應(yīng)用于船舶系統(tǒng)的UPS不間斷電源技術(shù)改進(jìn)研究

唐耀陽，方明杰，羅南杭，饒文培

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應(yīng)用于船舶系統(tǒng)的UPS不間斷電源技術(shù)改進(jìn)研究

唐耀陽1，方明杰2，羅南杭2，饒文培2

（1.中國(guó)人民解放軍海軍駐431廠軍事代表室，武漢 430064；2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064）

本文對(duì)UPS不間斷電源的技術(shù)方案、改進(jìn)設(shè)計(jì)和設(shè)備工作原理進(jìn)行了分析、研究。本文研究設(shè)計(jì)的UPS不間斷電源采取了改進(jìn)散熱器結(jié)構(gòu)、改進(jìn)風(fēng)道、模塊化開關(guān)電源、改進(jìn)印制板、改進(jìn)測(cè)量電路、增加UPS斷電時(shí)自動(dòng)切換旁路功能等12項(xiàng)主要技術(shù)措施，大幅度提高了設(shè)備的散熱性能、可靠性和工作穩(wěn)定性。

UPS不間斷電源 可靠性 改進(jìn)

0 引言

UPS不間斷電源是船舶系統(tǒng)的重要設(shè)備，用于為船舶動(dòng)力系統(tǒng)各設(shè)備、船上生活保障設(shè)備、船舶通訊系統(tǒng)等重要設(shè)備供電。隨著設(shè)備使用頻率增多、運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，設(shè)備散熱性能下降、工作穩(wěn)定性降低，已嚴(yán)重影響到船舶的安全運(yùn)航行和船員生活保障，影響船舶的正常任務(wù)執(zhí)行。對(duì)UPS不間斷電源進(jìn)行改進(jìn)以提高船舶的安全可靠性，已是當(dāng)務(wù)之急。

1 UPS不間斷電源結(jié)構(gòu)及原理

本文研究的UPS不間斷電源設(shè)備[1]共4套，每套由1臺(tái)不間斷電源、1臺(tái)隔離變壓器箱和3臺(tái)蓄電池箱組成，由于不間斷電源容易出現(xiàn)超溫報(bào)警、過流報(bào)警、自動(dòng)切換到旁路、輸出電壓波動(dòng)等故障，影響了相關(guān)系統(tǒng)的正常使用，影響到船舶正常使用和航行安全。

UPS不間斷電源的功能原理框圖如圖1所示。UPS不間斷電源改進(jìn)樣機(jī)具有原設(shè)備的全部功能。新增UPS不間斷電源整機(jī)供電的自動(dòng)應(yīng)急措施。

2 UPS不間斷電源功能

UPS不間斷電源改進(jìn)樣機(jī)的主要功能為：

圖1 UPS不間斷電源改進(jìn)樣機(jī)功能原理框圖

a）UPS正常逆變供電功能；

b）蓄電池放電、充電功能；

c）UPS自動(dòng)旁路供電功能；

d）手動(dòng)旁路供電功能；

e）新增UPS不間斷電源整機(jī)供電的自動(dòng)應(yīng)急措施；

f）本機(jī)報(bào)警和遠(yuǎn)傳報(bào)警功能。

3 UPS不間斷電源技術(shù)分析

圖2為單套UPS不間斷電源的原理接線圖。

UPS不間斷電源的工作原理[2]為：

來自電力系統(tǒng)的單相380 V電源輸出至隔離變壓器箱，當(dāng)隔離變壓器箱前面板上的工況選擇開關(guān)置于“正常”位置時(shí)，隔離變壓器箱輸出未穩(wěn)壓220 V為不間斷電源供電，電源輸出穩(wěn)壓220 V至隔離變壓器箱，經(jīng)隔離變壓器箱內(nèi)部的工況選擇開關(guān)轉(zhuǎn)接后，通過“220 V總輸出”插座輸出為船舶系統(tǒng)負(fù)載供電。而且，在單相380V輸入斷電時(shí)，不間斷電源仍能依靠自帶的蓄電池輸出穩(wěn)壓220 V，繼續(xù)為負(fù)載供電。

