交流220 V不間斷供電轉(zhuǎn)換故障分析及對策

李星宇，鄭愷之，曾祥孔，王 歡

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交流220 V不間斷供電轉(zhuǎn)換故障分析及對策

李星宇1，鄭愷之2，曾祥孔3，王 歡4

(1. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430205；2. 華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074；3. 武漢華海通用電氣有限公司，武漢 430074；4. 渤海造船廠集團(tuán)有限公司，遼寧葫蘆島 125004)

切換電源的過程會造成供電間斷，不間斷電源保證供電的連續(xù)性。這里介紹了一種交流220 V不間斷供電的轉(zhuǎn)換裝置，并為達(dá)成不間斷供電的目的提供了兩種工作模式。針對工程現(xiàn)場發(fā)生的掉電現(xiàn)象進(jìn)行了波形監(jiān)測。通過對實驗波形進(jìn)行分析與判斷，提出掉電現(xiàn)象的原因與解決方法，并試驗驗證了解決方法的有效性。

不間斷供電 轉(zhuǎn)換裝置 波形監(jiān)測 故障分析

0 引言

供電轉(zhuǎn)換裝置是交流220 V不間斷供電裝置的重要組成部分。不間斷供電裝置廣泛應(yīng)用于通信、交通、國防和電力等重點領(lǐng)域[1]。而供電轉(zhuǎn)換裝置通過提供多個獨立的電源為不間斷供電裝置提供了更高的可靠性。

文獻(xiàn)[2-4]中分析了飛機(jī)、通訊以及區(qū)域電網(wǎng)中使用多個電源組合供電以達(dá)到不間斷供電的效果，針對多種工作模式的切換進(jìn)行控制分析；文獻(xiàn)[5-7]中針對不間斷供電系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行了分析，并通過控制手段減小了因電源轉(zhuǎn)換而造成對整個不間斷供電系統(tǒng)的影響，使得不間斷供電系統(tǒng)更加穩(wěn)定。從中可以看出對供電轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行合理地控制對提高不間斷供電系統(tǒng)的可靠性是非常重要的。

1 轉(zhuǎn)換裝置介紹

針對需求，我們設(shè)計了如下的雙逆變電源不間斷供電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1中下半部左右兩邊分別為兩個單獨的逆變電源，中部為連接兩臺逆變電源和主電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換裝置，給2路AC220V電網(wǎng)供電，圖1上半部連接的是獨立電網(wǎng)，圖中逆變電源、接觸器以及VT3和VT4的控制電路未在圖中畫出。

圖1 供電轉(zhuǎn)換裝置圖

本雙逆變電源不間斷供電系統(tǒng)有兩種工作模式：

a) 當(dāng)單臺逆變電源供電時，由一臺逆變電源給整個電網(wǎng)供電；

b) 當(dāng)兩臺逆變電源同時供電時，由對應(yīng)側(cè)的逆變電源分別給兩側(cè)電網(wǎng)供電。

表1 供電轉(zhuǎn)換裝置晶閘管狀態(tài)

如表1所示，通過改變多組晶閘管VT1、VT2、VT3和VT4的狀態(tài)來實現(xiàn)這兩種工作模式的切換，其中○代表導(dǎo)通、×代表關(guān)斷。從而達(dá)成保障獨立區(qū)域電網(wǎng)交流220 V的不間斷供電的目的。

２ 故障檢查及分析

在現(xiàn)場調(diào)試此不間斷電源轉(zhuǎn)換裝置的時候發(fā)現(xiàn)，在從單臺逆變電源供電模式切換至兩臺逆變電源同時供電模式過程中，存在著輸出電壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象，在嚴(yán)重的情況下甚至?xí)l(fā)生雙路停止供電的狀況，說明該切換系統(tǒng)的控制策略仍需要改進(jìn)。

在查明故障的過程中，對該系統(tǒng)的重要節(jié)點進(jìn)行波形檢測，因為啟停1號逆變電源或2號逆變電源的性質(zhì)相同，所以波形比較都是用1號逆變電源的情況，并分別對以下幾點進(jìn)行重點監(jiān)測：1號逆變電源輸出電壓；2號逆變電源輸出電壓；1號逆變電源輸出電流；1號母線電壓；VT1兩端電壓；1號逆變電源狀態(tài)正常信號（低電平有效）；控制板SCR1驅(qū)動信號（低電平有效）；

