UPS電源設(shè)計(jì)與運(yùn)用

李廣環(huán)

摘 要：本文就不間斷電源（UPS）的熱備冗余設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了一些探討，提出UPS多機(jī)熱備冗余的解決方案，具有線路簡(jiǎn)單、在線維護(hù)方便、不斷電等特點(diǎn)。因此，UPS多機(jī)熱備冗余方案容易被越來越多的企業(yè)用戶所接受。

關(guān)鍵字：UPS電源;熱備冗余;維護(hù)方便

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.119

1 目前UPS運(yùn)行中存在的問題

在制藥行業(yè)中，UPS電源在配電系統(tǒng)、 DCS、監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)化儀表，調(diào)度通信系統(tǒng)、微機(jī)系統(tǒng)等核心設(shè)備中發(fā)揮重要作用，它能夠保證在市電突然事故斷電情況下，使這些設(shè)備的電源能夠維持一段時(shí)間，保證它們?cè)诰o急情況下進(jìn)行操作處理，不發(fā)生安全事故，也能使用戶數(shù)據(jù)能夠緊急存盤，不致因停電丟失數(shù)據(jù)，因此UPS 得到廣泛運(yùn)用，但在使用中還是存在許多問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）UPS主機(jī)出現(xiàn)故障轉(zhuǎn)為旁路運(yùn)行時(shí)，在線維修難度大，仍然需要把主機(jī)退出來，增加了負(fù)載失電的風(fēng)險(xiǎn);

（2）單臺(tái)UPS運(yùn)行時(shí)，不管哪個(gè)部件發(fā)生故障，就會(huì)影響輸出;

（3）即時(shí)有雙機(jī)UPS運(yùn)行的設(shè)備，僅為簡(jiǎn)單的并列，且并列環(huán)流大，不利于長(zhǎng)期運(yùn)行。

2 UPS雙機(jī)冗余系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

針對(duì)現(xiàn)有問題，結(jié)合多年實(shí)際使用情況，提出UPS多機(jī)熱備冗余的解決方案，解決熱備份連接方法的不足，將多臺(tái)同型號(hào)、同參數(shù)、同功率的的UPS電源輸出端通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)并聯(lián)在一起，各UPS輸入端取至不同變壓器的供電電源。目的就是為了不能因?yàn)閁PS進(jìn)線電源故障或主機(jī)本身故障影響供電，提高供電的可靠性，并聯(lián)后的多臺(tái)UPS可靠性數(shù)學(xué)模型如圖1所示，根據(jù)上面的假設(shè)臺(tái)數(shù)，其系統(tǒng)可靠性R（t）可根據(jù)下式函數(shù)計(jì)算得出：

R（t）=1-（1-R1）（1-R1）2=0.9999999

由上面的結(jié)果可以看出，雙機(jī)冗余系統(tǒng)要比單機(jī)系統(tǒng)可靠性高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，其基本工作原理是：正常情況下，兩臺(tái)UPS均各自獨(dú)立輸出，均可獨(dú)自對(duì)負(fù)載設(shè)備供電，當(dāng)一臺(tái)UPS故障時(shí)，由剩下的一臺(tái)UPS承擔(dān)全部負(fù)載。且因?yàn)橛型獠颗月废到y(tǒng)，在不影響輸出的情況下，可脫機(jī)檢修，比如對(duì)于30kW的設(shè)備負(fù)載，我們可以考慮2臺(tái)15kW容量的UPS系統(tǒng)并聯(lián)，即使一臺(tái)UPS出現(xiàn)故障，另外一臺(tái)UPS仍然可以承擔(dān)全部負(fù)載，此為雙機(jī)熱備冗余。并聯(lián)冗余的本質(zhì)，是不間斷電源可靠穩(wěn)定的輸出。具體電路如圖2。

