浅谈石油化工企业中 UPS的工作原理及运行方式

浅谈石油化工企业中 UPS的工作原理及运行方式

顾占岳

中国石油化工股份有限公司天津分公司电仪中心电气科 天津市 300271

摘要：石油化工企业的生产具有高温高压、有毒有害、易燃易爆、生产连续性强等特点。目前，石油化工生产装置绝大多数采用DCS（distribute control system）系统进行生产过程的控制和操作。然而，一旦DCS系统受到电源波动影响，会对生产造成不可估量的损失。为了提高系统的可靠性，DCS的供电一般采用不间断电源（UPS）供电，因其是具有稳压、稳频、滤波、抗电磁和射频干扰、防电压浪涌等功能的电力保护系统，更重要的是具有提供后备电源和无间断切换的功能。

关键词：桥式整流、蓄电池、IGBT、可控硅、隔离变压器

在线双变换式UPS的工作原理

UPS是Uninterruptable Power Supply的简称，主要由整流单元、蓄电池组、逆变单元和静态开关4部分组成。根据工作原理不同可分为后备式、线路交换式、Delta变换式和在线双变换式四大类。目前石化企业主要采用在线双变换式UPS，其特点是市电经可控硅或IGBT（绝缘栅双极型晶体管）整流将交流电源转换为直流电源即（AC-DC变换），再由逆变器脉宽调制出等效正弦波即（DC-AC变换），经电容滤波通过输出隔离变压器给负载供电，如图1-1。

图1-1 高频机型UPS工作原理图

1.1交流-直流整流电路：市电电源经UPS输入电源开关流入整流器（IGBT或可控硅整流）进行桥式整流将交流电转换为脉冲直流电，经过电容滤波生成平滑的直流电，再通过直流母线分别供给蓄电池组和逆变电路。AC-DC输入有软启动电路，可降低直接对UPS滤波电容和配电系统的冲击。

1.2蓄电池充、放电回路：蓄电池组通过充电器或控制开关直接挂再直流母线上，正常运行状态下蓄电池处于浮充状态，一旦系统出现失电或晃电会造成整流器失电，此时逆变器电源直接由蓄电池组供应，切换无间断。市电恢复整流器重启，蓄电池再次进入充电状态。当蓄电池组放至截至电压，UPS将自动切至静态旁路运行。

1.3直流-交流逆变电路：直流母线电源经逆变器实现由直流电转换成等效交流电，目前UPS一般采用IGBT全桥逆变电路。IGBT其具有功率大，在输出动态范围内输出阻抗小且快速响应等特性。再通过脉宽调制生成等效交流电，再经电容滤波后通过输出隔离变压器给负载进行供电。

1.4静态开关转换：静态开关一般采用可控硅作为导通载体，它是一种无触点开关，由两个可控硅（SCR）反向并联组成，其闭合与断开由逻辑控制器控制。为了实现UPS在主路与旁路电源无间断切换，逆变器的输出每时每刻追踪旁路电源的电压幅值、频率、相位的变化，且保持一致方能实现负载的无间断切换。

1.5输出隔离变压器：使UPS电源的一次侧与二次侧的电气完全绝缘，也使该回路隔离。另外，利用其铁芯的高频损耗大的特点，从而抑制高频杂波流入馈出回路。对于工频机型UPS来说，市电电源经整流后的母线电压变化范围很大，而且整流属于降压电路，没办法提升电压，因此在较低的直流母线电压的情况下逆变出来的定压肯定是达不到要求的，因此要增加一个隔离升压变压器，其主要作用是升压。

1.6控制单元：控制单元是完成UPS整机功能控制的核心部件，它除了提供检测、保护、同步、逻辑判断、发布指令和显示驱动信号外，还对逆变器的SPWM正弦脉宽调制进行控制。

2、UPS运行模式

UPS有四种操作运行模式：正常操作模式、蓄电池工作模式、静态旁路工作模式和维护旁路模式。

2.1正常工作模式：在正常交流电源供应下，整流器将交流电转换为直流电源后，供电给逆变器并同时对电池充电。在将交流电整流为直流电时，整流器能将市电中所产生的异常波形、频率不稳定等问题消除，使逆变器提供更稳定的电源给负载。

2.2蓄电池工作模式：当交流电源发生异常或整流器故障时，电池组提供电能给逆变器，使交流输出不会有中断现象，进而达到保护输出负载的作用。

2.3静态旁路工作模式：当逆变器发生异常状况如逆变器保险丝熔断、元件温度过高、短路等故障时，逆变器会自动切断以防止损坏，若此时旁路交流电源正常时，静态开关会将电源供应转为由旁路电源输出给负载使用。

2.4维护旁路模式：当UPS要进行维修或更换电池而且负载供电又不能中断时，可以先切断逆变器开关然后激活静态旁路开关，再将整流器和蓄电池组电源开关切断。在手动维护旁路转换的过程中，交流电源经维护旁路开关继续供应电源给负载，此时，检修人员可以安全地对UPS进行维护。

3、UPS供电方式

UPS电源的供电方式主要有单机型、主从串联型、双机并列型和双机分列型四种方式。

3.1单机型供电方式：即只一台在线式UPS向负载供电，运行方式结构简单，所以一旦UPS出现故障，将直接影响负载的电源供电，可靠性相对较低，适用于非重要仪表电源供电。

3.2主从串联供电方式：即将一台UPS输出电源作为另一台UPS的静态旁路电源输入，正常情况下该UPS处于空载备用状态。只有当主UPS逆变器输出异常时，才将静态旁路电源开关打开向负载供电。主从串联供电方式可靠性虽有所提高，但是两台UPS的负载分配不合理，不利于设备的长周期运行。

图3-1 双机分列UPS负载接线简图

3.3双机并列供电方式：即两台UPS输出电源通过断路器并联至输出母线，然后向负载设备供电。正常情况下每台UPS分别承担一半的总负载容量，若其中一台出现异常则由另外一台UPS承担全部负载。虽然可靠性有所提高，但是并机板联机技术要求复杂、容易出现环流、存在单一路径、维护管理风险较大、固其弊大于利。

3.4双机分列供电方式： 双机分列运行方式的UPS如图3-1，主要是建立在仪表系统负载具备双电源直流冗余功能基础上的，解决了双机并列运行UPS输出端接在一起的隐患，运行方式与单机型UPS相似，结构简单，且两台UPS相互独立无通讯，简化了UPS控制系统。同时，利用STS双电源切换装置解决了单电源负载可靠性低的问题。

4、总结

要选择合适的UPS电源必须从商品价格、产品质量、销后服务、安装方式、运维成本等多方面的入手，容量选择按负载功率占到UPS功率的40%～60%为佳，再根据负载的特点、运行环境以及当地电网质量选择合适运行方式。

参考文献

[1]王兆安,刘进军.电力电子技术.[M].第5版.机械工业出版社.2015.

[2]刘凤君.DELTA逆变技术及其在交流电源中的应用.[M].机械工业出版社.2003.