《電子技術(shù)應(yīng)用》
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UPS電源工作原理及應(yīng)用

2016-09-07
關(guān)鍵詞: TI ADI FPGA DSP

一,、引言 
      保證任何情況下的正常供電,,是冶金行業(yè)的重要基礎(chǔ)。為此,除工業(yè)電網(wǎng)正常供電外,,還需配備UPS供電系統(tǒng)。UPS電源是保障供電穩(wěn)定和連續(xù)性的重要設(shè)備,,因其主要機(jī)智能化程度高,,儲(chǔ)能器材采用免維護(hù)蓄電池,使得在運(yùn)行中往往忽略了對(duì)該系統(tǒng)的維護(hù)與檢修,。其實(shí)維護(hù)的好壞,,對(duì)電源的壽命和故障率有很大影響,下面根據(jù)我們使用中的具體情況和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)介紹UPS電源的使用注意事項(xiàng)和日常維護(hù)要求,。 
      雖說各企業(yè)配置的UPS供電系統(tǒng)設(shè)備型號(hào)及系統(tǒng)容量有所不同,,但其原理和主要功能基本相同。在UPS電源類型選擇上各站都選擇了在線式,,這時(shí)因?yàn)樵诰€式UPS電源系統(tǒng)具有對(duì)各類供電的零時(shí)間切換,,自身供電時(shí)間的長(zhǎng)短可選,并具有穩(wěn)壓,、穩(wěn)頻,、凈化的特點(diǎn)。 
      當(dāng)UPS電源系統(tǒng)本身出現(xiàn)故障時(shí)有自動(dòng)旁路功能,,當(dāng)需要檢修時(shí)可采用手動(dòng)旁路,,使檢修、供電互不影響,。在功率選擇上,,萊鋼中小型棒材生產(chǎn)線選用了中功率系統(tǒng)。 

二,、UPS電源系統(tǒng) 
      UPS電源系統(tǒng)由4部分組成:整流,、儲(chǔ)能、變換和開關(guān)控制,。其系統(tǒng)的穩(wěn)壓功能通常是由整流器完成的,,整流器件采用可控硅或高頻開關(guān)整流器,本身具有可根據(jù)外電的變化控制輸出幅度的功能,,從而當(dāng)外電發(fā)生變化時(shí)(該變化應(yīng)滿足系統(tǒng)要求),,輸出幅度基本不變的整流電壓。凈化功能由儲(chǔ)能電池來完成,,由于整流器對(duì)瞬時(shí)脈沖干擾不能消除,,整流后的電壓仍存在干擾脈沖,。儲(chǔ)能電池除可存儲(chǔ)直流直能的功能外,對(duì)整流器來說就象接了一只大容器電容器,,其等效電容量的大小,,與儲(chǔ)能電池容量大小成正比。由于電容兩端的電壓是不能突變的,,即利用了電容器對(duì)脈沖的平滑特性消除了脈沖干擾,,起到了凈化功能,也稱對(duì)干擾的屏蔽,。頻率的穩(wěn)定則由變換器來完成,頻率穩(wěn)定度取決于變換器的振蕩頻率的穩(wěn)定程度,。為方便UPS電源系統(tǒng)的日常操作與維護(hù),,設(shè)計(jì)了系統(tǒng)工作開關(guān),主機(jī)自檢故障后的自動(dòng)旁路開關(guān),,檢修旁路開關(guān)等開關(guān)控制,。 

如圖1所示,在電網(wǎng)電壓工作正常時(shí),,給負(fù)載供電如所示,,而且,同時(shí)給儲(chǔ)能電池充電,;當(dāng)突發(fā)停電時(shí),,UPS電源開始工作,由儲(chǔ)能電池工給負(fù)載所需電源,,維持正常的生產(chǎn)(如粗黑→所示),;當(dāng)由于生產(chǎn)需要,負(fù)載嚴(yán)重過載時(shí),,由電網(wǎng)電壓經(jīng)整流直接給負(fù)載供電(如虛線所示),。 
