應(yīng)用于石化領(lǐng)域的UPS不間斷電源裝置研究

摘要：UPS不間斷電源裝置是一種含有儲(chǔ)能單元，以整流單元和逆變單元為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源，在石化領(lǐng)域?yàn)樘貏e關(guān)間的控制系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)或安全系統(tǒng)等提供穩(wěn)定的、高質(zhì)量交流電能。本文主要介紹了在工業(yè)中選用的UPS不間斷電源裝置的主要組成部分，以及各部分的功能和特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：UPS不間斷電源裝置;電能質(zhì)量;化工領(lǐng)域

引言：電源是一切用電設(shè)備運(yùn)行的基礎(chǔ)，在石化領(lǐng)域中和安全生產(chǎn)相關(guān)的重要負(fù)荷，如果由于浪涌、頻率變化、持續(xù)的過壓或者欠壓，甚至電源中斷等因素影響了設(shè)備的正常運(yùn)行，就有可能造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患，因此連續(xù)的高質(zhì)量供電就顯得尤為重要。普通的雙電源切換裝置從切換速度到可靠性，均不能滿足工業(yè)要求，所以能夠?qū)崿F(xiàn)零秒切換，并自帶蓄電池的UPS不間斷電源裝置，在化工領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

概述

UPS不間斷電源裝置是內(nèi)部含有蓄電池儲(chǔ)能，并以整流電路和逆變電路為主要組成部分，用于提供不間斷、高質(zhì)量交流電能的一種電源設(shè)備。UPS不間斷電源裝置的另一個(gè)優(yōu)勢是可以過濾掉影響電能質(zhì)量的負(fù)面因素，例如電壓偏差、頻率變化等，為用電的設(shè)備提供純凈的正弦電。同時(shí)，裝置采用靜態(tài)開關(guān)，能夠在市電消失后，將電源高速切換到蓄電池供電系統(tǒng)中，保障供電的連續(xù)性，使重要設(shè)備可以不間斷運(yùn)行。化工領(lǐng)域中使用的UPS不間斷電源裝置中，所有功率變換器（諸如可控硅整流器、IGBT逆變器等）和系統(tǒng)元件（諸如旁路和逆變器的靜態(tài)開關(guān)）都是由工業(yè)級CPU控制，運(yùn)行中的可靠性得以進(jìn)一步加強(qiáng)。

UPS不間斷電源的組成

2.1 整流器模塊

整流器模塊的功能是把輸入的三相三線制交流電源轉(zhuǎn)換成為直流電源，為后續(xù)的逆變器及蓄電池供能。整流器模塊可以提供四種充電模式：初充、均充、浮充和涓流充電，當(dāng)交流電源接通后，整流器模塊自動(dòng)啟動(dòng)，充電模式間可進(jìn)行自動(dòng)切切換。目前石化領(lǐng)域中的UPS不間斷電源裝置通常選擇使用可控硅作為整流器模塊的主要元件，主要是因?yàn)榭煽毓杩梢猿惺芗s20倍的浪涌電流，具有很好的抗電網(wǎng)沖擊能力。

2.2 逆變器模塊

逆變器模塊的功能是將輸入的直流電源轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的交流電源供負(fù)載使用，主要元件采用IGBT。當(dāng)整流器模塊工作正常時(shí)，逆變器模塊接收來自整流器模塊的直流電源;當(dāng)整流器模塊失效時(shí)，逆變器模塊使用來自電池組的直流電源。逆變模塊具有過負(fù)荷保護(hù)和短路的限流功能，為UPS不間斷電源裝置中的元件提供保護(hù)。逆變器模塊輸出的交流電會(huì)始終跟蹤旁路電源的相位，從而使輸出電源和旁路電源始終保持同步，避免了電源切換過程可能產(chǎn)生的沖擊。

2.3 靜態(tài)旁路開關(guān)

靜態(tài)旁路開關(guān)為無觸點(diǎn)開關(guān)，由晶閘管開關(guān)器件構(gòu)成，用作對市電和逆變器供電之間進(jìn)行切換，快速晶閘管的反應(yīng)時(shí)間是微秒級的，因此能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)換時(shí)間為零的不間斷供電。

正常工作時(shí)，由逆變器模塊給負(fù)載供電，旁路電源加在靜態(tài)旁路開關(guān)的輸入端，靜態(tài)旁路開關(guān)處于斷開狀態(tài)。當(dāng)逆變器模塊失效或系統(tǒng)過負(fù)荷時(shí)，靜態(tài)旁路開關(guān)首先接通，逆變器模塊輸出電源和旁路電源同時(shí)供給負(fù)載，當(dāng)靜態(tài)旁路開關(guān)可靠接通后，再斷開逆變器模塊，這種“先通后斷”技術(shù)，確保了供電不會(huì)出現(xiàn)中斷，實(shí)現(xiàn)零秒切換。當(dāng)逆變器模塊恢復(fù)正常、輸出穩(wěn)定的電源后，逆變器模塊首先接通，輸出的電源和旁路電源同時(shí)供給負(fù)載，然后靜態(tài)旁路開關(guān)再斷開，同樣采用“先通后斷”技術(shù)，確保供電不會(huì)中斷。

2.4 手動(dòng)旁路開關(guān)

