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大型UPS的构成、工作原理及其应用

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随着计算机的普及和网络技术的飞速发展,使用安全可靠的电源已成为电子设计和工矿企业的自动化过程控制必须认真面对的重要课题。为了保证优质供电及避免因市电中断而造成损失,不间断电源系统(UPS)应运而生。

 

UPS电源是一种含有储能装置,以逆变为主要组成部分的恒压恒频电源设备。现以SAFT NIFT电源系统UPS901-220-105为例,介绍它的配置、原理及相关维护。

 

UPS系统配置

 

传统UPS由以下主要部分组成。

 

(1)整流器/充电器:向逆变器提供稳定直流电压,同时使辅助型蓄电池充电。

 

(2)逆变器:把来自整流器和蓄电池的直流电转换成交流电,提供一种高度稳定和洁净的电源。

 

(3)蓄电池:储存电能,向逆变器供电。

 

(4)静态开关:逆变器或蓄电池出现故障时,使负载从逆变器切换到旁路电源电力线。

 

整流器/充电器

 

三相电源经输入波动抑制器由空气开关连接到输入的隔离变压器上,使整流器产生满足蓄电池充电的直流电压,同时,向逆变器供电。该整流器/充电器是一个全自动6脉冲或12脉冲,即单宽脉冲或双窄脉冲可控硅三相全控桥电路。直流输出电压通过一个直流轭流圈平波,从而能够在蓄电池未连接的情况下运行UPS。直流电压通过接口插件由充电器控制单元传感,通过改变晶闸管的导通角将直流电压在满载范围内维持在规定的容限内。

 

逆变器

 

逆变器用于将直流电转换成所需电压和频率的交流电。

 

该逆变器应用的技术是带有晶体管电源开关的正弦波脉冲宽度调节技术(SPWM),采用晶体管全桥逆变,其电路具有以下特点:

 

①具有线性控制回路的PWM;

 

②可与高波峰因素负载相容;

 

③高/低压断开和自动重新启动;

 

④快速动态相应;

 

⑤防止短路;

 

⑥效率高。

 

由于其电路具有复杂的PWM的控制回路,使其输出波形好,谐波少,功率因数高。

 

当蓄电池电压“低”而负载“最大”时,调制电压在振幅方面几乎等于三角波,这意味着最大调制,因而意味着在脉冲序列电压方面的最大基波含量。

 

当蓄电池电压“最大”而负载为“零”时,调制电压非常小,意味着与载波相比的基波含量极低,几乎被消除,仅留下要由载波滤波器吸收的载波。

 

为了避免切换期间过量电流通过晶体管,在一个晶体管“断开”与另一个晶体管“接通”之间插入一个阻塞间隔。

 

当接通负载时,逆变器具有平稳启动和稳定启动功率的作用;在运行过程中逆变器具有优越的过载保护功能;当发生过载或短路故障的情况下,会发生从UPS到自动旁路线路的自动转换,以连续向负荷供电。故障隔离之后(通过断路器跳闸),UPS自动从旁路转回逆变器,为其它回路供电。

 

双静态开关

 

静态开关系统是带有两组反并联可控硅整流器的自然转换型电子开关。

 

由于标准“SAFT NIFE”UPS系统以“反向转换”方式操作,这意味着在正常工况下,静态开关从逆变器供给负载电流,仅在事故情况下,静态开关才自动无间断地把负载转移到旁路电源上,这时旁路电源与逆变器输出具有相同的频率和电压,即同步。

 

当静态开关传感到逆变器故障已经排除后,就能采用手动或自动方式将负载返回,转移到逆变器。这种转换是通过向逆变器可控硅整流器V20(静态开关)或旁路电源侧可控硅整流器V21外加选通信号实现的,如图2所示,为了避免电子开关两端的电压降,避免功率消耗,在电子开关导通后,利用触点K6或K7旁路电子开关。

 

静态开关把负载在逆变器和旁路电源之间切换通常是由来自逆变器的电源故障启动的,这种电源故障由下列情况造成:

 

①输出过载(例如电动机起动);

 

②排除故障(短路时保险丝熔断);

 

③手动切换。

 

在持续性过载的情况下,静态开关可能在逆变器与旁路电源之间来回摆动。为了避免这种情况,如果在4分钟之内已经发生了8次转换或在2分钟之内发生了4次转换,就使静态开关闭锁在旁路电源供电位置,保护逆变器。静态开关控制单元对逆变器的输出电压、旁路电源电压和系统输出电压都进行监测。

 

另外,为了便于UPS电源使用和维护,在电路中设计了一个手动旁路开关,当切换到“旁路”位置时,实现了无电压隔离而不中断向负载供电,从而可以对UPS进行停电检修。

 

完善的报警系统

 

UPS具有完善的声光报警系统,能通过接口电路引至DCS,实现集中报警,有利于及时发现和处理UPS故障。

 

凡是UPS正常运行的任何条件不能满足或有异常情况时,都能给出报警,在控制盘上至少有一个红色发光二极管通电发亮。

 

例如可控硅整流器温度过高或已经过高(90℃),逆变器晶体管温度过高或已经过高(90℃)等均发出报警,100℃将停止工作。

 

为降低设备内部温度,最有效的方法就是强烈通风。

 

运行维护及故障处理

 

(1)借大修机会,对UPS进行一次空载调试。共作了两项测试:

 

①模拟整流器失电;

 

②模拟整流器失电的同时使蓄电池失电。

 

测试过程中,UPS均能按程序要求正确转换,所有功能均正常。

 

随着大修的进行,UPS开始带上负荷,向DCS及自动化仪表供电。

 

由于外电网系统不稳定,为UPS供电的Ⅰ段进线突然失电,而旁路电源所在的Ⅱ段进线早已停电检修。这时UPS也停止了运行,幸亏没有开车,否则后果不堪设想。

 

刚刚调试正常的系统怎么就不能转换到由蓄电池供电呢?

 

为了弄明白UPS非正常停车的原因,当Ⅰ段进线恢复后,启动UPS,带上正常负荷后,使所带负荷做好停电准备。带负荷再做一次测试,以观察UPS的转换过程,查找UPS停机原因。

 

当带上负荷的UPS再次失电时,UPS开始向蓄电池供电转换,共转换了两次,均不成功,最后还是停机了。

 

FY-54型蓄电池测试仪对蓄电池进行逐节测量,结果发现有一节蓄电池的容量严重不足,但用万用表测量时其电压正常。

 

至此,UPS转换失败的原因已基本搞清楚了,是蓄电池故障造成的。在UPS空载调试时,蓄电池的电压和容量都能满足UPS的需要,使其正常转换;但带负荷运行时,其容量就不能满足负荷需要,正是由于蓄电池的不堪重负,才造成转换失败。

 

用一新的蓄电池替换故障蓄电池后(临时措施),重新调试,一切正常。

 

(2)每次停车检修时都要对UPS进行一次全面的清扫和紧固。

 

一次大修时,正常运行的UPS停机清扫和紧固后,不能正常起动,报警系统报“逆变器故障”。

 

由于停车前逆变器一直在运行,其故障的可能性很小,经分析后认为故障可能在控制回路中。

 

经仔细检查,发现在清扫时不小心碰到了一块逆变器控制卡,使其接触不好。

 

把所有集成线路板全部检查一遍并使之复原后,顺利启动。

 

(3)为了保证设备内部电子元件的正常通风和散热,每隔两年需要把全部风扇更换一次。

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