應(yīng)用于石化領(lǐng)域的UPS不間斷電源裝置研究

摘要：UPS不間斷電源裝置是一種含有儲能單元，以整流單元和逆變單元為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源，在石化領(lǐng)域為特別關(guān)間的控制系統(tǒng)、報警系統(tǒng)或安全系統(tǒng)等提供穩(wěn)定的、高質(zhì)量交流電能。本文主要介紹了在工業(yè)中選用的UPS不間斷電源裝置的主要組成部分，以及各部分的功能和特點。

關(guān)鍵詞：UPS不間斷電源裝置;電能質(zhì)量;化工領(lǐng)域

引言：電源是一切用電設(shè)備運行的基礎(chǔ)，在石化領(lǐng)域中和安全生產(chǎn)相關(guān)的重要負荷，如果由于浪涌、頻率變化、持續(xù)的過壓或者欠壓，甚至電源中斷等因素影響了設(shè)備的正常運行，就有可能造成重大的經(jīng)濟損失和安全隱患，因此連續(xù)的高質(zhì)量供電就顯得尤為重要。普通的雙電源切換裝置從切換速度到可靠性，均不能滿足工業(yè)要求，所以能夠?qū)崿F(xiàn)零秒切換，并自帶蓄電池的UPS不間斷電源裝置，在化工領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

概述

UPS不間斷電源裝置是內(nèi)部含有蓄電池儲能，并以整流電路和逆變電路為主要組成部分，用于提供不間斷、高質(zhì)量交流電能的一種電源設(shè)備。UPS不間斷電源裝置的另一個優(yōu)勢是可以過濾掉影響電能質(zhì)量的負面因素，例如電壓偏差、頻率變化等，為用電的設(shè)備提供純凈的正弦電。同時，裝置采用靜態(tài)開關(guān)，能夠在市電消失后，將電源高速切換到蓄電池供電系統(tǒng)中，保障供電的連續(xù)性，使重要設(shè)備可以不間斷運行。化工領(lǐng)域中使用的UPS不間斷電源裝置中，所有功率變換器（諸如可控硅整流器、IGBT逆變器等）和系統(tǒng)元件（諸如旁路和逆變器的靜態(tài)開關(guān)）都是由工業(yè)級CPU控制，運行中的可靠性得以進一步加強。

UPS不間斷電源的組成

2.1 整流器模塊

整流器模塊的功能是把輸入的三相三線制交流電源轉(zhuǎn)換成為直流電源，為后續(xù)的逆變器及蓄電池供能。整流器模塊可以提供四種充電模式：初充、均充、浮充和涓流充電，當交流電源接通后，整流器模塊自動啟動，充電模式間可進行自動切切換。目前石化領(lǐng)域中的UPS不間斷電源裝置通常選擇使用可控硅作為整流器模塊的主要元件，主要是因為可控硅可以承受約20倍的浪涌電流，具有很好的抗電網(wǎng)沖擊能力。

2.2 逆變器模塊

逆變器模塊的功能是將輸入的直流電源轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的交流電源供負載使用，主要元件采用IGBT。當整流器模塊工作正常時，逆變器模塊接收來自整流器模塊的直流電源;當整流器模塊失效時，逆變器模塊使用來自電池組的直流電源。逆變模塊具有過負荷保護和短路的限流功能，為UPS不間斷電源裝置中的元件提供保護。逆變器模塊輸出的交流電會始終跟蹤旁路電源的相位，從而使輸出電源和旁路電源始終保持同步，避免了電源切換過程可能產(chǎn)生的沖擊。

2.3 靜態(tài)旁路開關(guān)

靜態(tài)旁路開關(guān)為無觸點開關(guān)，由晶閘管開關(guān)器件構(gòu)成，用作對市電和逆變器供電之間進行切換，快速晶閘管的反應(yīng)時間是微秒級的，因此能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)換時間為零的不間斷供電。

正常工作時，由逆變器模塊給負載供電，旁路電源加在靜態(tài)旁路開關(guān)的輸入端，靜態(tài)旁路開關(guān)處于斷開狀態(tài)。當逆變器模塊失效或系統(tǒng)過負荷時，靜態(tài)旁路開關(guān)首先接通，逆變器模塊輸出電源和旁路電源同時供給負載，當靜態(tài)旁路開關(guān)可靠接通后，再斷開逆變器模塊，這種“先通后斷”技術(shù)，確保了供電不會出現(xiàn)中斷，實現(xiàn)零秒切換。當逆變器模塊恢復(fù)正常、輸出穩(wěn)定的電源后，逆變器模塊首先接通，輸出的電源和旁路電源同時供給負載，然后靜態(tài)旁路開關(guān)再斷開，同樣采用“先通后斷”技術(shù)，確保供電不會中斷。