手動(dòng)旁路開關(guān)主要為試驗(yàn)和維修目的而設(shè)置，可以將UPS不間斷電源裝置進(jìn)行隔離。手動(dòng)旁路開關(guān)采用凸輪開關(guān)，電源與靜態(tài)旁路開關(guān)引自同一電源，有三個(gè)操作檔位：正常、維修和旁路。當(dāng)處于“旁路”位置時(shí)，可以在通過手動(dòng)旁路開關(guān)給負(fù)載供電的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對主機(jī)進(jìn)行停電維修。

2.5 蓄電池

蓄電池作為備用電源，是UPS不間斷電源裝置的重要組成部分。在石化項(xiàng)目中最常使用的有閥控式鉛酸蓄電池和開啟式鎳鉻蓄電池。蓄電池儲(chǔ)存電能，其容量的大小決定了應(yīng)急供電的時(shí)間。隨著技術(shù)的發(fā)展，蓄電池的使用壽命也得到了明顯的延長，在溫度適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中，目前工業(yè)中使用的蓄電池壽命都可以在10年以上。

2.6 遠(yuǎn)程信號(hào)模塊

UPS不間斷電源裝置配有遠(yuǎn)程信號(hào)模塊，信號(hào)模塊包括光電隔離輸入通道和無源觸點(diǎn)輸出通道，并可通過編程定義每一路通道的含義。同時(shí)，裝置還可以通過多種總線方式和通訊協(xié)議與遠(yuǎn)端管理系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)傳輸，將裝置的運(yùn)行狀態(tài)、逆變器的工作方式、旁路位置、電池的電壓和電量以及充電完成時(shí)間等信息傳送至遠(yuǎn)方有人值守的控制室，使工作人員可以時(shí)刻掌握裝置的各項(xiàng)參數(shù)。同時(shí)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障、輸出的交流電不正常，或者有過負(fù)荷等狀況時(shí)，裝置還可以主動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員盡快進(jìn)行處理，保證設(shè)備的健康運(yùn)行。

2.7 顯示操作單元

UPS不間斷電源裝置配有顯示操作單元，此單元可與其它功能模塊進(jìn)行通訊、交換信息。LCD顯示屏除中文外，還內(nèi)置數(shù)種語言，可記錄多達(dá)數(shù)百條信息。工作人員可以通過顯示屏了解設(shè)備的工作狀態(tài)，例如整流器、靜態(tài)旁路的輸入輸出參數(shù)，電池的溫度、容量和后備時(shí)間等信息。通過面板上的控制按鈕，工作人員也可以對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

UPS不間斷電源主要特點(diǎn)

UPS不間斷電源裝置可以接受寬泛的電源輸入，一般在400VAC±10%的電壓范圍，50Hz±10%的頻率波動(dòng)，以及注入的總電流諧波含量小于8%時(shí)，裝置均可以正常工作。

UPS不間斷電源裝置輸出電能質(zhì)量高。逆變器模塊輸出的靜態(tài)電壓偏差能保持在額定輸出電壓的±1%以內(nèi)。在瞬時(shí)100%額定輸出負(fù)荷變化情況下，動(dòng)態(tài)輸出電壓的變化不超過±3%允差范圍，逆變器模塊輸出電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間一般可以控制在 2毫秒內(nèi)，頻率偏差小于±0.1%，電壓失真小于3%.

整流器模塊、逆變器模塊、靜態(tài)旁路開關(guān)采用三塊獨(dú)立的控制板分別控制，三塊控制板之間通過可以保持通訊、交換數(shù)據(jù)，當(dāng)某一塊控制板出現(xiàn)故障時(shí)，不影響整體裝置的運(yùn)行。

UPS不間斷電源裝置越來越多的采用模塊化元件組成，每種功能由多個(gè)相同的元件和模塊共同實(shí)現(xiàn)，相同的元件和模塊可互換，這就為減少備品備件，簡化維護(hù)和修理提供了便利。同時(shí)，其主要元件和模塊采用物理隔離，降低了內(nèi)部短路的危險(xiǎn)并限制了故障的擴(kuò)大。

結(jié)語

在石化項(xiàng)目中，如果DCS、SIS或火災(zāi)消防等重要系統(tǒng)，受到電壓變化、頻率波動(dòng)、或者斷電等因素影響而無法正常運(yùn)行，將會(huì)使生產(chǎn)中斷，造成經(jīng)濟(jì)損失。而與此帶來的安全隱患，有可能造成更嚴(yán)重的人員傷亡。所以可以提供高質(zhì)量、連續(xù)的電能，同時(shí)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、傳輸功能的UPS不間斷電源裝置已經(jīng)在石化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)的制定，工業(yè)中使用的UPS不間斷電源裝置對元件和結(jié)構(gòu)的要求也越來越高，裝置本身的可靠性得到了保證。

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作者介紹：

張曉笛（1984.7.31），性別：女;籍貫：北京;民族：漢族;學(xué)歷：本科;職稱：電氣工程師：職務(wù)：電氣工程師：研究方向：石油化工電氣設(shè)計(jì);單位：福陸（中國）工程建設(shè)有限公司5AD877A6-E56F-4BEB-B9AA-A41F86D6C4A8