具體工作原理和操作流程如下：正常運(yùn)行時(shí)QA11、QA13、QB1和QA21、QA23、QB2合閘，QA12、QA22、GK1分閘，兩臺(tái)功率相同的UPS分別對(duì)應(yīng)不同的負(fù)載;若UPS1故障或市電失電時(shí)，需要退出UPS1進(jìn)行維修，則該臺(tái)UPS會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)為內(nèi)部旁路，另外一臺(tái)UPS人為轉(zhuǎn)為內(nèi)部旁路，合GK1，2臺(tái)UPS在旁路狀態(tài)并聯(lián)運(yùn)行，分QA13，再將UPS2轉(zhuǎn)為自動(dòng)運(yùn)行，所有負(fù)載由UPS2提供電源，分QA11，UPS1退出運(yùn)行，主機(jī)取出維修;當(dāng)UPS1故障排除后，按逆順序投入U(xiǎn)PS1。

檢修和維護(hù)：若UPS1計(jì)劃?rùn)z修和維護(hù)，可直接合GK1，使兩臺(tái)UPS在熱機(jī)冗余情況下運(yùn)行，分QA13、QA11開關(guān)（注意分合順序不能搞反），退出UPS1運(yùn)行，取出主機(jī)檢修。

故障解決方式：若UPS1和UPS2同時(shí)發(fā)生故障，UPS會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)為內(nèi)部旁路，此時(shí)合QA12、QA22，分QA13、QA23和QA11、QA21開關(guān)，退出UPS1和UPS2，改為市電供電模式。

從上面UPS冗余系統(tǒng)來看，運(yùn)行的穩(wěn)定性增強(qiáng)了，故障率低、供電方式更加靈活，檢修也方便，因此要比單UPS供電可靠性強(qiáng)，在非冗余情況下，組合方式多樣，也可提供單機(jī)運(yùn)行模式、市電運(yùn)行模式、電池供電模式，彼此獨(dú)立互不影響，可靠性大大提高。

該UPS不間斷電源并聯(lián)冗余系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，沒有公用的元器件，不會(huì)因?yàn)橐慌_(tái)UPS主機(jī)或元器件故障影響全部輸出;

（2）因并機(jī)運(yùn)行的每臺(tái)UPS功率、型號(hào)均一樣，內(nèi)部阻抗、輸出波形也一樣，在帶載運(yùn)行時(shí)基本上沒有環(huán)流，在空載時(shí)環(huán)流具有自平衡功能;

（3）線路簡(jiǎn)單、可以在線檢修、維護(hù)，也可脫機(jī)檢修UPS主機(jī)。

（4）因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一樣，備件成本低。

3 UPS雙機(jī)冗余系統(tǒng)運(yùn)行中的不足

我公司購(gòu)買多臺(tái)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的UPS，車間使用后反映效果良好，但在使用中也存在一些不足：

（1）由于故障時(shí)需要并聯(lián)運(yùn)行，故需要并聯(lián)運(yùn)行的UPS品牌、型號(hào)、參數(shù)一致，對(duì)于多品牌的使用增加了局限性;

（2）并機(jī)使用有環(huán)流存在，降低了運(yùn)行的穩(wěn)定性。

總之，在對(duì)UPS電源系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要結(jié)合使用工況、負(fù)載情況有針對(duì)性的選型設(shè)計(jì)，我們具有考慮可操作性、智能化，也要考慮投資成本、后期維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)還要考慮將來系統(tǒng)的擴(kuò)容，不要只顧眼前利益，對(duì)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的堆積或組合，避免投資費(fèi)用過大，又為達(dá)到預(yù)期要求，只有準(zhǔn)備充分、用心設(shè)計(jì)，就一定能設(shè)計(jì)出滿足自己需求、性價(jià)比高的UPS冗余系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]路華山.海南煉化生產(chǎn)控制系統(tǒng)UPS的應(yīng)用技術(shù)探討與改進(jìn)[J].電工技術(shù)，2010（03）.