當(dāng)隔離變壓器箱前面板上的工況選擇開關(guān)置于“旁路”位置時(shí)，隔離變壓器箱輸出的未穩(wěn)壓220 V電壓，通過“220 V總輸出”插座輸出為船舶系統(tǒng)負(fù)載供電。

問題一：蓄電池箱

蓄電池箱內(nèi)部安裝20塊串聯(lián)的蓄電池，蓄電池的使用壽命為3～5年，實(shí)船使用過程中的故障率低，不須改進(jìn)。

問題二：隔離變壓器箱

隔離變壓器箱內(nèi)部包括隔離變壓器、工況轉(zhuǎn)換開關(guān)、斷路器等，實(shí)船使用過程中工作可靠，但也存在如下影響設(shè)備使用方便性的問題：

a）當(dāng)UPS出現(xiàn)嚴(yán)重故障輸出失電時(shí)，此時(shí)需手動(dòng)將隔離變壓器箱上的旁路轉(zhuǎn)換開關(guān)由“正?！鼻袚Q至“旁路”位置，從操作人員發(fā)現(xiàn)故障到做出正確反應(yīng)需要一段時(shí)間，不利于失電的應(yīng)急操作。

b）隔離變壓器在實(shí)船使用中運(yùn)行穩(wěn)定，但作為供電轉(zhuǎn)換設(shè)備，變壓器本身有一定的功耗，長(zhǎng)期運(yùn)行后本身溫度高，影響隔離變壓器的工作壽命，且影響UPS整機(jī)散熱性能。

問題三：不間斷電源

不間斷電源內(nèi)部包括主電路元件、輔助電源、控制板、驅(qū)動(dòng)板、旁路板、散熱器等各個(gè)部分[3]，在實(shí)船使用過程中，隨著使用頻率增多、運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，設(shè)備的散熱效果下降，內(nèi)部溫升高，性能下降，多次出現(xiàn)超溫報(bào)警、過流報(bào)警、自動(dòng)切換到旁路、輸出電壓波動(dòng)等故障。

主要問題分析如下：

1）設(shè)備內(nèi)部溫升高，影響設(shè)備工作穩(wěn)定性；

2）不間斷電源采用雙層電路板，無單獨(dú)的地線層，輔助電源線、地線傳輸距離較長(zhǎng)從而容易疊加噪聲，控制、驅(qū)動(dòng)、測(cè)量電路受到電源干擾后工作穩(wěn)定性下降；

3）不間斷電源的輸入電壓、輸出電壓、電池電壓和母線電壓測(cè)量電路采用差動(dòng)放大電路，強(qiáng)電電壓接至控制板，長(zhǎng)期使用后濾波器件性能下降，可能對(duì)弱電信號(hào)產(chǎn)生干擾，產(chǎn)生輸出電壓波動(dòng)等故障；

4）不間斷電源的電流傳感器的輸出為弱電壓信號(hào)，長(zhǎng)期使用后濾波器件性能下降，信號(hào)傳遞過程中受到干擾，出現(xiàn)電流監(jiān)控異常、誤報(bào)警、誤保護(hù)等故障。

不間斷電源的主電路電子元件在實(shí)船使用過程中工作較為可靠，故本次改進(jìn)主要針對(duì)不間斷電源的散熱性能以及輔助電源、控制板、驅(qū)動(dòng)板、旁路板存在的問題進(jìn)行研究改進(jìn)，而主電路基本結(jié)構(gòu)保持不變。

