淺析IGBT功率模塊整流的UPS工作原理及維護(hù)

陳濤

摘 要：現(xiàn)在人們的生活中越來(lái)越多的使用UPS。UPS的整流方式主要有：可控硅整流方式和IGBT功率模塊整流兩種。由于IGBT功率模塊有很多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在先進(jìn)的UPS基本都采用IGBT功率模塊整流方式。文章簡(jiǎn)單的介紹了IGBT功率模塊整流的UPS的工作原理，簡(jiǎn)要介紹其維護(hù)方法。

關(guān)鍵詞：UPS；IGBT；功率模塊

1 概述

衛(wèi)星廣播電視傳輸要求在任何情況下保障電力的可靠傳輸，保障設(shè)備正常工作，信號(hào)正常傳輸，因此要求電力系統(tǒng)配備UPS（Uninterruptible Power Supply，不間斷電源）進(jìn)行保障。

UPS系統(tǒng)可以為重要的負(fù)載提供可靠、連續(xù)、無(wú)干擾的電源供應(yīng)，它具有很多優(yōu)勢(shì)：輸出電源的電壓穩(wěn)定；工作頻率穩(wěn)定；輸出電壓波形純正等。當(dāng)外電出現(xiàn)問(wèn)題（外電問(wèn)題：外電中斷；電壓浪涌、電壓波形下陷；高壓尖脈沖；瞬態(tài)高壓；諧波干擾；頻率漂移；持續(xù)高低壓等）時(shí)，由儲(chǔ)能電池向負(fù)載供電，確保負(fù)載運(yùn)行正常，至外電恢復(fù)或后備油機(jī)啟動(dòng)。同時(shí)UPS還有自動(dòng)旁路和手動(dòng)旁路兩種切換方式，當(dāng)UPS電源本身出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，UPS可以切換至自動(dòng)旁路，保證電力的可靠供應(yīng)，當(dāng)UPS需要檢修時(shí)可以切換到手動(dòng)旁路進(jìn)行檢修。

2 UPS的原理

2.1 UPS基本原理

UPS系統(tǒng)是由整流器、逆變器、電池組、靜態(tài)開(kāi)關(guān)四個(gè)部分組成（如圖1所示）。UPS正常工作時(shí)，Q1閉合，Q2斷開(kāi)，外電通過(guò)整流器、逆變器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)供應(yīng)負(fù)載使用。整流器在系統(tǒng)中起到穩(wěn)定電壓的功能，它可以在外電出現(xiàn)一定幅度的波動(dòng)時(shí)，仍然輸出穩(wěn)定的電壓。逆變器在系統(tǒng)中主要是保障UPS輸出頻率的穩(wěn)定。電池組完成儲(chǔ)能、凈化的功能，消除整流器無(wú)法凈化的瞬間干擾脈沖，同時(shí)當(dāng)外電中斷時(shí)提供儲(chǔ)能保障。靜態(tài)開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)檢測(cè)逆變器輸出電的質(zhì)量，當(dāng)UPS逆變器輸出電故障時(shí)，靜態(tài)開(kāi)關(guān)瞬間切換到UPS自動(dòng)旁路，確保負(fù)載供電不中斷。兩路外電在實(shí)際連接時(shí)可以使用同一變壓器輸出的電源，也可以使用不同變壓器輸出的電源，但是當(dāng)UPS2臺(tái)及以上并機(jī)使用時(shí)，接到幾個(gè)UPS旁路的外電必須是同一變壓器輸出的電源。當(dāng)UPS需要轉(zhuǎn)接到檢修旁路即手動(dòng)旁路時(shí)，斷開(kāi)Q1，合上Q2即可。

目前新型UPS大多采用IGBT功率模塊技術(shù)。IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）又叫做絕緣柵雙極晶體管，是一種復(fù)合了功率場(chǎng)效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的一種復(fù)合器件。IGBT具有MOSFET的高速開(kāi)關(guān)及電壓驅(qū)動(dòng)特性。UPS采用IGBT技術(shù)科室具有實(shí)現(xiàn)高效、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)電網(wǎng)污染少、近似純阻性負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)，既可以保護(hù)負(fù)載也同時(shí)可以保護(hù)電網(wǎng)。

UPS整流器使用IGBT整流技術(shù)，采用高頻切換脈寬調(diào)制電流，使得輸入電流諧波降到最小，達(dá)到正弦波輸入電流，同時(shí)克服了濾波器效率隨負(fù)載功率大小變化的問(wèn)題。

2.2 UPS的并機(jī)

兩臺(tái)或者更多容量的機(jī)組通過(guò)并聯(lián)在一起增加系統(tǒng)的輸出功率或者提高UPS系統(tǒng)的可靠性。

并機(jī)系統(tǒng)內(nèi)每臺(tái)機(jī)組的輸出配線均接到一個(gè)公共母排上，正常運(yùn)行情況下，負(fù)載由連接并聯(lián)母排的機(jī)組平均分擔(dān)。并機(jī)過(guò)程無(wú)需另外添加并機(jī)柜、旁路柜或其它公共控制電路。

