浅谈UPS在工业中的应用

1浅谈UPS在工业生产中的应用作者：李国安论文指导：潘怡忠2005年12月2第一章概述目前石化系统绝大多数生产装置采用DCS（Distributecontrolsysterm）进行生产过程的控制和操作。为提高可靠性，DCS及相关仪表的供电采用不间断电源——UPS（Uninterruptiblepowersupply）。UPS电源是一种能够为计算机、生产过程控制系统等重要负载提供不间断的优质安全电源的装置。当电网发生任何异常状况时，它能确保计算机等重要负载在一定时间内仍然正常工作，有效抵御因电网扰动引起的数据丢失、生产过程失控等危险。因此UPS可为DCS提供稳定的电源为工艺操作人员进行装置应急停车赢得了时间，可以有效的避免生产装置的非计划停车。第二章UPS的重要性UPS的负载主要是分散控制系统DCS，报警、保护、调节设备，计算机监测系统，以及其他自动和保护装置等。DCS是装置控制，操作监视的核心，一些重要的数据，图像和文字都是由DCS系统来进行处理，存储和传送。DCS系统时时都要对生产过程中的工艺变量（温度、压力、流量、物位、浓度等）进行监测监控，因此DCS一旦失电，整个生产装置将陷入一片混乱，操作人员无法对装置进行控制，操作和监视。轻则造成装置停车，重则就会出现爆炸等恶劣事故，造成设备损坏及人身伤亡。此外一些像电网波动、谐波污染等状况都会多DCS系统产生较大的影响，为了避免这些情况的出现，DCS需要一个纯净、稳定、不间断的电源系统——UPS。因此，UPS的不稳定或性能不能将直接影响到DCS的正常工作，进而影响到整套装置的运行。UPS从最初提供后备时间的单一功能发展到今天不仅提供后备时间，而且还能改善电网质量的双重功能。在保护计算机数据，改善电网质量，防止停电和电污染对用户造成危害等方面起着重要的作用。它有以下几个显著特点：（1）供电可靠性（2）供电质量高（3）效率高，损耗低（4）故障低，维护容易第三章UPS的结构及原理UPS电源一般由整流器、逆变器、静态开关、蓄电池、旁路开关等部份组成。UPS的内部结够图31．整流充电器此单元可以把交流电变为直流电。为逆变器和蓄电池提供能量。其性能的优劣直接影响UPS输入指标，目前的UPS主要采用两种整流器。（1）可控硅整流器可控硅整流器输出容量大，可靠性高，工作频率低，滤波器体积大，噪声大，适用于输入电压低，攻率大的UPS。（2）二极管与绝缘栅双极晶体管（IGBT）组合型整流器二极管与IGBT组合型整流器的工作频率高，具有功率因数校正功能，滤波器体积小，噪声低，可靠性高，适用于中小功率的UPS。2．蓄电池此单元用来为UPS提供一定的后备时间的电能输出（其后备时间一般以用户要求可以自行制定）当市电正常时由整流充电器为其提供电能并转换为化学能。在主电源中断时，蓄电池将化学能转换为电能，为逆变器提供能量。3．静态开关为了实现交流旁路与逆变器之间快速切换，在UPS的逆变器输出通道上和交流旁路输出通道上各设置一对由两只反相并联的快速可控硅组成的静态开关（图3）说明：a。当可控硅阳极电位高于阴极电位时，在可控硅的栅极加上触发信号，可控硅即进入导通状态，由于快速可控硅的开通时间是微秒级的，因此静态开关的接通时间可以认为几乎是零。a．可控硅一旦导通，即使将它的栅极触发信号扯掉它也没有自关断的能力，继续处于导通状态，这种状态一直到维持到它的阳极与阴极间的正弦波电源进入负半周，使其阳极电位低于阴极电位为主。因此对50HZ交流电源，静态开关的关断时间为0－10ms。4．逆变器逆变器用以把市电经整流后的直流电能或蓄电池的直流电能转换为电压和频率都比较稳定的交流电能。