4 UPS不間斷電源改進(jìn)研究

4.1 改進(jìn)設(shè)計(jì)原則

UPS不間斷電源改進(jìn)設(shè)計(jì)原則為：

首先，為便于實(shí)船使用、維修和更換，改進(jìn)后的設(shè)備應(yīng)內(nèi)變外不變，外部接口、外形尺寸、安裝尺寸與原設(shè)備完全相同，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原設(shè)備的完全替換。第二，在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)提高，保留成熟技術(shù)，在解決現(xiàn)有問題的同時(shí)，避免引入新的問題和故障隱患[4]。第三，針對(duì)原UPS存在的溫升高以及測(cè)量電路、輔助電源電路等問題開展重點(diǎn)改進(jìn)工作，通過UPS散熱性能分析、散熱設(shè)計(jì)、機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、內(nèi)部布置設(shè)計(jì)，解決UPS散熱問題，降低設(shè)備的溫升[5]；通過改用新型電壓電流傳感器、采用模塊化電源等技術(shù)改進(jìn)措施來解決測(cè)量電路、輔助電源電路存在的問題；采取自動(dòng)切除熱敏電阻、印制板改進(jìn)設(shè)計(jì)、接插件集成、隔離變壓器箱加裝風(fēng)扇等技術(shù)措施以提高設(shè)備的可靠性和工作穩(wěn)定性[6]；增加UPS故障時(shí)自動(dòng)切換旁路功能以提高整機(jī)供電可使用性。第四，在所有問題中，首要考慮解決散熱問題，將散熱設(shè)計(jì)作為改進(jìn)工作的重點(diǎn)。

4.2 解決路徑

針對(duì)設(shè)備存在的問題，UPS不間斷電源改進(jìn)如下：

1)散熱器的改進(jìn)

a）散熱器的總散熱面積增加、風(fēng)阻降低，改善了散熱性能；b）增加了IGBT的間距，功率密度降低，改善了散熱性能。原UPS散熱器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，散熱器長(zhǎng)190 mm，截面為120 mm×120 mm，在120 mm高度方向安裝的散熱片數(shù)量為32個(gè)，散熱片布置較密集，散熱片間間距只有約2 mm，風(fēng)阻較大，容易堵塞灰塵。

改進(jìn)后散熱器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，散熱器長(zhǎng)270 mm，較原散熱器增加了約40%，截面仍為120 mm×120 mm，但在120 mm高度方向安裝的散熱片數(shù)量改為24個(gè)，降低了25%。

改進(jìn)后的散熱器，風(fēng)道更加通暢，總散熱面積增加，使散熱性能得到了提高。

同時(shí)，散熱器上布置三個(gè)IGBT模塊，由于散熱器長(zhǎng)度的增加，IGBT模塊的中心距由50mm增加為80mm，降低了功率密度，改善了IGBT導(dǎo)熱和散熱。

2) 散熱風(fēng)道設(shè)計(jì)的改進(jìn)

主要改進(jìn)為：

a）結(jié)合實(shí)船應(yīng)用特點(diǎn)，直接從前面板進(jìn)風(fēng)，前后貫通式風(fēng)道設(shè)計(jì)，風(fēng)量大，風(fēng)阻低，改善了散熱性能；b）進(jìn)風(fēng)口安裝可拆式屏蔽波導(dǎo)網(wǎng)，便于使用和維護(hù)，有助于設(shè)備長(zhǎng)期保持良好散熱性。

3) UPS電路的改進(jìn)

a）增加自動(dòng)切除/恢復(fù)熱敏電阻功能

原UPS的220 V輸入端串入熱敏電阻，用于抑制啟動(dòng)瞬間為直流電容充電產(chǎn)生的啟動(dòng)電流，在UPS剛開始啟動(dòng)時(shí)，熱敏電阻溫度較低，其電阻值較大，可以抑制啟動(dòng)電流；UPS工作一段時(shí)間后，熱敏電阻溫度升高，其電阻值下降，但仍有較大的功耗，以輸入電流5A、熱敏電阻熱態(tài)阻值為0.1W計(jì)算，則此時(shí)熱敏電阻的功耗為2.5 W，熱敏電阻溫度高，一方面影響UPS散熱，另一方面還存在失效時(shí)引發(fā)設(shè)備故障的隱患。

