UPS負(fù)載與選型

喬蘭

(中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司PTA生產(chǎn)中心，江蘇儀征 211900）

設(shè)備改造

UPS負(fù)載與選型

喬蘭

(中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司PTA生產(chǎn)中心，江蘇儀征 211900）

分析所在單位UPS的負(fù)載特性、負(fù)荷類型，電路中諧波電流產(chǎn)生的原因及對(duì)UPS運(yùn)行的影響，對(duì)UPS運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出了改進(jìn)措施和建議。

不間斷電源諧波濾波器逆變器

UPS是一種含有儲(chǔ)能裝置，以逆變器為主要元件，穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的電源保護(hù)設(shè)備。當(dāng)市電正常輸入時(shí)，UPS就將市電穩(wěn)壓后供給負(fù)載使用，同時(shí)對(duì)機(jī)內(nèi)電池充電，把能量?jī)?chǔ)存在電池中;當(dāng)市電中斷(事故停電）或輸入故障時(shí)，UPS將機(jī)內(nèi)電池的能量轉(zhuǎn)換為220 V交流電繼續(xù)供負(fù)載使用，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞。UPS電源設(shè)備種類較多，輸出功率為500 VA～3 000 kVA。

在電力系統(tǒng)中，為了保證對(duì)供電可靠性要求較高的重要設(shè)備能正常工作，發(fā)電廠、變電站均應(yīng)安裝UPS。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)容量要求也越來越大，大容量的UPS都是三相的，因此對(duì)三相UPS的需求也逐漸增多。

筆者根據(jù)所在單位負(fù)載的具體情況及使用要求對(duì)UPS的選型進(jìn)行了分析。

1 UPS工作原理

1.1 UPS充電電路

大容量UPS的充電電路，一般采用晶閘管作為整流元件，這是因?yàn)榇笕萘縐PS充電器的輸出電壓一般高達(dá)幾百伏，充電電流為幾十安培。在大功率UPS中一般都將充電器和整流器合二為一，雖然這使得其控制電路較為復(fù)雜，但由于大功率UPS本身造價(jià)較高，控制電路設(shè)計(jì)得稍微復(fù)雜一些并不會(huì)明顯增加成本。圖1～3所示為大、中型UPS系統(tǒng)框圖、三相橋式全控整流電路和大功率UPS中的充電器方框圖。

由圖中可以看出，此充電器分為3個(gè)主要部分，即三相橋式全控整流器，由V1～V6和濾波電感L1、L2組成;采樣電路，其功能是對(duì)三相輸出的充電電壓和電流進(jìn)行采樣，然后將采樣的結(jié)果送到控制電路;控制電路的功能是根據(jù)采樣電路送來的電壓和電流信號(hào)去控制三相橋式全控整流器，以調(diào)整其輸出電壓和充電電流。該電路的充電曲線如圖4所示。為恒壓充電，其充電電流由決定;蓄電池經(jīng)過一段時(shí)間的恒壓充電，當(dāng)其端電壓上升到某一值時(shí)就轉(zhuǎn)為浮充充電。(式中:IB為充電電流; Uch為恒壓充電期間的充電電壓;UB為電池組端電壓;r為蓄電池組內(nèi)阻和線路電阻之和。）

圖1 大、中型UPS系統(tǒng)框圖

圖2 三相橋式全控整流電路

圖3 三相橋式全控整流充電電路框圖

圖4 大容量UPS充電曲線

充電初期的充電電流IB，max，對(duì)于鉛酸蓄電池為0.1 C，對(duì)鎳鎘蓄電池為0.2 C。

1.2 UPS逆變電路

三相橋式逆變電路是中、大容量UPS逆變器的基本電路，這里以三相橋式逆變電路為例，如圖5所示，它是由直流電源E、3塊兩單元晶體管模塊S1～S6、輸出變壓器T組成。市電正常供電時(shí)，直流電源E由整流電路提供，市電中斷時(shí)，直流電源由蓄電池提供。輸出變壓器初級(jí)接成三角形，次級(jí)接成星型。