4第四章乙二醇前后几套UPS的对比4．1一期工程中的UPS乙二醇装置原UPS是日本富士公司80年代的产品，技术本身不算特别成熟，当UPS故障时，静态开关切换时间大于仪表DCS要求的最长失电时间，导致仪表DCS黑屏，此外装置通过二次增量改造后，原设计的UPS容量已跟不上新的DCS及相关仪表的容量而且UPS其本身也存在寿命问题，经过十几年的运行故障率提高了很多，对生产造成很大的不稳定性。所以在增量改造时已进行了更换。4．2现有乙二醇装置的UPS运行状况现在乙二醇装置使用的为美国【电源先锋】（GTS1－40K）UPS，GTS1－40K是一台容量为40KVA，三相输入单相输出（380/110V）的在线式UPS。所谓在线式，是指不管电网电压是否正常，负载所用的交流电压都要经过逆变电路，一般都为双变换式，既UPS在工作时电能经过了AC/DC、DC/AC的两次变换后再供给给负载。当电网供电正常时，电网输入的电压一路经过噪声滤波器去除电网中的高频干扰，以得到纯净的电压，然后进入充电器对蓄电池充电；另一路进入整流器进行整流和滤波，并将交流电转换成平滑直流电供给逆变器，而逆变器又将直流电转换成220V、50HZ的交流电供给负载。其特点是无论市电正常与否，逆变器始终处于工作状态。逆变器具有稳压和调压的作用，因此对电网能起到净化作用，同时具有过载保护功能和较强的抗干扰能力，供电质量稳定可靠。输出的正弦波的波形失真小，目前一般市售产品的波形失真系数均在3％以内。当市电中断时，UPS的输出不需要一个开关转换时间，因此负载电能的供应是平滑稳定的。能实现对负载的真正不间断供电，因此从市电供电到市电中断的过程中，UPS对负载供电的转换时间为0。此外现在的传统的在线式UPS除了具有整流器和逆变器外，还有输出隔离变压器，增加隔离变压器的主要原因是：由于过去电力电子器件的限制，缺少高耐压、大电流的功率器件作为逆变器，整流器变换出的直流电压不能很高所以逆变器输出的交流电流电电压比较低，需要隔离变压器的再一次升压。因此配有输出隔离变压器，可以将负载与市电中线进行有效的隔离和缓冲。下面是GTS1－40K型UPS的运行原理51．当主电源正常时，整流充电器将非稳定的市电整流成功率是足够大，电压稳定的直流电压，向逆变器提供电力供应，同时向蓄电池组充电。逆变器在正弦脉宽调制（spwm）控制信号的作用下，将稳定的直流电压转换所需要的正弦波电压（110V交流电）通过输出变压器、静态开关向负载供电。2．当主电源中断时，后备蓄电池开始工作，此时蓄电池把储存的电能通过逆变器转换成正弦交流电供给负载。3．当逆变器损坏或过载、短路故障时，由备用电源（旁路电源）直接经静态开关向负载继续供电。4．为了维护UPS时，保证负载继续运行，另外设置了检修旁路电源。在近4年的运行过程中表现稳定，整个系统没有发生过一次故障，仅有的2次事件都属于外部电源故障引起的。而UPS系统在事件中真正做到了不间断电源。确保对DCS及相关仪表的供电，为装置的安、稳、优生产提供了强有力的保障。此外该UPS整流电源和交流旁路电源采用的是主、备双电源，加上蓄电池储能，实际上有三路电源向负载供电提高了UPS供电的可靠性，而采用双极冗余供电方式实际上不仅节省了投资，且运行可靠。事件一：全站失电对UPS的考验2002年7月22日下午1时，乙二醇分变突然全站失电，UPS系统检测到主电源中断后，马上由蓄电池经逆变器向DCS及相关仪表供电，保证了整个DCS系统的用电，使操作人员能安全，顺利地对装置停车。原因分析：1）天气炎热，整个装置用电负荷上升且400V一段，二段负荷分配不均。