应用于石化领域的UPS不间断电源装置研究

摘要：UPS不间断电源装置是一种含有储能单元，以整流单元和逆变单元为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源，在石化领域为特别关间的控制系统、报警系统或安全系统等提供稳定的、高质量交流电能。本文主要介绍了在工业中选用的UPS不间断电源装置的主要组成部分，以及各部分的功能和特点。

关键词：UPS不间断电源装置;电能质量;化工领域

引言：电源是一切用电设备运行的基础，在石化领域中和安全生产相关的重要负荷，如果由于浪涌、频率变化、持续的过压或者欠压，甚至电源中断等因素影响了设备的正常运行，就有可能造成重大的经济损失和安全隐患，因此连续的高质量供电就显得尤为重要。普通的双电源切换装置从切换速度到可靠性，均不能满足工业要求，所以能够实现零秒切换，并自带蓄电池的UPS不间断电源装置，在化工领域中得到了广泛的应用。

概述

UPS不间断电源装置是内部含有蓄电池储能，并以整流电路和逆变电路为主要组成部分，用于提供不间断、高质量交流电能的一种电源设备。UPS不间断电源装置的另一个优势是可以过滤掉影响电能质量的负面因素，例如电压偏差、频率变化等，为用电的设备提供纯净的正弦电。同时，装置采用静态开关，能够在市电消失后，将电源高速切换到蓄电池供电系统中，保障供电的连续性，使重要设备可以不间断运行。化工领域中使用的UPS不间断电源装置中，所有功率变换器（诸如可控硅整流器、IGBT逆变器等）和系统元件（诸如旁路和逆变器的静态开关）都是由工业级CPU控制，运行中的可靠性得以进一步加强。

UPS不间断电源的组成

2.1 整流器模块

整流器模块的功能是把输入的三相三线制交流电源转换成为直流电源，为后续的逆变器及蓄电池供能。整流器模块可以提供四种充电模式：初充、均充、浮充和涓流充电，当交流电源接通后，整流器模块自动启动，充电模式间可进行自动切切换。目前石化领域中的UPS不间断电源装置通常选择使用可控硅作为整流器模块的主要元件，主要是因为可控硅可以承受约20倍的浪涌电流，具有很好的抗电网冲击能力。

2.2 逆变器模块

逆变器模块的功能是将输入的直流电源转换成稳定的交流电源供负载使用，主要元件采用IGBT。当整流器模块工作正常时，逆变器模块接收来自整流器模块的直流电源;当整流器模块失效时，逆变器模块使用来自电池组的直流电源。逆变模块具有过负荷保护和短路的限流功能，为UPS不间断电源装置中的元件提供保护。逆变器模块输出的交流电会始终跟踪旁路电源的相位，从而使输出电源和旁路电源始终保持同步，避免了电源切换过程可能产生的冲击。

2.3 静态旁路开关

静态旁路开关为无触点开关，由晶闸管开关器件构成，用作对市电和逆变器供电之间进行切换，快速晶闸管的反应时间是微秒级的，因此能够实现转换时间为零的不间断供电。

正常工作时，由逆变器模块给负载供电，旁路电源加在静态旁路开关的输入端，静态旁路开关处于断开状态。当逆变器模块失效或系统过负荷时，静态旁路开关首先接通，逆变器模块输出电源和旁路电源同时供给负载，当静态旁路开关可靠接通后，再断开逆变器模块，这种“先通后断”技术，确保了供电不会出现中断，实现零秒切换。当逆变器模块恢复正常、输出稳定的电源后，逆变器模块首先接通，输出的电源和旁路电源同时供给负载，然后静态旁路开关再断开，同样采用“先通后断”技术，确保供电不会中断。

2.4 手动旁路开关

手动旁路开关主要为试验和维修目的而设置，可以将UPS不间断电源装置进行隔离。手动旁路开关采用凸轮开关，电源与静态旁路开关引自同一电源，有三个操作档位：正常、维修和旁路。当处于“旁路”位置时，可以在通过手动旁路开关给负载供电的同时，实现对主机进行停电维修。

2.5 蓄电池

蓄电池作为备用电源，是UPS不间断电源装置的重要组成部分。在石化项目中最常使用的有阀控式铅酸蓄电池和开启式镍铬蓄电池。蓄电池储存电能，其容量的大小決定了应急供电的时间。随着技术的发展，蓄电池的使用寿命也得到了明显的延长，在温度适当的环境中，目前工业中使用的蓄电池寿命都可以在10年以上。

2.6 远程信号模块

UPS不间断电源装置配有远程信号模块，信号模块包括光电隔离输入通道和无源触点输出通道，并可通过编程定义每一路通道的含义。同时，装置还可以通过多种总线方式和通讯协议与远端管理系统进行信号传输，将装置的运行状态、逆变器的工作方式、旁路位置、电池的电压和电量以及充电完成时间等信息传送至远方有人值守的控制室，使工作人员可以时刻掌握装置的各项参数。同时，当设备出现故障、输出的交流电不正常，或者有过负荷等状况时，装置还可以主动报警，提醒工作人员尽快进行处理，保证设备的健康运行。

2.7 显示操作单元

UPS不间断电源装置配有显示操作单元，此单元可与其它功能模块进行通讯、交换信息。LCD显示屏除中文外，还内置数种语言，可记录多达数百条信息。工作人员可以通过显示屏了解设备的工作状态，例如整流器、静态旁路的输入输出参数，电池的温度、容量和后备时间等信息。通过面板上的控制按钮，工作人员也可以对系统参数进行设置。

UPS不间断电源主要特点

UPS不间断电源装置可以接受宽泛的电源输入，一般在400VAC±10%的电压范围，50Hz±10%的频率波动，以及注入的总电流谐波含量小于8%时，装置均可以正常工作。

UPS不间断电源装置输出电能质量高。逆变器模块输出的静态电压偏差能保持在额定输出电压的±1%以内。在瞬时100%额定输出负荷变化情况下，动态输出电压的变化不超过±3%允差范围，逆变器模块输出电压动态调整时间一般可以控制在 2毫秒内，频率偏差小于±0.1%，电压失真小于3%.

整流器模块、逆变器模块、静态旁路开关采用三块独立的控制板分别控制，三块控制板之间通过可以保持通讯、交换数据，当某一块控制板出现故障时，不影响整体装置的运行。

UPS不间断电源装置越来越多的采用模块化元件组成，每种功能由多个相同的元件和模块共同实现，相同的元件和模块可互换，这就为减少备品备件，简化维护和修理提供了便利。同时，其主要元件和模块采用物理隔离，降低了内部短路的危险并限制了故障的扩大。

结语

在石化项目中，如果DCS、SIS或火灾消防等重要系统，受到电压变化、频率波动、或者断电等因素影响而无法正常运行，将会使生产中断，造成经济损失。而与此带来的安全隐患，有可能造成更严重的人员伤亡。所以可以提供高质量、连续的电能，同时具有强大的数据采集、传输功能的UPS不间断电源装置已经在石化领域广泛应用。随着相关技术的发展和标准的制定，工业中使用的UPS不间断电源装置对元件和结构的要求也越来越高，装置本身的可靠性得到了保证。

参考文献

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作者介绍：

张晓笛（1984.7.31），性别：女;籍贯：北京;民族：汉族;学历：本科;职称：电气工程师：职务：电气工程师：研究方向：石油化工电气设计;单位：福陆（中国）工程建设有限公司5AD877A6-E56F-4BEB-B9AA-A41F86D6C4A8