 V，低電平為0 V）

1）首先檢查啟停逆變電源期間，兩臺(tái)逆變電源之間是否存在環(huán)流現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)波形如圖2所示。

從波形圖中的通道四可以看出，在啟停單臺(tái)逆變電源過(guò)程中無(wú)明顯環(huán)流現(xiàn)象，說(shuō)明不是因?yàn)榄h(huán)流過(guò)大引起的保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致失電。

2）依次檢查在啟停逆變電源的過(guò)程中，SCR的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)發(fā)出情況和逆變電源發(fā)出正常信號(hào)的情況。實(shí)驗(yàn)波形如圖3、4所示。

可以看出，在停機(jī)的時(shí)候，切換裝置正常工作，驅(qū)動(dòng)板幾乎是同步輸出了正確的信號(hào)。而在啟動(dòng)單臺(tái)逆變電源時(shí)，電源正常信號(hào)與SCR驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)基本上都是在逆變電源啟動(dòng)后約4.6 s左右發(fā)出。

圖4 啟停1號(hào)逆變電源波形圖

（通道從上至下依次是1號(hào)逆變電源電壓、2號(hào)逆變電源電壓、VT1兩端電壓、1號(hào)逆變電源正常信號(hào)；圖中橫坐標(biāo)每一小格為1 s，CH1、CH2縱坐標(biāo)峰值為400 V，CH3縱坐標(biāo)峰值為200 V，CH4高電平為20 V，低電平為0 V）

3）最后檢查啟停逆變電源過(guò)程中，母線上的電壓情況。實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示。

可以看出在啟停單臺(tái)逆變電源時(shí)，母線電壓基本上沒(méi)有變化，所以也可以判定不是因?yàn)槟妇€上電壓波動(dòng)從而導(dǎo)致失電情況的發(fā)生。

通過(guò)反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，從中對(duì)比發(fā)現(xiàn)，新啟動(dòng)的逆變電源與母線的電壓相位有明顯差值，發(fā)現(xiàn)每次VT1或VT2導(dǎo)通時(shí)電壓相位均不相同，此時(shí)進(jìn)行逆變電源的投入會(huì)在整個(gè)系統(tǒng)中形成擾動(dòng)。

失電情況發(fā)生的時(shí)候，SCR驅(qū)動(dòng)信號(hào)和逆變電源正常信號(hào)都是正常發(fā)出，但逆變電源和母線側(cè)電壓的相位與幅值差距過(guò)大，從而導(dǎo)致逆變電源未能正常投入，反而觸發(fā)另一臺(tái)逆變電源的保護(hù)，斷開(kāi)了另一臺(tái)逆變電源，從而導(dǎo)致母線失電。故障發(fā)生時(shí)的波形如圖6所示。

圖5 啟停1號(hào)逆變電源波形圖

（通道從上至下依次是1號(hào)逆變電源電壓、1號(hào)母線電壓、VT1兩端電壓、控制板SCR1驅(qū)動(dòng)；圖中橫坐標(biāo)每一小格為1 s，CH1、CH2縱坐標(biāo)峰值為400 V，CH3縱坐標(biāo)峰值為200 V，CH4高電平為20 V，低電平為0 V）

圖6 發(fā)生故障時(shí)的波形圖

（通道從上至下依次是1號(hào)逆變電源電壓、2號(hào)逆變電源電壓、VT1兩端電壓、驅(qū)動(dòng)板SCR1驅(qū)動(dòng)；圖（a）中橫坐標(biāo)每一小格為1s，圖（b）中橫坐標(biāo)每一小格為0.2s，CH1、CH2縱坐標(biāo)峰值為400 V，CH3縱坐標(biāo)峰值為200 V，CH4高電平為20 V，低電平為0 V）

可以看出在KM1閉合的時(shí)候，即通道三開(kāi)始有電壓時(shí)，相位相差較大已經(jīng)達(dá)到了接近30度，VT1兩端承受過(guò)大電壓，由于此次同步鎖相較慢，達(dá)到規(guī)定時(shí)間后通道一與通道二之間相位差仍有10度，此時(shí)無(wú)法發(fā)出導(dǎo)通信號(hào)，但VT3、VT4卻關(guān)斷，從而導(dǎo)致左側(cè)母線失電。

3 解決方法

因?yàn)閮膳_(tái)逆變電源的控制程序中有自動(dòng)鎖相的功能，即運(yùn)行過(guò)程中，兩臺(tái)逆變電源的電壓相位會(huì)自動(dòng)調(diào)整至相同，那么為保證母線不失電，就要保證單臺(tái)逆變電源投入時(shí)的電壓相位與幅值都達(dá)到當(dāng)前母線上的值，我們可以延后SCR的控制信號(hào)發(fā)出導(dǎo)通指令的時(shí)間。通過(guò)比較多次實(shí)驗(yàn)波形發(fā)現(xiàn)，在逆變電源發(fā)出正常信號(hào)5 s后，逆變電源的電壓相位與母線上的電壓相位已經(jīng)幾乎一致，此時(shí)再進(jìn)行導(dǎo)通VT1并關(guān)斷VT3、VT4進(jìn)行供電模式的切換對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)不會(huì)形成擾動(dòng)。

增加了延時(shí)以后，再次通過(guò)示波器進(jìn)行監(jiān)視啟停單臺(tái)逆變電源的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。