UPS電源系統(tǒng)主要分兩大部分,主機(jī)和儲(chǔ)能電池,。額定輸出功率的大小取決于主機(jī)部分,,并與負(fù)載屬那種性質(zhì)有關(guān),因?yàn)閁PS電源對(duì)不同性能的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力不同,,通常負(fù)載功率應(yīng)滿足UPS電源70%的額定功率,。儲(chǔ)能電池容量的選取當(dāng)負(fù)載功率確定后主要取決其后備時(shí)間的長(zhǎng)短,這個(gè)時(shí)間因各企業(yè)情況不同而不同,,主要由備用電源的接入時(shí)間來定,,通常在幾分鐘或幾個(gè)小時(shí)不等。萊鋼中小型棒材生產(chǎn)線因生產(chǎn)需要不允許斷電,,因此,,UPS電源系統(tǒng)在檢測(cè)到電網(wǎng)電壓中斷后,,可自行啟動(dòng)供電,且隨著儲(chǔ)能電池慢慢放電,,儲(chǔ)能電池的容量隨著時(shí)間會(huì)逐漸降低,,考慮到壽命終止時(shí)儲(chǔ)能電池容量下降到50%并留有一定的余量,我廠UPS電源系統(tǒng)的工作時(shí)間當(dāng)儲(chǔ)能電池滿容量時(shí)為2小時(shí),,半容量為1小時(shí),。 
      2.1電源工作原理 
      2.1.1 AC-DC變換:將電網(wǎng)來的交流電經(jīng)自耦變壓器降壓、全波整流,、濾波變?yōu)橹绷麟妷?,供給逆變電路。AC-DC輸入有軟啟動(dòng)電路,,可避免開機(jī)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊,。 
      2.2 .2 DC-AC逆變電路:采用大功率IGBT模塊全橋逆變電路,具有很大的功率富余量,,在輸出動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)輸出阻抗特別小,,具有快速響應(yīng)特性。由于采用高頻調(diào)制限流技術(shù),,及快速短路保護(hù)技術(shù),,使逆變器無論是供電電壓瞬變還是負(fù)載沖擊或短路,均可安全可靠地工作,。 
      2.3.3 控制驅(qū)動(dòng):控制驅(qū)動(dòng)是完成整機(jī)功能控制的核心,,它除了提供檢測(cè)、保護(hù),、同步以及各種開關(guān)和顯示驅(qū)動(dòng)信號(hào)外,,還完成SPWM正弦脈寬調(diào)制的控制,由于采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)雙重電壓反饋,。極大地改善了逆變器的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性,。不間斷電源工作原理框圖如圖2所示。 

  2.3電源工作過程 
      當(dāng)市電正常380Vac時(shí),,直流主回路有直流電壓,,供給DC-AC交流逆變器,輸出穩(wěn)定的220Vac交流電壓,,同時(shí)市電對(duì)電流充電,。當(dāng)任何時(shí)候市電欠壓或突然掉電,則由電池組通過隔離二極管開關(guān)向直流回路饋送電能,。從電網(wǎng)供電到電池供電沒有切換時(shí)間,。當(dāng)電池能量即將耗盡時(shí),不間斷電源發(fā)出聲光報(bào)警,,并在電池放電下限點(diǎn)停止逆變器工作,,長(zhǎng)鳴告警,。不間斷電源還有過載保護(hù)功能,當(dāng)發(fā)生超載(150%負(fù)載)時(shí),,跳到旁路狀態(tài),,并在負(fù)載正常時(shí)自動(dòng)返回。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重超載(超過200%額定負(fù)載)時(shí),,不間斷電源立即停止逆變器輸出并跳到旁路狀態(tài),,此時(shí)前面空氣開關(guān)也可能跳閘。消除故障后,,只要合上開關(guān),,重新開機(jī)即開始恢復(fù)工作。為使不間斷電源充分工作,,避免在過載或欠載下運(yùn)行,,電源在開機(jī)前,首先計(jì)算負(fù)載容量,。FR-UK型不間斷電源(標(biāo)稱額定功率)80%的阻性負(fù)載設(shè)計(jì)負(fù)載能力,一般帶計(jì)算機(jī)負(fù)載時(shí)可承受的按下式估算: 