針對(duì)上述問題，本次改進(jìn)采用繼電器控制熱敏電阻的切除和恢復(fù)，在UPS開始啟動(dòng)時(shí)，熱敏電阻串聯(lián)在輸入回路中，從而可抑制啟動(dòng)電流，在UPS啟動(dòng)后，自動(dòng)切除熱敏電阻，既不影響上電瞬間熱敏電阻的限流作用，又解決了熱敏電阻長(zhǎng)期通電過熱的問題。圖5為自動(dòng)切除熱敏電阻的原理示意圖，虛線部分為所做的改進(jìn)。

b）原UPS輸入、輸出采用小電流電源開關(guān)控制交流接觸器的通/斷方案，為使電路更加簡(jiǎn)化、可靠，改用H-LW98萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)代替。H-LW98開關(guān)的耐壓為500 V，額定電流為16 A，滿足UPS使用要求。圖6為電源開關(guān)改進(jìn)前后的示意圖。

圖5 自動(dòng)切除熱敏電阻示意圖

圖6 電源開關(guān)改進(jìn)前后示意圖（左側(cè)為改進(jìn)前）

c）原UPS輸入、輸出采用普通陶瓷熔斷器，其熔斷時(shí)間較長(zhǎng)，瞬間短路保護(hù)能力差，同時(shí)，熔斷器安裝在UPS內(nèi)部，出現(xiàn)故障后不易檢修。改進(jìn)后UPS樣機(jī)用快速熔斷器代替原普通陶瓷熔斷器，以提高保護(hù)能力，同時(shí)，熔斷器由安裝于設(shè)備內(nèi)部，改為安裝于前面板，以便于使用維修。

d）原UPS采用分立元器件構(gòu)成輔助電源電路，位于控制板，其局部溫度較高，長(zhǎng)期使用后，元器件參數(shù)性能下降而輸出紋波較大，容易對(duì)控制、測(cè)量、驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生干擾。在本次改進(jìn)中，專門定制了性能優(yōu)良的輔助電源模塊，該電源模塊有交流220 V和直流240 V兩路輸入，兩路輸入相互切換時(shí)輸出不斷電，輸出電壓紋波小于100 mV，該電源模塊采用全金屬外殼，安裝于通風(fēng)口上方，散熱性能好，輔助電源的品質(zhì)和可靠性大大提高，改進(jìn)后輔助電源的外形和布置見圖8。

e）原UPS內(nèi)部接插件較多，多采用2.54 mm和3.96 mm間距的直插式印制電路板插座，反復(fù)插拔、長(zhǎng)期使用后，易產(chǎn)生接觸不良影響可靠性等問題，導(dǎo)致UPS工作異常，針對(duì)該問題，改進(jìn)后的UPS采用3個(gè)用螺釘鎖緊的鍍金接插件，替代原分散布置于3塊電路板的25個(gè)插拔式接插件，總接插件數(shù)由27個(gè)減少為5個(gè)，提高了接插件的接觸可靠性，設(shè)備的工作可靠性得到提高。

f）原UPS控制板與驅(qū)動(dòng)板之間有驅(qū)動(dòng)信號(hào)、報(bào)警反饋、驅(qū)動(dòng)電源等互聯(lián)線，互聯(lián)線較多容易造成信號(hào)干擾和降低可靠性，改進(jìn)后的UPS將原控制板與驅(qū)動(dòng)板合并為控制驅(qū)動(dòng)板，而且通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理布局，電路板的外形尺寸縮小了約31%，設(shè)備的工作可靠性得到提高。

g）原UPS控制板與驅(qū)動(dòng)板采用雙層印制電路板，地線四處分布，易耦合噪聲而使信號(hào)受到干擾，改進(jìn)后的UPS樣機(jī)用4層印制電路板替代原2層印制電路板，其中一層為地線層，同時(shí)印制板元器件合理布局，印制板走線加粗，通過上述措施，提高了信號(hào)抗干擾能力，設(shè)備的工作可靠性得到提高。