圖2 啟停1號逆變電源波形圖

（通道從上至下依次是1號逆變電源電壓、2號逆變電源電壓、VT1兩端電壓、1號逆變電源輸出電流；圖中橫坐標(biāo)每一小格為1 s，CH1、CH2縱坐標(biāo)峰值為400 V，CH3縱坐標(biāo)峰值為200 V，CH4基本維持在0 A）

圖3 啟停1號逆變電源波形圖

（通道從上至下依次是1號逆變電源電壓、2號逆變電源電壓、VT1兩端電壓、控制板SCR1驅(qū)動；圖中橫坐標(biāo)每一小格為1 s，CH1、CH2縱坐標(biāo)峰值為400 V，CH3縱坐標(biāo)峰值為200 V，CH4高電平為20 V，低電平為0 V）

1）首先檢查啟停逆變電源期間，兩臺逆變電源之間是否存在環(huán)流現(xiàn)象。實驗波形如圖2所示。

從波形圖中的通道四可以看出，在啟停單臺逆變電源過程中無明顯環(huán)流現(xiàn)象，說明不是因為環(huán)流過大引起的保護(hù)動作導(dǎo)致失電。

2）依次檢查在啟停逆變電源的過程中，SCR的驅(qū)動控制信號發(fā)出情況和逆變電源發(fā)出正常信號的情況。實驗波形如圖3、4所示。

可以看出，在停機(jī)的時候，切換裝置正常工作，驅(qū)動板幾乎是同步輸出了正確的信號。而在啟動單臺逆變電源時，電源正常信號與SCR驅(qū)動控制信號基本上都是在逆變電源啟動后約4.6 s左右發(fā)出。

圖4 啟停1號逆變電源波形圖

（通道從上至下依次是1號逆變電源電壓、2號逆變電源電壓、VT1兩端電壓、1號逆變電源正常信號；圖中橫坐標(biāo)每一小格為1 s，CH1、CH2縱坐標(biāo)峰值為400 V，CH3縱坐標(biāo)峰值為200 V，CH4高電平為20 V，低電平為0 V）

3）最后檢查啟停逆變電源過程中，母線上的電壓情況。實驗波形如圖5所示。

可以看出在啟停單臺逆變電源時，母線電壓基本上沒有變化，所以也可以判定不是因為母線上電壓波動從而導(dǎo)致失電情況的發(fā)生。

通過反復(fù)進(jìn)行試驗，從中對比發(fā)現(xiàn)，新啟動的逆變電源與母線的電壓相位有明顯差值，發(fā)現(xiàn)每次VT1或VT2導(dǎo)通時電壓相位均不相同，此時進(jìn)行逆變電源的投入會在整個系統(tǒng)中形成擾動。

失電情況發(fā)生的時候，SCR驅(qū)動信號和逆變電源正常信號都是正常發(fā)出，但逆變電源和母線側(cè)電壓的相位與幅值差距過大，從而導(dǎo)致逆變電源未能正常投入，反而觸發(fā)另一臺逆變電源的保護(hù)，斷開了另一臺逆變電源，從而導(dǎo)致母線失電。故障發(fā)生時的波形如圖6所示。

圖5 啟停1號逆變電源波形圖

（通道從上至下依次是1號逆變電源電壓、1號母線電壓、VT1兩端電壓、控制板SCR1驅(qū)動；圖中橫坐標(biāo)每一小格為1 s，CH1、CH2縱坐標(biāo)峰值為400 V，CH3縱坐標(biāo)峰值為200 V，CH4高電平為20 V，低電平為0 V）

圖6 發(fā)生故障時的波形圖

（通道從上至下依次是1號逆變電源電壓、2號逆變電源電壓、VT1兩端電壓、驅(qū)動板SCR1驅(qū)動；圖（a）中橫坐標(biāo)每一小格為1s，圖（b）中橫坐標(biāo)每一小格為0.2s，CH1、CH2縱坐標(biāo)峰值為400 V，CH3縱坐標(biāo)峰值為200 V，CH4高電平為20 V，低電平為0 V）

可以看出在KM1閉合的時候，即通道三開始有電壓時，相位相差較大已經(jīng)達(dá)到了接近30度，VT1兩端承受過大電壓，由于此次同步鎖相較慢，達(dá)到規(guī)定時間后通道一與通道二之間相位差仍有10度，此時無法發(fā)出導(dǎo)通信號，但VT3、VT4卻關(guān)斷，從而導(dǎo)致左側(cè)母線失電。