圖 7 啟停1號(hào)逆變電源波形圖

（通道從上至下依次是1號(hào)逆變電源電壓、1號(hào)母線電壓、VT1兩端電壓、控制板SCR1驅(qū)動(dòng)；圖中橫坐標(biāo)每一小格為1s，CH1、CH2縱坐標(biāo)峰值為400V，CH3縱坐標(biāo)峰值為200V，CH4高電平為20V，低電平為0V）

可以看出在停止單臺(tái)逆變電源時(shí)，驅(qū)動(dòng)板正確并同步輸出了控制信號(hào)。在啟動(dòng)單臺(tái)逆變電源時(shí)，因?yàn)闊o(wú)法控制接觸器KM1的閉合，VT1會(huì)承受相對(duì)較大的電壓差，但是電壓差迅速減小至穩(wěn)定的20 V左右，20 V的電壓差是因?yàn)榫чl管自身的管壓降以及實(shí)驗(yàn)使用電壓探頭所造成的測(cè)量誤差，這時(shí)電壓仍有波動(dòng)，說(shuō)明此時(shí)還沒(méi)有完成鎖相過(guò)程。隨著時(shí)間到增加的延時(shí)5 s位置，波動(dòng)已經(jīng)足夠小，此時(shí)再導(dǎo)通VT1并關(guān)斷VT3、VT4對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)的造成的擾動(dòng)即可忽略。

自動(dòng)鎖相程序的工作原理是通過(guò)比較新啟動(dòng)的逆變電源與母線的電壓相位差，通過(guò)隨時(shí)間微分再積分，輸出一個(gè)逐漸逼近基準(zhǔn)電壓的相位值。不斷循環(huán)上述過(guò)程，從而達(dá)到與基準(zhǔn)電壓相位差滿(mǎn)足相位差要求[8]。這一過(guò)程的所需時(shí)間與起始相位差以及程序設(shè)置的相位調(diào)整精度有關(guān)。增加5 s延時(shí)后的9.6 s時(shí)間為完成自動(dòng)鎖相過(guò)程的最長(zhǎng)時(shí)間。

采用增加延時(shí)有效保證了切換不間斷電源供電模式時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保了母線不失電，并且現(xiàn)場(chǎng)所產(chǎn)生的噪聲也有所減小，也說(shuō)明增加延時(shí)提高了此不間斷電源供電切換裝置的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

不間斷電源供電模式從模式a切換至模式b時(shí)，對(duì)于電壓的相位與幅值要求較高，如果在電壓的相位與幅值未達(dá)到同期要求的時(shí)候就投入運(yùn)行，則會(huì)對(duì)整個(gè)不間斷供電系統(tǒng)造成擾動(dòng)，嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致供電系統(tǒng)失電，這對(duì)供電系統(tǒng)的可靠性是較大的破壞。

但是不間斷電源供電模式從模式a切換模式b，系統(tǒng)母線上已有穩(wěn)定電壓，且能夠維持系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，所以為保證供電系統(tǒng)不失電，通過(guò)增加逆變電源投入的延時(shí)，可以使逆變電源投入運(yùn)行時(shí)達(dá)到更好的同期狀態(tài)，從而使不間斷電源供電系統(tǒng)的可靠性大大增加。

發(fā)生此問(wèn)題的深層原因則是兩臺(tái)逆變電源的自動(dòng)鎖相程序?qū)﹄妷合辔坏恼{(diào)整速度較慢，導(dǎo)致在原先設(shè)置的時(shí)間內(nèi)無(wú)法達(dá)到要求的電壓相位與幅值，通過(guò)提高自動(dòng)鎖相程序調(diào)整速度也是解決本問(wèn)題的一種途徑。

[1] 顏曉河, 施三保, 夏澤中．不間斷電源技術(shù)綜述[J]．煤礦機(jī)械, 2006, 27(9): 6-8.

[2] 朱新宇．飛機(jī)交流電源正常供電轉(zhuǎn)換中的不中斷轉(zhuǎn)換技術(shù)[J]．中國(guó)民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào), 2001, 12(1): 25-26, 41.

[3] 許彬慈, 胡長(zhǎng)生, 張文平, 徐德洪．雙能源不間斷電源的能源切換控制[J]．電力電子技術(shù), 2005, 49(11): 66-69.

[4] 李文華, 常惜陽(yáng)．三電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制器的設(shè)計(jì)[J]．電器與能效管理技術(shù), 2016(16): 31-34.

[5] 何國(guó)鋒．不間斷電源重載切換逆變模塊故障分析[J]．煤礦機(jī)械, 2015, 36(12): 289-291.

[6] 蔡久青, 陳昌松, 段善旭, 劉朋．模塊化不間斷電源自適應(yīng)均流控制技術(shù)[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 32(24): 153-159.

[7] 張凌華．一種帶合環(huán)選掉保護(hù)的并聯(lián)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[J]．電器與能效管理技術(shù), 2016(9):22-24, 47.

[8] 張?jiān)? 非理想電壓條件下軟件鎖相環(huán)的相位跟蹤技術(shù)研究[D]．重慶大學(xué), 2011.

Analysis and Countermeasure of AC 220 V Uninterruptible Power Supply Conversion Failure

Li Xingyu1, Zheng Kaizhi2, Zeng Xiangkong3, Wang Huan4

(1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 3. Wuhan Huahai General Electric Co., Ltd, Wuhan 430074, China; 4. Bohai Shipyard Group Co., Ltd, Huludao 125004, Liaoning, China)

TM762.1

A

1003-4862（2019）06-0041-04

2018-12-03

李星宇（1995-），男，碩士研究生，研究方向：船舶電力系統(tǒng)。E-mail: lixingyuxxx@foxmail.com