圖7 原UPS內(nèi)部電路板布置示意圖

圖8 UPS樣機(jī)電路板布置示意圖

改進(jìn)前后印制電路板對(duì)比如表1所示。

圖7為原UPS內(nèi)部電路板布置示意圖。圖8為改進(jìn)后UPS樣機(jī)電路板布置示意圖。

h）原UPS輸入電流、輸出電流、電池電流測(cè)量采用Honeywell公司的CS系列傳感器，該傳感器需要額外的調(diào)零、調(diào)量程電路來調(diào)節(jié)輸出電壓，在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)零點(diǎn)漂移、輸出弱電壓信號(hào)在傳遞過程中易受干擾等問題，改進(jìn)后的UPS樣機(jī)改用LEM公司的LA58-P型電流傳感器，其測(cè)量精度較高（＜0.5%），零點(diǎn)失調(diào)小（＜0.4%），響應(yīng)時(shí)間快（＜1μs），直接輸出電流信號(hào)（原副邊電流比1000:1），抗干擾能力強(qiáng)，無需調(diào)零、調(diào)量程，與控制電路的匹配性增強(qiáng)、可靠性提高。

原電流測(cè)量原理如圖9所示。改進(jìn)后電流測(cè)量原理如圖10所示。

i）原UPS輸入電壓、輸出電壓、電池電壓、母線電壓測(cè)量采用基于差動(dòng)放大的測(cè)量電路，實(shí)際使用中出現(xiàn)因分壓電阻阻值不匹配或阻值變化造成測(cè)量不準(zhǔn)問題，以及將較高電壓接入控制板，容易產(chǎn)生干擾等問題，改進(jìn)后的UPS樣機(jī)改用LEM公司的LV25-P/SP2型電壓傳感器，其精度較高（＜0.8%），線性誤差?。ǎ?.2%），原付邊隔離電壓高（4.1 kV），直接輸出電流（原副邊電流比2500:1000），抗干擾能力強(qiáng)，無需調(diào)零、調(diào)量程，可靠性提高。原電壓測(cè)量原理如圖11所示。改進(jìn)后電壓測(cè)量原理如圖12所示。

圖11 原電壓測(cè)量原理

圖12 改進(jìn)后電壓測(cè)量原理

5 應(yīng)用前景分析及結(jié)論

本文改進(jìn)研究的UPS不間斷電源改進(jìn)樣機(jī)，針對(duì)船用UPS存在的問題，采取了多項(xiàng)針對(duì)性的改進(jìn)設(shè)計(jì)措施，改進(jìn)后設(shè)備的散熱性能、設(shè)備的抗干擾能力和自兼容能力提升，工作穩(wěn)定性、可靠性較原設(shè)備大幅度提高。

本文針對(duì)原設(shè)備存在的超溫報(bào)警、過流報(bào)警、輸出電壓波動(dòng)等故障問題，開展了大量深入細(xì)致的研究分析和技術(shù)改進(jìn)工作，采取了改進(jìn)散熱器結(jié)構(gòu)、改進(jìn)風(fēng)道、模塊化開關(guān)電源、改進(jìn)印制板、改進(jìn)測(cè)量電路、增加UPS斷電時(shí)自動(dòng)切換旁路功能等12項(xiàng)主要技術(shù)改進(jìn)措施，大幅度提高了設(shè)備的散熱性能、可靠性和工作穩(wěn)定性。

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Improvement of Uninterruptible Power Supply Used in A Ship

Tang Yaoyang1, Fang Mingjie2, Luo Nanhang2, Rao Wenpei2

（1．Naval Representatives Office in 431 Factory, Wuhan 430064, China；2. Wuhan Second Ship Design Institute, Wuhan 430064, China）

TN862

A

1003-4862（2017）03-0062-05

2016-09-15

唐耀陽(1969-)，男，高級(jí)工程師。研究方向：UPS電源。