      ∑i=1 n Pi≤P 
      其中P為不間斷電源輸出容量(VA),,P為第i個(gè)負(fù)載伏安數(shù) 
      每套PLC功率: 220V*0.5=110VA 
      每臺(tái)操作站功率: 220V*2A=440VA 
      IBM PC客戶機(jī)及服務(wù)器:220V*1.5A=330VA 
      則總功率:10*110VA+4*440VA+11*330VA=6490VA 
      6490VA/0.8=8112VA 
      因此,,在這條棒材生產(chǎn)線上,采用10KVA的不間斷電源比較合適,。 
    三,、UPS電源系統(tǒng)的使用與維護(hù) 
      1 、UPS電源系統(tǒng)開,、關(guān)機(jī) 
      1.1 第一次開機(jī) 
    (1)按以下順序合閘:儲(chǔ)能電池開關(guān)→自動(dòng)旁路開關(guān)→輸出開關(guān)依次置于“ON",。 

(2)按UPS啟動(dòng)面板“開”鍵,UPS電源系統(tǒng)將徐徐啟動(dòng),,“逆變”指示燈亮,,延時(shí)1分鐘后,“旁路”燈熄滅,,UPS轉(zhuǎn)為逆變供電,,完成開機(jī)。 
經(jīng)空載運(yùn)行約10分鐘后,,按照負(fù)載功率由小到大的開機(jī)順序啟動(dòng)負(fù)載,。 
      1.2 日常開機(jī) 
      只需按UPS面板“開”鍵,約20分鐘后,,即可開啟電腦或其它儀器使用,。通常等UPS啟動(dòng)進(jìn)入穩(wěn)定工作后,方可打開負(fù)載設(shè)備電源開關(guān)(注:手動(dòng)維護(hù)開關(guān)在UPS正常運(yùn)行時(shí),,呈“OFF"狀態(tài)),。 
      1.3 關(guān)機(jī) 
      先將電腦或其它儀器關(guān)閉,,讓UPS空載運(yùn)行10分鐘,待機(jī)內(nèi)熱量排出后,,再按面板“關(guān)”鍵,。 
      2、UPS電源系統(tǒng)使用注意事項(xiàng) 
      UPS電源系統(tǒng)因其智能化程度高,,儲(chǔ)能電池采用了免維護(hù)蓄電池,,這雖給使用帶來了許多便利,但在使用過程中還應(yīng)在多方面引起注意,,才能保證使用安全,。 
      (1)UPS電源主機(jī)對(duì)環(huán)境溫度要求不高,+5℃~40℃都能正常工作,,但要求室內(nèi)清潔,,少塵,否則灰塵加上潮濕會(huì)引起主機(jī)工作紊亂,。儲(chǔ)能蓄電池則對(duì)溫度要求較高,,標(biāo)準(zhǔn)使用溫度為25℃,平時(shí)不能超過+15℃~+30℃,。溫度太低,,會(huì)使儲(chǔ)電池容量下降,溫度每下降1℃,,其容量下降1%,。其放電容量會(huì)隨溫度升高而增加,但壽命降低,。如果在高溫下長(zhǎng)期使用,,溫度每高10℃,電池壽命約降低一半,。 
      (2)主機(jī)中設(shè)置的參數(shù)在使用中不能隨意改變,。特別是對(duì)電池組的參數(shù),會(huì)直接影響其使用壽命,,但隨著環(huán)境溫度的改變,,對(duì)浮充電壓要做相應(yīng)調(diào)整。通常以25℃為標(biāo)準(zhǔn),,環(huán)境溫度每升高或降低1℃時(shí),,浮充電壓應(yīng)增加18mV(相對(duì)于12V蓄電池)。 