S1～S6的基極b1～b6分別加上正弦脈寬觸發(fā)信號(hào)，其波形如圖6所示。工作過程如下:

在t0～t1期間，ub1＞0，ub6＞0，ub5＞0，ub2=0，ub4=0，ub3=0，S1，S6，S5導(dǎo)通，S2，S3，S4截止。3個(gè)導(dǎo)電臂中均有晶體管導(dǎo)通，二極管不通，負(fù)載從直流電源中獲取能量。

在t1～t2期間，ub1＞0，ub3＞0，ub5＞0，ub2=0，ub4=0，ub6=0。3個(gè)導(dǎo)電臂中，2個(gè)晶體管導(dǎo)通，1個(gè)二極管導(dǎo)通。若負(fù)載電感L比較大，變壓器儲(chǔ)存能量比較多，維持D3導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng);反之，維持D3導(dǎo)通時(shí)間短。

在t2～t3期間，ub1＞0，ub5＞0，ub6＞0，ub2=0，ub3=0，ub4=0。3個(gè)導(dǎo)電臂中，3個(gè)晶體管導(dǎo)通。兩相負(fù)載均從電源E獲取能量。

該曲線表明，大功率UPS的充電分為3個(gè)階段:初期由于電池放電后損失較大，急需補(bǔ)充，故需充電電流較大，如不限流就會(huì)嚴(yán)重影響蓄電池的使用壽命，故這一階段為恒流充電;當(dāng)電壓到達(dá)設(shè)計(jì)值(一般為浮充電壓，每個(gè)電池單元為2.25 V）時(shí)就轉(zhuǎn)

圖5 三相橋式逆變電路

輸出波形uAB如圖6所示。由圖看出:

a）變壓器初級(jí)、次級(jí)輸出三組互差120°的正弦脈寬調(diào)制波;

b）輸出u0脈沖頻率是驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖頻率的兩倍;

c）逆變器具有3種工作模式:

第1種工作模式:3個(gè)晶體管導(dǎo)通，二極管不導(dǎo)通;

第2種工作模式:2個(gè)晶體管導(dǎo)通，1個(gè)二極管導(dǎo)通;

第3種工作模式:1個(gè)晶體管導(dǎo)通，2個(gè)二極管導(dǎo)通。

圖6 三相橋式逆變電路主要波形

2 負(fù)載類型

大型UPS中廣泛應(yīng)用三相橋式全控整流電路，如圖2所示。內(nèi)取平均值即可。在三相星形接法的電路中，線電壓較其相應(yīng)的相電壓超前30°。現(xiàn)將線電壓Uab的零點(diǎn)作為新坐標(biāo)的原點(diǎn)，即比原來以相電壓Ua零點(diǎn)的坐標(biāo)提前30°。因此在新坐標(biāo)上，自然換相點(diǎn)的位置在ωt=π/3處。

2.1 電阻性負(fù)載

a）當(dāng)0≤α≤π/3時(shí)，Ud=2.34U2cosα=1.35 U2Lcosα

式中:U2—變壓器T次級(jí)相電壓;

U2L—次級(jí)線電壓。

b）當(dāng)π/3＜α＜2π/3時(shí)，整流只能在正半周進(jìn)行，故

Ud=2.34U2［1+cos(π/3+α）］

當(dāng)α=2π/3時(shí)，Ud=0，從公式亦可看出電阻負(fù)載的最大移相范圍是120°。

2.2 電感性負(fù)載

對(duì)于電感性負(fù)載，由于電流是連續(xù)的，晶閘管的導(dǎo)通角總是2π/3，上式的積分上限可以超過π，仍為(2π/3）+α，故

Ud=2.34U2cosα=1.35U2Lcosα

可見電感性負(fù)載時(shí)的最大移相范圍為90°。

當(dāng)控制角α=0時(shí)，其工作過程與三相橋式不控整流電路相同，在自然換相點(diǎn)換相。當(dāng)控制角α＞0時(shí)，每個(gè)晶閘管都從自然換相點(diǎn)向后移α角開始換相。不管α為何值，電壓Ud都是線電壓的一部分。所以，從線電壓入手計(jì)算Ud更簡(jiǎn)單，由于Ud波形每隔60°重復(fù)一次，Ud的計(jì)算只要在π/3范圍