采用了GE公司獨(dú)特的RRPA技術(shù)（冗余并聯(lián)組合結(jié)構(gòu)）將多達(dá)6臺(tái)UPS進(jìn)行并聯(lián)，可以進(jìn)一步提高可靠性和安全性。由于RPA技術(shù)，每臺(tái)UPS在并機(jī)系統(tǒng)中均按分散控制邏輯方式運(yùn)行，所有的關(guān)鍵元器件和功能具有冗余性，消除了所有的單點(diǎn)故障。分立旁路結(jié)構(gòu)提供了極大的靈活性，以適應(yīng)系統(tǒng)在將來(lái)容量增減時(shí)的需要。

2.2.1 容量并機(jī)。UPS可以通過(guò)多臺(tái)并機(jī)，使得系統(tǒng)輸出功率大于單機(jī)最大輸出功率，正常并機(jī)方式稱(chēng)為容量并機(jī)。容量并機(jī)方式并機(jī)單元最大共享功率等于額定功率總和。一旦一臺(tái)UPS出現(xiàn)故障，UPS系統(tǒng)提供的總功率不足以滿足全部負(fù)載的需求，此時(shí)，負(fù)載將切換到旁路電源。

2.2.2 冗余并機(jī)。幾臺(tái)并聯(lián)冗余系統(tǒng)中，n+1系統(tǒng)中的n臺(tái)的額定功率必須等同于或高于負(fù)載所需功率。負(fù)載將被平均分配在連續(xù)接到輸出母排的n+1臺(tái)UPS上。如果n+1臺(tái)UPS中某一臺(tái)退出在線工作狀態(tài)，剩下的n臺(tái)UPS仍向負(fù)載維持供電，確保關(guān)鍵用電設(shè)備受逆變器供電的保護(hù)。鑒于這個(gè)設(shè)計(jì)，負(fù)載將工作在更加可靠、更加安全的供電環(huán)境，并且得到一個(gè)較高的MTBF（平均無(wú)故障時(shí)間）值。

2.2.3 并機(jī)系統(tǒng)控制

高速冗余串口通訊母線可確保數(shù)據(jù)的正常交換，從而保證每臺(tái)UPS內(nèi)CPU之間的通信。每一控制模塊控制其自身功能和運(yùn)行狀態(tài)，并與所有其它模塊保持通信，以便于適應(yīng)新的情況而做靈活運(yùn)行。

2.2.4 并機(jī)同步。并機(jī)系統(tǒng)中的所有機(jī)組的旁路交流電源必須相同。所有具有相同功能的UPS在并機(jī)過(guò)程中，有一臺(tái)被隨機(jī)地選取為參考機(jī)組，其它設(shè)備與該參考機(jī)組進(jìn)行同步。如果參考機(jī)組故障，并機(jī)系統(tǒng)中另外一臺(tái)機(jī)組自動(dòng)接替其功能，保證系統(tǒng)運(yùn)行正常。

3 UPS維護(hù)

UPS系統(tǒng)，像其他電氣設(shè)備一樣，需要進(jìn)行定期的預(yù)防性維護(hù)工作。維護(hù)檢查工作可以保障UPS電源的高度可靠性，確保正常使用。維護(hù)工作主要包括以下幾個(gè)方面：

3.1 UPS風(fēng)扇維護(hù)

UPS的IGBT功率模塊在工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，為了保障IGBT功率模塊的正常工作必須做好風(fēng)扇的維護(hù)工作。UPS風(fēng)扇一般按照20，000小時(shí)更換一次，更換時(shí)清潔UPS風(fēng)道及散熱間隔。

3.2 電池維護(hù)

采用蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)能的UPS需要定期進(jìn)行手動(dòng)電池測(cè)試，以驗(yàn)證在市電故障的情況下，電池是否能夠提供與其的后備儲(chǔ)能時(shí)間。應(yīng)該至少每3個(gè)月進(jìn)行一次測(cè)試。同時(shí)最好愛(ài)放電測(cè)試時(shí)，將放電時(shí)間設(shè)定為總后備時(shí)間的一半，達(dá)到充分放電的要求。

3.3 UPS機(jī)房的溫度要求

UPS應(yīng)該安裝在室內(nèi)溫度在-25℃至+55℃之間，空氣干燥、潔凈的環(huán)境中。使用電池儲(chǔ)能方式的最佳電池儲(chǔ)存溫度為20-25℃。不允許將UPS放置在過(guò)于潮濕或水源附近。UPS連接交流輸入電源前必須接好地線，做好接地保護(hù)工作。要把UPS安裝在氣流可以自由通過(guò)UPS及附近空間的地方，確保不要遮擋UPS通風(fēng)孔。

3.4 UPS維護(hù)和檢修安全注意事項(xiàng)

在維護(hù)UPS時(shí)，只有當(dāng)UPS完全切斷其主路電源、旁路電源、蓄電池組輸出電源，同時(shí)放掉UPS內(nèi)部的高壓濾波電容的儲(chǔ)存電能，才能對(duì)UPS內(nèi)部進(jìn)行檢修操作。

3.5 加強(qiáng)日常巡視檢查

做好日常巡視檢查工作是維護(hù)好UPS的前提，要做到每日巡視并做好參數(shù)記錄工作。檢查主要包括UPS運(yùn)行情況、負(fù)載情況、電池外觀、風(fēng)扇是否異響、是否有告警信息、房間溫度及濕度情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

UPS是保證設(shè)備可靠供電的最重要一關(guān)，只有弄清楚UPS的工作原理同時(shí)在平時(shí)工作中做好維護(hù)工作，才能保證UPS的正常使用。