      (3)在無外電靠UPS電源系統(tǒng)自行供電時(shí),,應(yīng)避免帶負(fù)載啟動(dòng)UPS電源,,應(yīng)先關(guān)斷各負(fù)載,等UPS電源系統(tǒng)起動(dòng)后再開啟負(fù)載,。因負(fù)載瞬間供電時(shí)會(huì)有沖擊電池,,多負(fù)載的沖擊電流和加上所需的供電電流會(huì)造成UPS電源瞬間過載,,嚴(yán)重時(shí)將損壞變換器。 
      (4)UPS電源系統(tǒng)按使用要求功率余量不大,,在使用中要避免隨意增加大功率的額外設(shè)備,,也不允許在滿負(fù)載狀態(tài)下長(zhǎng)期運(yùn)行。但工作性質(zhì)決定了UPS電源系統(tǒng)幾乎是在不間斷狀態(tài)下運(yùn)行的,,增加大功率負(fù)載,,即使是在基本滿載狀態(tài)下工作,都會(huì)造成主機(jī)出故障,,嚴(yán)重時(shí)將損壞變換器,。 
      (5)自備發(fā)電機(jī)的輸出電壓,波形,、頻率,、幅度應(yīng)滿UPS電源對(duì)輸入電壓的要求,另久發(fā)電機(jī)的功率要遠(yuǎn)大于UPS電源的額定功率,,否則任一條件不滿,,將會(huì)造成UPS電源工作異常或損壞,。 
      (6)由于組合電池組電壓很高,,存在電擊危險(xiǎn),因此裝卸導(dǎo)電聯(lián)接條,、輸出線時(shí)應(yīng)用安全保障,,工具應(yīng)采用絕緣措施,,特別是輸出接點(diǎn)應(yīng)有防觸摸措施,。    
      (7)不論是在浮充工作狀態(tài)還是在充電、放電檢修測(cè)試狀態(tài),,都要保證電壓,、電流符合規(guī)定要求。過高的電壓或電流可能會(huì)造成電池的熱失控或失水,、電壓,、電流過小會(huì)造成 
電池虧電,這都會(huì)影響電池的使用壽命,,前者的影響更大,。 
      (8)在任何情況下,都應(yīng)防止電池短路或深度放電,,因?yàn)殡姵氐难h(huán)壽命和放電深度有關(guān),。放電深度越深、循環(huán)壽命越短,。在容量試驗(yàn)中或是放電檢修中,,通常 放電達(dá)到容量的30%~50%就可以了,。 
      (9)對(duì)電池應(yīng)避免大電流充放電,雖說在充電時(shí)可以接受大電流,,但在實(shí)際操作中應(yīng)盡量避免,,否則會(huì)造成電池極板膨脹變形,使得極板活性物質(zhì)脫落,,電池內(nèi)阻增大,,溫升越高,嚴(yán)重時(shí)將造成容量下降,,壽命提前終止,。 
      3、日常維護(hù)與檢修 
      (1)UPS電源在正常使用情況下,,主機(jī)的維護(hù)工作很少,,主要是防塵和定期除塵。特別是氣候干燥的地區(qū),,空氣中的灰粒較多,,機(jī)內(nèi)的風(fēng)機(jī)會(huì)將灰塵帶入機(jī)內(nèi)沉積、當(dāng)遇空氣潮濕時(shí)會(huì)引起主機(jī)控制紊亂造成主機(jī)工作失常,,并發(fā)生不準(zhǔn)確告警,,大量灰塵也會(huì)造成器件散熱不好。一般每季度應(yīng)徹底清潔一次,。其次就是在除塵時(shí),,檢查各連接件和插接件有無松動(dòng)和接觸不牢的情況。    
      (2)雖說儲(chǔ)能電池組目前都采用了免維護(hù)電池,,但這只是免除了以往的測(cè)比,、配比、定時(shí)添加蒸餾水的工作,。但外因工作狀態(tài)對(duì)電池的影響并沒有改變,,不正常工作狀態(tài)對(duì)電池造成的影響沒有變,這部分的維護(hù)檢修工作仍是非常重要的,,UPS電源系統(tǒng)的大量維修檢修工作主要在電池部分,。 