3 筆者單位UPS類型

筆者單位原采用的是梅蘭日蘭生產(chǎn)的GALAXY-1000PW在線式單相UPS電源，容量80 kVA，交流380 V輸入(In=131 A），交流220 V輸出(In= 365 A）。

圖7 UPS系統(tǒng)圖

整流/充電器模塊(A）將電源1(Mains 1）提供的三相交流電變換成直流電用于逆變器的正常輸入和給電池進(jìn)行浮充電或強(qiáng)充電，電池單元(D）在電源1超限或停電情況下為逆變器提供后備電源，逆變器模塊(B）將整流/充電器或電池單元提供的直流電變換成交流電輸出供給負(fù)載，靜態(tài)旁路模塊(C）保證在逆變器停機(jī)(由用戶操作或保護(hù)裝置引起）或突然過載的同時(shí)將負(fù)載切換到電源2(Mains 2），維修旁路用于維修時(shí)將UPS進(jìn)行隔離，并將負(fù)載無間斷切換到電源2的旁路輸入。只有系統(tǒng)安裝了電源2才可能進(jìn)行維修旁路的操作。它將通過維修旁路開關(guān)Q3BP直接將電源2供給負(fù)載，從而保證在系統(tǒng)功能故障時(shí)的高度安全性。開關(guān)的操作步驟必須嚴(yán)格按照以下的步驟進(jìn)行操作:

a）停止所有正在運(yùn)行的逆變器;

b）閉合維修旁路開關(guān)Q3BP;

c）斷開逆變器輸出開關(guān)Q5N;

d）斷開電源2的輸入開關(guān)Q4S。

要回到正常狀態(tài)，必須按照相反的步驟操作以上開關(guān)。維修旁路通過3個(gè)手動(dòng)開關(guān)(Q3BP、Q4S和Q5N）實(shí)現(xiàn)負(fù)荷供電不間斷切換。

當(dāng)UPS的逆變器輸出電壓與市電交流旁路電源電壓處于鎖相同步工作狀態(tài)時(shí)，在需要執(zhí)行從交流旁路供電至逆變器供電切換操作前，用戶可通過仔細(xì)調(diào)節(jié)UPS逆變器的輸出電壓，使它的輸出電壓值等于交流旁路電源電壓或者使逆變器的輸出電壓稍高于交流旁路電源電壓(一般控制在5～10 V左右）。主控板首先向逆變器的輸出接觸器發(fā)出閉合操作命令，在此階段將會(huì)出現(xiàn)由交流旁路電源和逆變器同時(shí)向負(fù)載供電的狀況，以確保對(duì)負(fù)載的不間斷供電。在執(zhí)行上述同步切換操作時(shí)，很難滿足這兩種交流電源間的瞬態(tài)電壓差一直為零。因此，總會(huì)有一個(gè)或大或小的環(huán)流在這兩種電源之間流動(dòng)，該環(huán)流的大小可通過專門的電流檢測(cè)電路來進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控?？刂齐娐肥窃陔娏鬟^零點(diǎn)上將處于交流旁路通道上的靜態(tài)開關(guān)中的晶閘管關(guān)斷，然后UPS才進(jìn)入由逆變器供電的正常工作狀態(tài)。采用這種“先合后斷”的切換控制方式，可以確保上述兩種交流電源產(chǎn)生重疊向負(fù)載供電的最長(zhǎng)時(shí)間，被控制在50 Hz的半個(gè)周波之內(nèi)(即小于10 ms）。當(dāng)UPS在運(yùn)行過程中，如果遇到輸出過載、短路、逆變器故障或用戶人為地關(guān)閉逆變器情況之一時(shí)，由控制電路在向逆變器本身及位于逆變器供電通道上的輸出接觸器發(fā)出“關(guān)斷”命令信號(hào)的同時(shí)，也向位于交流旁路通道上的靜態(tài)開關(guān)發(fā)出“閉合”命令。此時(shí)，由于輸出接觸器的關(guān)斷響應(yīng)時(shí)間較慢(大約為80～100 ms），而靜態(tài)開關(guān)中的快速晶閘管開通時(shí)間很短(幾微秒至十幾微秒）的緣故，當(dāng)靜態(tài)開關(guān)閉合時(shí)，接觸器尚未真正釋放，所以此時(shí)向負(fù)載提供能量的電源有逆變器輸出濾波電容上的殘余電壓(因?yàn)榇藭r(shí)的逆變器已處于自動(dòng)關(guān)機(jī)狀態(tài)之中）及市電交流旁路電源。這段時(shí)間大約要持續(xù)20 ms左右。此后，負(fù)載則完全由市電交流旁路電源供電了。

