船舶系統的UPS不間斷電源技術改進措施探討

倪豐田

摘? 要：船舶系統能夠有效保證船舶的正確航向，為船舶續航提供良好的技術支撐。在船舶各系統中，UPS不間斷電源技術是最為主要的技術，通過UPS不間斷電源技術方案，進一步提高船舶的運行通行能力，保證了船舶的安全性。文章主要通過對UPS不間斷電源改進優化相關的技術方案進行分析，全面提出散熱器結構、改進風道、模塊開關電源、改進印制板、改進測量電路、增加UPS斷電自動切換旁路功能等主要技術措施，以此，全面提高船舶設備散熱性，為船舶可靠安全運行提供技術支持。

關鍵詞：UPS;不間斷電源;可靠性;改進

中圖分類號：TM76 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）35-0096-02

Abstract： The ship system can effectively ensure the correct course of the ship and provide good technical support for the continuation of the ship. In all the systems of the ship， UPS uninterruptible power supply technology is the most important technology. Through the technical scheme of UPS uninterruptible power supply， the operation capacity of the ship is further improved and the safety of the ship is ensured. Based on the analysis of the technical schemes related to the improvement and optimization of UPS uninterruptible power supply， this paper comprehensively puts forward some main technical measures， such as radiator structure， air duct improvement， module switching power supply， PCB improvement， measurement circuit improvement， UPS power off automatic switching bypass function and so on， so as to comprehensively improve the heat dissipation of ship equipment and provide technical support for the reliable and safe operation of ships.

Keywords： UPS; uninterruptible power supply; reliability; improvement

引言

船舶與人們的生活密切相關，在經濟建設與社會生活中，承擔著重要的海上運輸功能，船舶運行需要良好的操作系統，以此，全面保證船舶能夠穩定安全運行。船舶運行系統較為復雜，在各種系統中，UPS不間斷電源則是運行系統的重要設備，通過整體系統的運轉，能夠進一步保障船舶的安全穩定，系統主要作用于船舶動力系統設備、船上生活保障設備、船舶通訊系統等，對各種重要的設備進行供電，使船舶能夠連續通行，保證了全程的安全。船舶航行時間長，設備使用頻率高，隨著設備使用頻率的不斷增加，相關的通訊、機電、動力等設備散熱性能就會不斷下降，整體設備的工作穩定性不好，功能大大降低，對于船舶安全穩定航行造成了一定的威脅，只有全面保證設備的先進性，才能為船舶運航提供科學的保障，同時，也能夠為船舶人員提供有力的生活支持，保證船上正常生活，使船舶能夠執行遠航任務，提升UPS不間斷電源系統功能，對船舶運行有著重要的意義。

1 UPS不間斷電源結構、功能及原理

1.1 UPS不間斷電源構成

UPS不間斷電源設備是一個整機系統，系統由4 套設備組成，不同的設備有著各自的功能作用，為船舶提供充足的電源，保證了船舶的連續航行。在四套設備中，每套的構成又包括如下部分，1臺不間斷電源、1臺隔離變壓器箱和3臺蓄電池箱，以此，全面保證了船舶的用電穩定，不間斷電源在長期的使用過程中，受到不同條件限制的影響，往往容易出現超溫報警、過流報警、自動切換旁路、輸出電壓波動等問題，嚴重影響到了船舶的安全，如果出現電源不穩定，就會造成系統的故障，船舶航行將受到一定的威脅，安全得不到保障。

1.2 UPS不間斷電源功能

UPS不間斷電源功能齊全，當前，改進樣機功能有了明顯的提高，在原來的基礎上，增加了很多新的功能，保證了船舶能夠安全可靠運行。功能性表現在UPS正常逆變供電、蓄電池放電充電、UPS自動旁路供電、手動旁路供電、UPS不間斷電源整機供電應急、報警和遠傳報警等功能，使船舶在系統的支持下，能夠保證良好的運行狀態。

1.3 供電技術原理

不間斷電源技術來自單相380V電源輸出至隔離變壓器箱，為船舶提供有效的電源。隔離變壓器箱前板工況選擇正常，此時，變壓器箱輸出未穩壓220V提供電能，電源輸出穩壓220V至隔離變壓器箱，開關轉接后，220V總輸出插座為船舶系統負載供電。隔離變壓器箱前板工況開關旁路，變壓器箱輸出未穩壓220V電壓，220V總輸出插座輸出負載，為船舶提供穩定的電源供應。

2 對UPS不間斷電源系統分析

2.1 蓄電池箱分析

蓄電池箱主要包括20塊串聯蓄電池，一般情況下，蓄電池能夠連續使用3～5年，在實際使用過程中，其一般不存在故障，很難出現中斷運行的問題，所以說，對電池不必改進，原有電池組就能夠維持良好的功能。

2.2 隔離變壓器箱分析

隔離變壓器箱是重要的電源輸出設備，主要包括隔離變壓器、工況轉換開關、斷路器等基本部件，進行實船使用的時候，發現這些部件非常可靠安全，但是，也存在一些小的問題，影響了系統的穩定性。一是UPS輸出失電情況。出現這樣的情況，系統則無法正常運行，會存在過失誤報的情況，要想全面解決好這個問題，就需要手動將隔離變壓器箱旁路轉換開關由“正常”切換到“旁路”，這需要一個過程，如果發現故障不及時，那么，就不利于系統及時反應，危及到船舶的運行安全。二是隔離變壓器運行不穩定。作為電源的供電設備，必須要穩定安全，才能為船舶提供電源，但作為供電轉換設備的變壓器，自身在使用過程中，功耗較大，長期運行后本身溫度將會不斷增加，達到了設計值上限要求，影響隔離變壓器壽命，對UPS整機散熱不利。所以說，變壓器箱需要全面進行功能提升，才能滿足現有需要，保證船舶安全航行。

