賴偉勇

（廣州北環(huán)高速公路有限公司，廣東 廣州 510000）

一、高速公路用UPS傳統(tǒng)方案

高速公路有很多都是地處偏遠的地帶,不得不采用農用電源,那里的供電條件不好,比如電壓波動幅度大、經(jīng)常停電;環(huán)境條件不好,比如山洞內濕度大,冬夏溫差大,特別是雷雨季節(jié)干擾大;技術力量薄弱,維修能力差等等。所以就對UPS提出了嚴格的要求,比如要求UPS能耐惡劣環(huán)境,具有無人值守的能力。除此之外,為了提高供電系統(tǒng)的可靠性,在UPS前面增加了一級參數(shù)穩(wěn)壓器。采用何種穩(wěn)壓器,根據(jù)目前國內的穩(wěn)壓器產品現(xiàn)狀有如下考慮:

1.自動穩(wěn)壓器

這種穩(wěn)壓器結構簡單,價格低廉,但可靠性差。因為它是靠碳刷的移動 (滑動或滾動)來穩(wěn)壓,控制電路根據(jù)輸出設定的情況,來控制M點上下移動,以使輸出電壓符合負載的要求。但這種電路的缺點是可靠性低和動態(tài)相應速度慢,不隔離干擾。碳刷在不同的移動中會慢慢變薄直至損壞,在濕度很大的情況下壽命縮短會更快。由于是機械運動,所以動態(tài)相應慢,這將會導致瞬間電壓突升與突降,損壞后面的設備。比如當輸入電壓下降15%,即220V下降到187V時,為了保證輸出仍為220V,M就必須上滑至N點,這時的變比為220∶187=1.18,這時如果有一個大型的感性負載突然下載,造成市電電壓突然產生一個300V的浪涌,由于M點的機械惰性而來不及移動,在輸出端就會出現(xiàn)一個354V的高電壓,輕則使UPS電池放電,重則燒毀UPS輸入電路。反之,如果有一個大型的感性負載突然加載,也將會出現(xiàn)一個100V的凹陷,也會導致UPS的電池放電,加速了電池的失效。

2.凈化電源交流穩(wěn)壓器

這種交流穩(wěn)壓器的出現(xiàn)主要是代替原來的電磁補償式614型穩(wěn)壓器。這種穩(wěn)壓器的原理是根據(jù)雙向可控硅導通角度的不同而形成不同的等效電感量,使輸出對輸入的變化進行補償而進行穩(wěn)壓的。這種電源的穩(wěn)定度較高,可達到0.1%;效率也較高,可達97%;輸出電壓波形失真度較小,可達到0.2%。這種穩(wěn)壓器的可靠性很高,有隔離干擾的能力?？梢钥闯?主電路中沒有功率管,都是電感和電容等元器件,唯一的一只半導體器件還是可靠性很高的雙向可控硅。但這種電路的缺點是調解范圍窄,一般只適應額定電網(wǎng)電壓的±10%,功率不容易做大,這顯然無法滿足高速公路的要求,一般不在考慮范圍內。

3.NPS型智能穩(wěn)壓電源

這是一項新技術,是在總結了上述幾種穩(wěn)壓器的優(yōu)缺點和吸收了Delta變換技術的經(jīng)驗后而研制出的專利產品。這種電路既采用了當前成熟的PWM技術,又結合了UPS的Delta變換技術。這種電源解決了上面幾種穩(wěn)壓器所存在的問題:

(1)由于吸取了Delta變換技術的經(jīng)驗,所以就具有了它的一些優(yōu)點,比如輸入功率因數(shù)高達0.95以上,比參數(shù)穩(wěn)壓器高得多。

(2)效率高。從電路的結構可以容易地看到,它是集中了自動穩(wěn)壓器的優(yōu)點。而且反應速度快,是自動穩(wěn)壓器所無法比擬的。

(3)輸入輸出隔離性能好。集中了參數(shù)穩(wěn)壓器和凈化電源的優(yōu)點。由于在工作中沒有無功功率的存儲,所以不存在擊毀其它設備問題。

(4)由于是PWM電路與磁路的結合原理,結構輕巧,而不是像參數(shù)穩(wěn)壓器那樣的笨重。

(5)可靠性高。由于工作效率高、損耗小,使機內溫度不高,提高了機器的可靠性。

(6)可以智能監(jiān)控。機器留有RS232串口,可以做遠程監(jiān)控。

(7)容量可以做得很大。不像凈化電源和參數(shù)穩(wěn)壓器那樣最大只能做到幾十千伏安。正是有了如上的優(yōu)點,在高速公路配電中應為首選。

二、UPS在高速公路工程中的作用

在高速公路中用量最大的應屬收費系統(tǒng)。其次還有通信、數(shù)據(jù)處理、變電站和攝像監(jiān)控等。收費系統(tǒng)的重要性很大,不能有一點疏忽。尤其是現(xiàn)在有的地方自動化程度很高、制度很嚴,比如收費站的欄桿不經(jīng)過刷卡就不能抬起放行,如果因電源問題使刷卡機停止工作,就會導致車輛的堵塞。比如福建一高速公路段因"參數(shù)穩(wěn)壓器UPS"系統(tǒng)故障而導致停止運行2h,從而造成了幾百輛汽車"闖關",造成了重大損失。