      a.儲(chǔ)能電池的工作全部是在浮充狀態(tài),在這種情況下至少應(yīng)每年進(jìn)行一次放電,。放電前應(yīng)先對(duì)電池組進(jìn)行均衡充電,,以達(dá)全組電池的均衡。要清楚放電前電池組已存在的落后電池,。放電過程中如有一只達(dá)到放電終止電壓時(shí),,應(yīng)停止放電,繼續(xù)放電先消除落后電池后再放。 
      b.核對(duì)性放電,,不是首先追求放出容量的百分之多少,,而是要關(guān)注發(fā)現(xiàn)和處理落后電池,經(jīng)對(duì)落后電池處理后再作核對(duì)性放電實(shí)驗(yàn),。這樣可防止事故,,以免放電中落后電池惡化為反極電池。 
      c.平時(shí)每組電池至少應(yīng)有8只電池作標(biāo)示電池,,作為了解全電池組工作情況的參考,,對(duì)標(biāo)示電池應(yīng)定期測(cè)量并做好記錄。 
      d.日常維護(hù)中需經(jīng)常檢查的項(xiàng)目有:清潔并檢測(cè)電池兩端電壓,、溫度,;連接處有無松動(dòng),腐蝕現(xiàn)象,、檢測(cè)連接條壓降,;電池外觀是否完好,有無殼變形和滲漏,;極柱,、安全閥周圍是否有酸霧逸出;主機(jī)設(shè)備是否正常,。 
      e.免維護(hù)電池要維護(hù),,不是什么無稽之談,應(yīng)從廣義的維護(hù)立場(chǎng)出發(fā),,做到運(yùn)行,、日常管理的周到、細(xì)致和規(guī)范性,,保證設(shè)備(包括主機(jī)設(shè)備)保持良好的運(yùn)行狀況,,從而延長(zhǎng)使用年限;保證直流母線經(jīng)常保持合格的電壓和電池的放電容量,;保證電池運(yùn)行和人員的安全可靠,。這就是電池維護(hù)的目的,,也是電池運(yùn)行規(guī)程中包括的內(nèi)容和進(jìn)行規(guī)則,。 
      (3)當(dāng)UPS電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),應(yīng)先查明原因,,分清是負(fù)載還是UPS電源系統(tǒng),;是主機(jī)還是電池組。雖說UPS主機(jī)有故障自檢功能,,但它對(duì)面而不對(duì)點(diǎn),,對(duì)更換配件很方便,但要維修故障點(diǎn),仍需做大量的分析,、檢測(cè)工作,。另外如自檢部分發(fā)生故障,顯示的故障內(nèi)容則可能有誤,。    
      (4)對(duì)主機(jī)出現(xiàn)擊穿,,斷保險(xiǎn)或燒毀器件的故障,一定要查明原因并排除故障后才能重新啟動(dòng),,否則會(huì)接連發(fā)生相同的故障,。 
      (5)當(dāng)電池組中發(fā)現(xiàn)電壓反極、壓降大,、壓差大和酸霧泄漏現(xiàn)象的電池時(shí),,應(yīng)及時(shí)采用相應(yīng)的方法恢復(fù)和修復(fù),對(duì)不能恢復(fù)和修復(fù)的要更換,,但不能把不同容量,、不同性能、不同廠家的電池聯(lián)在一起,,否則可能會(huì)對(duì)整組電池帶來不利影響,。對(duì)壽命已過期的電池組要及時(shí)更換,以免影響到主機(jī),。 
    四,、結(jié)束語   
      再好的設(shè)備也有壽命,也會(huì)出現(xiàn)各類故障,,但維護(hù)工作做的好可以延長(zhǎng)壽命,,減少故障的發(fā)生,這和人的壽命長(zhǎng)短,、生老病死是一樣的道理,。不要因?yàn)楦咧悄堋⒚饩S護(hù)而忽略了本應(yīng)進(jìn)行的維護(hù)工作,,預(yù)防在任何時(shí)候都是安全運(yùn)行的重要保障,。 


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