2.3 不間斷電源分析

不間斷電源整體較為復雜，主要由電路元件、輔助電源、控制板、驅動板、旁路板、散熱器等各部分組成，這些部件容易出現老化陳舊的情況，特別是在條件惡劣的行船條件下使用，更增加了老化的時間，導致設備散熱性能降低，設備整體內部溫度升高，在實際運行過程中，往往會出現超溫報警、過流報警、自動切換旁路、輸出電壓波動等故障，嚴重影響到了船舶的運行安全。出現這樣的問題成因較多，一是設備使用過程中內部溫度增加，設備就會不穩定;二是雙層電路板設計，沒有單獨地線、輔助電源線，傳輸距離加長導致了噪聲疊加，電路干擾大穩定性下降;三是電壓波動。濾波器件性能降低，弱電信號容易出現干擾，出現了波動，則會導致監控異常、誤報警等故障。

通過以上的分析，我們看到，要想全面保證船舶的穩定運行，就需要不斷提高設備的性能，能夠技術改造，全面達到系統升級目標。不間斷電源主電路電子元件實船使用效果良好，性能穩定可靠，不需要進行改進，所以說，只有對不間斷電源散熱性能及輔助電源、控制板、驅動板、旁路板問題進行研究改進，就能夠大大提升系統運行效率，而主電路結構保持不變即可。

3 UPS不間斷電源改進基本原則

3.1 實用方便原則

UPS不間斷電源要全面遵循實用的改進設計原則，才能在科學的指導下，有效提高系統的功能，保證性能更加穩定。為便于實船使用、維修和更換，需要全面做好設計，使改進后設備基本形態不變，保持外部接口、外形尺寸、安裝尺寸與原設備完全相同，這樣，就能夠對舊部件進行更換，保證了方便性、實用性。

3.2 適度引進原則

現有設備一些基礎部件要保證性能，在此基礎上，進一步提高整機性能，那么，進行改進提高的過程中，一定要進行嚴格的分析，保留現有的成熟技術，以解決現有問題為主，做好系統的改進提高，避免引入技術進行改造時，再出現新問題和故障，給設備運行帶來安全隱患。

3.3 重點問題解決原則

原UPS存在許多問題，特別是溫度升高及測量電路、輔助電源電路問題是改進的重點，要通過科學的分析，合理開展重點問題的改進，首要考慮解決散熱問題，把散熱設計當成改造的重點任務來完成。

4 改進技術解決路徑

4.1 散熱器改進

散熱器改進是重點，通過對散熱裝置的技術改良，全面提高設備的運行穩定性，總散熱面積將會大大增加、風阻得到良好的降低，使整機設備散熱性能增加，保證了設備穩定性、安全性。在實際改進過程中，增加IGBT間距，降低功率密度，提高散熱性。通過技術分析，對散熱進行性能提高，改進后散熱器長270mm，比原來的增加40%，截面雖然還是原來的120mm×120mm，但在120mm高度方向安裝散熱片數量改成了24個，降低25%，通過這樣的改進，風道通暢、增加了總散熱面。三個IGBT模塊也提高了長度，IGBT模塊由50mm增加為80mm，降低了功率密度，提升導熱和散熱整體性能。

4.2 散熱風道設計改進

在實船應用過程中，貫通風道，提高風量、降低風阻，全面提高散熱性，進風口安裝一個可拆屏蔽波導網，這樣，也利于后期的維護與保養，進一步提高了設備長期使用過程中的散熱性能。

4.3 UPS電路改進

電路是保證電源傳輸的關鍵，要全面做好電路的設計，才能維護好系統的功能。一是增加自動切除/恢復熱敏電阻功能。對電路進行改進，全面采用繼電器控制熱敏電阻。對設備進行切除和恢復，這樣，就能夠全面解決熱敏電阻長期通電過熱問題，保證了系統的運行穩定性。二是改用H-LW98萬能轉換開關。H-LW98開關耐壓500V，能夠達到上限使用要求。三是提高熔斷時間。原來的短路保護差，熔斷器在UPS內，很難發現問題，用快速熔斷器代替原陶瓷熔斷器，提升保護力、方便維修。四是解決局部溫度較高的問題。進行改造后，則需要專門定制性能更加優良的輔助電源模塊系統，模塊交流220V和直流240V實現了雙路輸入，電壓紋波低于100mV，全金屬外殼、主要在通風口上方安裝，整體散熱性立刻得到了提升。五是解決接觸不良影響。如果接觸不良，則會出現UPS工作異常的情況，為了解決這個問題，則需要在本次改造中重點解決，通過科學的分析改良，改進后的UPS用3個螺釘鎖緊鍍金插件，總接插件由27個減為5個，保證了接觸良好。六是解決信號干擾問題。控制板與驅動板合并，電路板外形尺寸減少31%。用4層印制電路板替代原2層印制電路板，進一步提高信號抗干擾能力。

5 應用前景分析及結論

通過改進后的UPS不間斷電源樣機，能夠全面解決原有的問題，進一步提高了設備的散熱性，提高了抗干擾能力，同時，也通過配件的改進，解決了自兼容能力，通過改良后的設備，整體工作穩定、可靠，保證了電力的穩定供應。

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