3 解決方法

因為兩臺逆變電源的控制程序中有自動鎖相的功能，即運行過程中，兩臺逆變電源的電壓相位會自動調(diào)整至相同，那么為保證母線不失電，就要保證單臺逆變電源投入時的電壓相位與幅值都達(dá)到當(dāng)前母線上的值，我們可以延后SCR的控制信號發(fā)出導(dǎo)通指令的時間。通過比較多次實驗波形發(fā)現(xiàn)，在逆變電源發(fā)出正常信號5 s后，逆變電源的電壓相位與母線上的電壓相位已經(jīng)幾乎一致，此時再進(jìn)行導(dǎo)通VT1并關(guān)斷VT3、VT4進(jìn)行供電模式的切換對整個供電系統(tǒng)不會形成擾動。

增加了延時以后，再次通過示波器進(jìn)行監(jiān)視啟停單臺逆變電源的過程。實驗波形如圖7所示。

圖 7 啟停1號逆變電源波形圖

（通道從上至下依次是1號逆變電源電壓、1號母線電壓、VT1兩端電壓、控制板SCR1驅(qū)動；圖中橫坐標(biāo)每一小格為1s，CH1、CH2縱坐標(biāo)峰值為400V，CH3縱坐標(biāo)峰值為200V，CH4高電平為20V，低電平為0V）

可以看出在停止單臺逆變電源時，驅(qū)動板正確并同步輸出了控制信號。在啟動單臺逆變電源時，因為無法控制接觸器KM1的閉合，VT1會承受相對較大的電壓差，但是電壓差迅速減小至穩(wěn)定的20 V左右，20 V的電壓差是因為晶閘管自身的管壓降以及實驗使用電壓探頭所造成的測量誤差，這時電壓仍有波動，說明此時還沒有完成鎖相過程。隨著時間到增加的延時5 s位置，波動已經(jīng)足夠小，此時再導(dǎo)通VT1并關(guān)斷VT3、VT4對整個供電系統(tǒng)的造成的擾動即可忽略。

自動鎖相程序的工作原理是通過比較新啟動的逆變電源與母線的電壓相位差，通過隨時間微分再積分，輸出一個逐漸逼近基準(zhǔn)電壓的相位值。不斷循環(huán)上述過程，從而達(dá)到與基準(zhǔn)電壓相位差滿足相位差要求[8]。這一過程的所需時間與起始相位差以及程序設(shè)置的相位調(diào)整精度有關(guān)。增加5 s延時后的9.6 s時間為完成自動鎖相過程的最長時間。

采用增加延時有效保證了切換不間斷電源供電模式時系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保了母線不失電，并且現(xiàn)場所產(chǎn)生的噪聲也有所減小，也說明增加延時提高了此不間斷電源供電切換裝置的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

不間斷電源供電模式從模式a切換至模式b時，對于電壓的相位與幅值要求較高，如果在電壓的相位與幅值未達(dá)到同期要求的時候就投入運行，則會對整個不間斷供電系統(tǒng)造成擾動，嚴(yán)重的時候會導(dǎo)致供電系統(tǒng)失電，這對供電系統(tǒng)的可靠性是較大的破壞。

但是不間斷電源供電模式從模式a切換模式b，系統(tǒng)母線上已有穩(wěn)定電壓，且能夠維持系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，所以為保證供電系統(tǒng)不失電，通過增加逆變電源投入的延時，可以使逆變電源投入運行時達(dá)到更好的同期狀態(tài)，從而使不間斷電源供電系統(tǒng)的可靠性大大增加。

發(fā)生此問題的深層原因則是兩臺逆變電源的自動鎖相程序?qū)﹄妷合辔坏恼{(diào)整速度較慢，導(dǎo)致在原先設(shè)置的時間內(nèi)無法達(dá)到要求的電壓相位與幅值，通過提高自動鎖相程序調(diào)整速度也是解決本問題的一種途徑。

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Analysis and Countermeasure of AC 220 V Uninterruptible Power Supply Conversion Failure

Li Xingyu1, Zheng Kaizhi2, Zeng Xiangkong3, Wang Huan4

(1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 3. Wuhan Huahai General Electric Co., Ltd, Wuhan 430074, China; 4. Bohai Shipyard Group Co., Ltd, Huludao 125004, Liaoning, China)

TM762.1

A

1003-4862（2019）06-0041-04

2018-12-03

李星宇（1995-），男，碩士研究生，研究方向：船舶電力系統(tǒng)。E-mail: lixingyuxxx@foxmail.com