4 存在問題

a）UPS有2路電源進(jìn)線均來自G3站，2路進(jìn)線開關(guān)型號(hào)均為NZMS6-160/ZM6-160，其中電源2進(jìn)線開關(guān)整定值100 A，單相輸出，該開關(guān)在當(dāng)初選型時(shí)存在失誤，容量遠(yuǎn)小于UPS額定電流365 A。DCS UPS靜態(tài)旁路隔離空開Q4S、負(fù)載空開Q5N、維修旁路空開Q3BP均為250 A空開，均為4極開關(guān)采用兩極并聯(lián)輸出AC220 V。

2007年UPS逆變器輸出側(cè)電容曾發(fā)生短路，逆變器顯示故障，UPS電源自動(dòng)切靜態(tài)旁路供電。電源2通過630 A快速熔斷器仍與短路的電容處于連通狀態(tài)，因短路故障點(diǎn)未消除，UPS逆變器與靜態(tài)旁路之間來回切換2次失敗后，短路電流將630 A快速熔斷器燒斷后，又自動(dòng)切換到電源2供電，因電源2進(jìn)線開關(guān)已受到2次短路電流沖擊，且逆變器單相輸出銘牌額定值為365 A，帶負(fù)載切換時(shí)瞬間峰值電流達(dá)400 A，遠(yuǎn)超過電源2進(jìn)線開關(guān)整定值，當(dāng)再次熱態(tài)啟動(dòng)帶負(fù)載2 s后電源2進(jìn)線開關(guān)AA-52-C過載跳開，造成UPS所帶負(fù)載全部失電。

b）筆者單位UPS所帶負(fù)載為工藝控制室操作臺(tái)、DCS電源，因DCS負(fù)荷特性不好，電流諧波很高，峰值因素達(dá)4.2～4.8，UPS逆變器額定值為365 A，正常運(yùn)行電流為100 A左右，在負(fù)載發(fā)生瞬間較大過載的情況下，多次導(dǎo)致整個(gè)UPS跳停、裝置停車。

5 原因分析及改進(jìn)

在理想的供電系統(tǒng)中，電流和電壓都是正弦波的。在實(shí)際的供電系統(tǒng)中，由于有非線性負(fù)荷的存在，當(dāng)電流流過與所加電壓不成線性關(guān)系時(shí)，就形成非正弦電流。負(fù)載電流由高次諧波疊加合成，諧波頻率是基頻的整倍數(shù)，例如基頻為50 Hz，二次諧波為100 Hz，三次諧波則為150 Hz。因此畸變的電流波形可能有二次諧波、三次諧波……又由于整流性負(fù)載的電流波形是以Y軸對(duì)稱，所以諧波電流只有奇次分量。