要求供電系統(tǒng)的設備質量不但要高,而求當供電故障時,其維修時間要非常短。比如發(fā)現(xiàn)故障快、功能部件更換速度快。最好有預警系統(tǒng)。

三、用于高速公路供電系統(tǒng)的幾種電源解決方案

1.單機供電系統(tǒng)。在一些電網(wǎng)情況比較好的地方,最好不要在UPS前面加穩(wěn)壓器,如圖1所示。因為加一級設備,就多一個故障點。故障率比原來提高了一倍。

圖1 單機供電系統(tǒng)

2.雙機供電系統(tǒng)。為了以防萬一,有些收費站要求多機系統(tǒng)。所謂多機系統(tǒng)就是指有的用戶要求每一個車道配一臺UPS,這樣一來,即使有一個車道的電源故障,另外的車道可照常運行,以避免堵車闖關現(xiàn)象發(fā)生。為了提高可靠性和可用性,采用雙臺UPS冗余并聯(lián)或互為備份是科學的。(1)雙臺UPS冗余并聯(lián)解決方案

圖2 雙臺UPS冗余并聯(lián)系統(tǒng)

如圖2所示。這個方案可用于各種容量的系統(tǒng)中,小到幾千伏安,大到幾百千伏安。但遺憾的是10kVA以下的UPS很少有并聯(lián)機型,即使有,在價格上也比較高,否則這種并聯(lián)的功能就不足。

(2)互為備份解決方案

互為備份解決方案對于一些小的收費站非常合適,比如車道是3進2出,每個車道的用電約為700VA,考慮到其他因素,以1kVA計,5個車道就是5kVA。這是可用2臺5kVAUPS構成互為備份系統(tǒng),如圖3所示。兩臺UPS可接到三相電的任意兩相上,如圖中的A相和B相,就有了類似雙路供電效果。

圖3 互為備份解決方案原理圖

兩臺UPS之間用以快速機電器JO連接,在正常時JO是斷開狀態(tài),兩臺UPS可各帶一部分負載。一旦一相電(比如A相斷電)出了問題,繼電器JO就會閉合,將另一相電(B相)的UPS2輸出轉接過來,使負載繼續(xù)運行,等故障UPS修復后,又恢復雙機供電狀態(tài)。這種繼電器的切換時間小于10ms,這是任何計算機類負載完全允許的。由于是兩相供電,互差120°,所以這種切換必須要有間斷。根據(jù)IBM的測試,在市電停電后,計算機本身的PWM電源可滿負荷工作50ms。由圖3可以看出,A相斷電且UPS1電池耗盡時,輸出為零,繼電器JO的閉合使UPS1輸出又恢復電壓,由于電壓的恢復又會使JO斷開,JO的斷開,又導致UPS1輸出為零,這樣一來就會形成UPS1的斷續(xù)輸出狀態(tài),使負載無法工作下去。

解決方案實施電路就詳細說明了它的解決方法。這里采用了兩只快速繼電器,將兩只繼電器的線包分別接在兩臺UPS輸出端可實現(xiàn)可靠切換了。這個方案既節(jié)約又可靠,同時容易實現(xiàn)。除此之外,在單相供電的地方也可采用。有的地方采用N+1模塊式單機結構也不失為好方案。

3.雙系統(tǒng)供電解決方案

一般在大型控制中心要求更高的可靠性,所以不但設置了雙路供電 (兩路市電或一路市電,一路發(fā)電機),而且還采用了兩套UPS冗余系統(tǒng)互為冗余。這種系統(tǒng)的切換由于容量太大,就再也無法使用繼電器和接觸器來實現(xiàn)短時間(<10ms)切換了,在這種情況下可采用靜態(tài)開關STS。

結束語：總之，UPS具有的比較完善的狀態(tài)監(jiān)控、電池狀態(tài)監(jiān)控、輸入輸出電壓監(jiān)控、負載變化監(jiān)控等檢測監(jiān)控數(shù)據(jù),并可以輕松并入網(wǎng)絡。UPS廣泛地應用于IT行業(yè)和特殊的精密設備,遍布從信息采集、傳送、處理、儲存和應用的各個環(huán)節(jié),其重要性隨著信息應用重要性的日益提高而不斷提高。

[1]趙亮.UPS不間斷電源"1+1"并機冗余技術應用[J].中國交通信息化；2010.08.10.

[2]溫宗建，劉曉蕾.UPS電源新技術在高速公路信息系統(tǒng)中的應用[J].山東通信技術；2004.03.30.