2）装置增量改造后，对400V一段和二段进线开关的电流整定值没有及时更正。事件二：过载对UPS的考验2003年9月，UPS室内突然发生报警声，值班人员闻声后对UPS进行检查，发现UPS由正常供电切换至旁路供电。LED故障显示为过流引起。询问控制室操作人员DCS有何异常。回应为DCS系统工作正常。原因分析：DCS机房内，在安装有关仪表时，安装人员误将110V电源插座当成220V电源，在使用冲击钻时而引起的，后手动切换至逆变器输出UPS系统恢复正常工作。两件事例说明该台UPS无论从蓄电池的性能方面还是静态开关切换时间方面，都达到极高的水准克服了富士UPS存在的不足，确保了整个仪表系统供电的可靠性。4．32＃乙二醇中的UPS设计方案在单台系统中一旦UPS出现故障，那么就会进入旁路供电，这时负载直接暴露在电网电压之下，若电网电压质量较差，对负载的危害是不言而喻的。因此为了提高UPS系统可靠性和可用性我们在2＃乙二醇系统中采用了并联冗余技术。所谓并联冗余是指参与并联运行的各个UPS单机在系统中具有同等的地位，共同分担符合，其中任意一台单机出现故障，其他单机能自动均担多出来的负荷，而故障单机也会自动从负载母线上脱开系统。本次项目采用2台30KVA的工业系列UPS直接并联UPS组成一套交流不间断6集中供电系统为所有网络、数据负载供电，同样采用三进单出的运行方式。其原理图如下图：逆变器电池组2#2UPS输入隔离变整流器Q1BATMCBQ2Q3逆变静态开关输出隔离变Q4旁路静态开关1X220Vac,L1,N旁路静态开关电池组1#1UPSQ1输入隔离变Q2整流器MCB逆变静态开关BAT逆变器输出隔离变Q4Q3旁路电源2X380Vac,L1,L2K1隔离变压器380V/220VK2(正常运行时挂锁保护)K3K4K8K7#1UPS主电源3X380Vac,L1,L2,L3,PE#2UPS主电源3X380Vac,L1,L2,L3,PEK5K6ZK8ZK7ZK6ZK5ZK4ZK3ZK2ZK1隔离变压器及外置手动旁路柜其特点是：当其中一台出现故障时，另一台由半载变为承担全灾，负载的波动对设备的影响相对较小，具有相当高的可靠性。7结束语其实UPS的发展经历了一个相当长的过程，从原来单纯的后备式到在线式，再到冗余系统，内部元件也越来寿命越长，性能也越来越可靠。现在世界上主要的UPS厂商如：梅兰日兰、爱克赛、电源先锋、先控—索克曼、科士达、爱默森等的产品品种都非常可靠因此选择怎样的一种方式，合理配置才能达到安全可靠的目的。无疑冗余式系统是现在最为安全的一种方式，也是现在UPS发展的趋势。此次2＃乙二醇项目中的选用了并联冗余的方式，极大的提高了今后装置生产的安全性。但并不是说这种方式就万无一失，如果单台容量小于总容量的话就起不到冗余的目的，所以在配置UPS容量时应该注意不宜做增容使用。此外并联机器的各种性能、参数需完全一致，如稍有差别将引起解列或环流，所以在操作和维护时应该注意这个问题。虽然蓄电池是UPS设备中比较简单的部件，但蓄电池的性能、运行状况是UPS系统中至关重要的环节之一。因此蓄电池的选择也是一个不容忽视的细节。现在使用的一般都是全封闭免维护电池一般要求3～6个月需充放电一次，而我们由于受生产实际的限制一般控制在每年一次充放电试验，因此电池组长期在浮充电状态，极易造成电池组老化，得不到活化。另外充电机的纹波系数高，充电机滤波电容器的容量降低及损坏等因素，造成电池组故障率极高。在市电中断时，电池不能放电造成供电中断，造成经济损失。所以这就要求我们再日常的维护中加强管理，及时的发现问题及时处理，定期对电池组进行更换才能避免事故的发生。