2.4 手動旁路開關(guān)

手動旁路開關(guān)主要為試驗和維修目的而設(shè)置，可以將UPS不間斷電源裝置進行隔離。手動旁路開關(guān)采用凸輪開關(guān)，電源與靜態(tài)旁路開關(guān)引自同一電源，有三個操作檔位：正常、維修和旁路。當處于“旁路”位置時，可以在通過手動旁路開關(guān)給負載供電的同時，實現(xiàn)對主機進行停電維修。

2.5 蓄電池

蓄電池作為備用電源，是UPS不間斷電源裝置的重要組成部分。在石化項目中最常使用的有閥控式鉛酸蓄電池和開啟式鎳鉻蓄電池。蓄電池儲存電能，其容量的大小決定了應(yīng)急供電的時間。隨著技術(shù)的發(fā)展，蓄電池的使用壽命也得到了明顯的延長，在溫度適當?shù)沫h(huán)境中，目前工業(yè)中使用的蓄電池壽命都可以在10年以上。

2.6 遠程信號模塊

UPS不間斷電源裝置配有遠程信號模塊，信號模塊包括光電隔離輸入通道和無源觸點輸出通道，并可通過編程定義每一路通道的含義。同時，裝置還可以通過多種總線方式和通訊協(xié)議與遠端管理系統(tǒng)進行信號傳輸，將裝置的運行狀態(tài)、逆變器的工作方式、旁路位置、電池的電壓和電量以及充電完成時間等信息傳送至遠方有人值守的控制室，使工作人員可以時刻掌握裝置的各項參數(shù)。同時，當設(shè)備出現(xiàn)故障、輸出的交流電不正常，或者有過負荷等狀況時，裝置還可以主動報警，提醒工作人員盡快進行處理，保證設(shè)備的健康運行。

2.7 顯示操作單元

UPS不間斷電源裝置配有顯示操作單元，此單元可與其它功能模塊進行通訊、交換信息。LCD顯示屏除中文外，還內(nèi)置數(shù)種語言，可記錄多達數(shù)百條信息。工作人員可以通過顯示屏了解設(shè)備的工作狀態(tài)，例如整流器、靜態(tài)旁路的輸入輸出參數(shù)，電池的溫度、容量和后備時間等信息。通過面板上的控制按鈕，工作人員也可以對系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置。

UPS不間斷電源主要特點

UPS不間斷電源裝置可以接受寬泛的電源輸入，一般在400VAC±10%的電壓范圍，50Hz±10%的頻率波動，以及注入的總電流諧波含量小于8%時，裝置均可以正常工作。

UPS不間斷電源裝置輸出電能質(zhì)量高。逆變器模塊輸出的靜態(tài)電壓偏差能保持在額定輸出電壓的±1%以內(nèi)。在瞬時100%額定輸出負荷變化情況下，動態(tài)輸出電壓的變化不超過±3%允差范圍，逆變器模塊輸出電壓動態(tài)調(diào)整時間一般可以控制在 2毫秒內(nèi)，頻率偏差小于±0.1%，電壓失真小于3%.

整流器模塊、逆變器模塊、靜態(tài)旁路開關(guān)采用三塊獨立的控制板分別控制，三塊控制板之間通過可以保持通訊、交換數(shù)據(jù)，當某一塊控制板出現(xiàn)故障時，不影響整體裝置的運行。

UPS不間斷電源裝置越來越多的采用模塊化元件組成，每種功能由多個相同的元件和模塊共同實現(xiàn)，相同的元件和模塊可互換，這就為減少備品備件，簡化維護和修理提供了便利。同時，其主要元件和模塊采用物理隔離，降低了內(nèi)部短路的危險并限制了故障的擴大。

結(jié)語

在石化項目中，如果DCS、SIS或火災(zāi)消防等重要系統(tǒng)，受到電壓變化、頻率波動、或者斷電等因素影響而無法正常運行，將會使生產(chǎn)中斷，造成經(jīng)濟損失。而與此帶來的安全隱患，有可能造成更嚴重的人員傷亡。所以可以提供高質(zhì)量、連續(xù)的電能，同時具有強大的數(shù)據(jù)采集、傳輸功能的UPS不間斷電源裝置已經(jīng)在石化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和標準的制定，工業(yè)中使用的UPS不間斷電源裝置對元件和結(jié)構(gòu)的要求也越來越高，裝置本身的可靠性得到了保證。

參考文獻

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作者介紹：

張曉笛（1984.7.31），性別：女;籍貫：北京;民族：漢族;學歷：本科;職稱：電氣工程師：職務(wù)：電氣工程師：研究方向：石油化工電氣設(shè)計;單位：福陸（中國）工程建設(shè)有限公司5AD877A6-E56F-4BEB-B9AA-A41F86D6C4A8