UPS電源應(yīng)用分析

1 UPS電源設(shè)備的發(fā)展

不間斷電源(Uninterruptible Power System簡稱UPS)從60年代的動態(tài)UPS到今天的靜態(tài)UPS已走過了30多年的路程。60年代的UPS是采用柴油機—電動機—發(fā)電機組來實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換，平時由市電驅(qū)動電動機，再由電動機帶動發(fā)電機向負載供電。當市電停電時，控制電路切斷市電線路和電動機，利用飛輪的慣性，使發(fā)電機組繼續(xù)供電，同時立即啟動柴油機，當柴油機的轉(zhuǎn)速與發(fā)電機轉(zhuǎn)速相同時，柴油機離合器與發(fā)電機聯(lián)上，完成由市電到柴油發(fā)電機的切換，這種不間斷電源稱為旋轉(zhuǎn)型不間斷電源，也叫動態(tài)不間斷電源或動態(tài)UPS。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，1960年以后，采用了大功率逆變技術(shù)和強電流電子開關(guān)來實現(xiàn)大功率的電能轉(zhuǎn)換。這種電能轉(zhuǎn)換電路，不論是主電路還是其他控制電路，均采用半導(dǎo)體固體器件，故稱固態(tài)不停電電源或靜止型不停電電源，簡稱靜態(tài)UPS。

靜態(tài)UPS的歷史雖然不長，但發(fā)展速度很快，近兩年的UPS比80年代初期的UPS有了很大發(fā)展。在功率結(jié)構(gòu)方面，進入90年代，IGBT技術(shù)已成為近幾年UPS的發(fā)展趨勢。在控制技術(shù)方面，80年代的UPS主要是采用模擬控制，它是利用有限的微處理器技術(shù)，輔助于模擬量的反饋回路，以其采樣值與設(shè)定的參數(shù)值比較而生成一個誤差信號，并去周期性修正驅(qū)動回路，以求得穩(wěn)定之輸出，這就是最初級的最簡單的PWM技術(shù)之功能。進入90年代，數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)，即采用軟件編程方式。這種控制方式使元器件更精少，硬件線路更簡化，可靠性更高，瞬態(tài)反應(yīng)能力更強。而IGBT應(yīng)用于大容量UPS后，使整體系統(tǒng)的效率更高(逆變器效率可達98％～99％)，開關(guān)速度更快，輸出波形更好，諧波更小(小于1％～2％)，噪音降低，控制回路更簡單。

靜態(tài)UPS的基本框圖如圖1所示。

圖1 靜態(tài)在線式UPS結(jié)構(gòu)框圖

隨著開關(guān)器件水平的提高和計算機技術(shù)的發(fā)展，UPS正在向智能化的方向發(fā)展，也就是借助于計算機技術(shù)，充分利用硬件和軟件的各自特點，使UPS智能化。智能化的UPS不僅能夠完成普通UPS所能完成的全部工作，還能對運行中的UPS進行監(jiān)測，隨時將采樣點的狀態(tài)信息送人計算機進行處理，一方面獲取UPS運行的有關(guān)參數(shù)，另一方面監(jiān)視電路中各部分的狀態(tài)，從中分析電路的工作是否正常。當UPS發(fā)生故障時，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，進行故障診斷，指出故障的部位，給出處理方法，自動顯示監(jiān)測參數(shù)，自動記錄有關(guān)異?；蚬收系男畔?。智能化的UPS除完成正常的控制工作外，還能在UPS發(fā)生故障時，采取必要的應(yīng)急控制動作。智能化的UPS除能按照產(chǎn)品指標自動定期地進行自檢并形成自檢記錄外，還能用程序控制UPS的啟動或停止?？梢噪S時向計算機輸入信息或從計算機獲取信息。

近10年間，UPS發(fā)展速度很快，應(yīng)用領(lǐng)域也在迅速擴展，已經(jīng)成為“計算機的生命線”，“是電腦及其它先進儀器不可缺少的電源保護天使”。

2 UPS在煉油廠的應(yīng)用過程

我們在齊魯石化煉油廠應(yīng)用UPS是從三機、重整等裝置的三端口UPS開始的。1989年安裝的意大利siel公司的三端口UPS，其核心部分是有一個雙向變換器(既逆變又整流)。這種UPS主要由市電、整流／逆變器、蓄電池組、三端口變壓器構(gòu)成，其框圖如圖2所示。

圖2 三端口UPS結(jié)構(gòu)框圖

三端口UPS具有市電輸入端口、整流／逆變器輸入端口、輸出端口，俗稱三端口。三端口UPS與在線式UPS的工作方式有很大不同。首先是它的整流／逆變器處于同一電路，整流／逆變器既有市電輸入，又有逆變輸出，同時又給電池充電。從圖1可以看出，在線式UPS要經(jīng)過二次變換，即交流→直流→交流→負載。而三端口UPS經(jīng)過一次變換就供給了負載。其次，三端口UPS所使用的變壓器，不是一般的穩(wěn)壓變壓器，而是一個鐵磁諧振變壓器，這樣，當初級電壓變化時，次級電壓基本維持不變；逆變器在市電正常情況下也工作，沒有切換時間，并在控制電路的作用下，調(diào)整逆變器輸出電壓的幅度與相位，保證逆變器輸出電壓的穩(wěn)定；在市電不正?；虬l(fā)生故障時，系統(tǒng)由蓄電池作為輸入電源繼續(xù)向負載供電，保證負載不間斷地穩(wěn)定工作。三端口UPS逆變器的輸出電壓頻率不夠穩(wěn)定，帶非線性負載的能力也比較差，但成本較低。從1996年開始，煉油廠采用了具有先進電子技術(shù)的在線式UPS，如：法國梅蘭日蘭、德國Siemens、意大利best等30套。在線式UPS的含義是：即使在電網(wǎng)電壓正常供電時，UPS的輸出也是將外來電壓經(jīng)過本身的加工轉(zhuǎn)換后再供給負載。也就是說，即使是在電網(wǎng)電壓正常時，市電也是經(jīng)過變壓器→整流濾波→逆變器→開關(guān)S3(S3閉合，S2斷開，見圖1)→輸出。這種UPS將市電隔離。在市電正常時，過濾市電，供給負載純凈的電源。在市電不正?；虬l(fā)生故障時，UPS以蓄電池組為輸入電源繼續(xù)向負載供電，保證負載連續(xù)不斷地穩(wěn)定工作。所以，負載即使是實時控制信號，也不會因市電中斷而出現(xiàn)丟失或差錯。它之所以具有這樣的性能，其根本原因是：它有一個或多個儲能環(huán)節(jié)和能量的變換裝置，將市電隔離過濾后再供給負載純凈的電源。一旦市電異常，依靠這些儲能和能量變換裝置，繼續(xù)向負載提供高質(zhì)量的電源，以實現(xiàn)不間斷供電的要求。

UPS推廣應(yīng)用如此之快，使電腦及其敏感的先進設(shè)備有了純凈電源的支持，提高了儀表電源的質(zhì)量，保證了電源的穩(wěn)定、不間斷、無干擾。