負(fù)載類型一般可分為電阻性、電感性、電容性等線性負(fù)載與內(nèi)含整流電路的非線性負(fù)載(又稱整流性負(fù)載）。電腦及其外圍設(shè)備多為非線性負(fù)載。UPS適用于電阻性負(fù)載及帶容性的整流性負(fù)載。

感性、容性負(fù)載等非線性負(fù)載啟動(dòng)都有沖擊電流，電腦等整流性負(fù)載即使是在正常運(yùn)行時(shí)，其峰值因數(shù)也有2～3，即電流的峰值為其有效值的2～3倍，因此在選用UPS時(shí)應(yīng)考慮到這一特性，應(yīng)給UPS留一定的余量。對(duì)于某些功率因數(shù)較低的感性負(fù)載如空調(diào)機(jī)等，因其啟動(dòng)電流相當(dāng)大，可達(dá)其額定值的5～7倍，并且頻繁啟動(dòng)，因此一般中小型UPS不適用，除非留有足夠的余量。

為避免越級(jí)跳閘以及高次諧波電流的影響，筆者認(rèn)為UPS需作如下改進(jìn):

a）電源2進(jìn)線空開選型過小，因受開關(guān)柜空間限制，將160 A空開單相輸出改為160 A空開三相并聯(lián)輸出，增加其承載能力;

b）電容的壽命為5～7年，因筆者單位負(fù)載特性不好影響電容壽命，現(xiàn)定為4～5年定期更換電容，具體時(shí)間間隔取決于停車時(shí)間;

c）將UPS控制柜由單相80 kVA改為三相120 kVA，并將負(fù)荷平衡分配，降低電流諧波的影響，保證生產(chǎn)安全穩(wěn)定;

d）完善UPS失電預(yù)案，盡量縮短DCS恢復(fù)時(shí)間。

6 結(jié)語

用戶可根據(jù)負(fù)載的具體情況及使用要求進(jìn)行選擇，通常大功率的UPS(100 kVA以上）都是三相輸入/三相輸出;中、小功率的UPS(30 kVA以下）均為單相輸入/單相輸出。三相輸出電源設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高，因此在滿足負(fù)載要求的情況下(通常情況下負(fù)載均為單相），宜優(yōu)先選擇單相輸出的UPS;對(duì)三相輸入來說，有些負(fù)載的工作電流較大，且要求電流波動(dòng)小，這時(shí)可選擇三相電源輸入的UPS，可使系統(tǒng)工作狀態(tài)更加穩(wěn)定。采用三相輸出時(shí)，UPS必須具備在短期內(nèi)各相100%不平衡情況下正常工作的能力。筆者單位PTA2#裝置DCS-UPS容量屬于大功率范疇，且負(fù)荷特性不好，電流諧波很高，峰值因素達(dá)4.2～4.8，宜選用三相UPS輸出。

現(xiàn)采用梅蘭日蘭三相120 kVA UPS，運(yùn)行至今已有3年，運(yùn)行平穩(wěn)，未再發(fā)生任何故障，確保了現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)。

［1］王林兵，何湘寧.UPS逆變器控制方法比較分析［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2005，1:45－50.

［2］陳一逢.三相大功率UPS系統(tǒng)諧波分析、調(diào)查及治理［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2008，5.

UPS load and selection

Qiao Lan

(The PTA production center of Yizheng Chemical Fiber，SINOPEC，Yizheng Jiangsu 211900，China）

Analysis the characteristics of UPS load，and the load type in the PTA production center，analysis harmonic current in the circuit causes and impact of the UPS running，describe the status of the UPS operation，provide the proposed improvements and recommendations

UPS;harmonic;filter; inverter

TP303.3

B

1006-334X(2012）01-0056-05

2011－12－28

喬蘭(1970－），江蘇泰興人，工程師，主要從事電氣技術(shù)管理工作。