唐耀陽，方明杰，羅南杭，饒文培

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應(yīng)用于船舶系統(tǒng)的UPS不間斷電源技術(shù)改進研究

唐耀陽1，方明杰2，羅南杭2，饒文培2

（1.中國人民解放軍海軍駐431廠軍事代表室，武漢 430064；2.武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430064）

本文對UPS不間斷電源的技術(shù)方案、改進設(shè)計和設(shè)備工作原理進行了分析、研究。本文研究設(shè)計的UPS不間斷電源采取了改進散熱器結(jié)構(gòu)、改進風(fēng)道、模塊化開關(guān)電源、改進印制板、改進測量電路、增加UPS斷電時自動切換旁路功能等12項主要技術(shù)措施，大幅度提高了設(shè)備的散熱性能、可靠性和工作穩(wěn)定性。

UPS不間斷電源 可靠性 改進

0 引言

UPS不間斷電源是船舶系統(tǒng)的重要設(shè)備，用于為船舶動力系統(tǒng)各設(shè)備、船上生活保障設(shè)備、船舶通訊系統(tǒng)等重要設(shè)備供電。隨著設(shè)備使用頻率增多、運行時間增長，設(shè)備散熱性能下降、工作穩(wěn)定性降低，已嚴重影響到船舶的安全運航行和船員生活保障，影響船舶的正常任務(wù)執(zhí)行。對UPS不間斷電源進行改進以提高船舶的安全可靠性，已是當務(wù)之急。

1 UPS不間斷電源結(jié)構(gòu)及原理

本文研究的UPS不間斷電源設(shè)備[1]共4套，每套由1臺不間斷電源、1臺隔離變壓器箱和3臺蓄電池箱組成，由于不間斷電源容易出現(xiàn)超溫報警、過流報警、自動切換到旁路、輸出電壓波動等故障，影響了相關(guān)系統(tǒng)的正常使用，影響到船舶正常使用和航行安全。

UPS不間斷電源的功能原理框圖如圖1所示。UPS不間斷電源改進樣機具有原設(shè)備的全部功能。新增UPS不間斷電源整機供電的自動應(yīng)急措施。

2 UPS不間斷電源功能

UPS不間斷電源改進樣機的主要功能為：

圖1 UPS不間斷電源改進樣機功能原理框圖

a）UPS正常逆變供電功能；

b）蓄電池放電、充電功能；

c）UPS自動旁路供電功能；

d）手動旁路供電功能；

e）新增UPS不間斷電源整機供電的自動應(yīng)急措施；

f）本機報警和遠傳報警功能。

3 UPS不間斷電源技術(shù)分析

圖2為單套UPS不間斷電源的原理接線圖。

UPS不間斷電源的工作原理[2]為：

來自電力系統(tǒng)的單相380 V電源輸出至隔離變壓器箱，當隔離變壓器箱前面板上的工況選擇開關(guān)置于“正?！蔽恢脮r，隔離變壓器箱輸出未穩(wěn)壓220 V為不間斷電源供電，電源輸出穩(wěn)壓220 V至隔離變壓器箱，經(jīng)隔離變壓器箱內(nèi)部的工況選擇開關(guān)轉(zhuǎn)接后，通過“220 V總輸出”插座輸出為船舶系統(tǒng)負載供電。而且，在單相380V輸入斷電時，不間斷電源仍能依靠自帶的蓄電池輸出穩(wěn)壓220 V，繼續(xù)為負載供電。

當隔離變壓器箱前面板上的工況選擇開關(guān)置于“旁路”位置時，隔離變壓器箱輸出的未穩(wěn)壓220 V電壓，通過“220 V總輸出”插座輸出為船舶系統(tǒng)負載供電。

問題一：蓄電池箱

蓄電池箱內(nèi)部安裝20塊串聯(lián)的蓄電池，蓄電池的使用壽命為3～5年，實船使用過程中的故障率低，不須改進。

問題二：隔離變壓器箱

隔離變壓器箱內(nèi)部包括隔離變壓器、工況轉(zhuǎn)換開關(guān)、斷路器等，實船使用過程中工作可靠，但也存在如下影響設(shè)備使用方便性的問題：

a）當UPS出現(xiàn)嚴重故障輸出失電時，此時需手動將隔離變壓器箱上的旁路轉(zhuǎn)換開關(guān)由“正?！鼻袚Q至“旁路”位置，從操作人員發(fā)現(xiàn)故障到做出正確反應(yīng)需要一段時間，不利于失電的應(yīng)急操作。

b）隔離變壓器在實船使用中運行穩(wěn)定，但作為供電轉(zhuǎn)換設(shè)備，變壓器本身有一定的功耗，長期運行后本身溫度高，影響隔離變壓器的工作壽命，且影響UPS整機散熱性能。

問題三：不間斷電源

不間斷電源內(nèi)部包括主電路元件、輔助電源、控制板、驅(qū)動板、旁路板、散熱器等各個部分[3]，在實船使用過程中，隨著使用頻率增多、運行時間增長，設(shè)備的散熱效果下降，內(nèi)部溫升高，性能下降，多次出現(xiàn)超溫報警、過流報警、自動切換到旁路、輸出電壓波動等故障。

主要問題分析如下：

1）設(shè)備內(nèi)部溫升高，影響設(shè)備工作穩(wěn)定性；

2）不間斷電源采用雙層電路板，無單獨的地線層，輔助電源線、地線傳輸距離較長從而容易疊加噪聲，控制、驅(qū)動、測量電路受到電源干擾后工作穩(wěn)定性下降；

3）不間斷電源的輸入電壓、輸出電壓、電池電壓和母線電壓測量電路采用差動放大電路，強電電壓接至控制板，長期使用后濾波器件性能下降，可能對弱電信號產(chǎn)生干擾，產(chǎn)生輸出電壓波動等故障；

4）不間斷電源的電流傳感器的輸出為弱電壓信號，長期使用后濾波器件性能下降，信號傳遞過程中受到干擾，出現(xiàn)電流監(jiān)控異常、誤報警、誤保護等故障。

不間斷電源的主電路電子元件在實船使用過程中工作較為可靠，故本次改進主要針對不間斷電源的散熱性能以及輔助電源、控制板、驅(qū)動板、旁路板存在的問題進行研究改進，而主電路基本結(jié)構(gòu)保持不變。

4 UPS不間斷電源改進研究

4.1 改進設(shè)計原則

UPS不間斷電源改進設(shè)計原則為：

首先，為便于實船使用、維修和更換，改進后的設(shè)備應(yīng)內(nèi)變外不變，外部接口、外形尺寸、安裝尺寸與原設(shè)備完全相同，可以實現(xiàn)對原設(shè)備的完全替換。第二，在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上進行改進提高，保留成熟技術(shù)，在解決現(xiàn)有問題的同時，避免引入新的問題和故障隱患[4]。第三，針對原UPS存在的溫升高以及測量電路、輔助電源電路等問題開展重點改進工作，通過UPS散熱性能分析、散熱設(shè)計、機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計、內(nèi)部布置設(shè)計，解決UPS散熱問題，降低設(shè)備的溫升[5]；通過改用新型電壓電流傳感器、采用模塊化電源等技術(shù)改進措施來解決測量電路、輔助電源電路存在的問題；采取自動切除熱敏電阻、印制板改進設(shè)計、接插件集成、隔離變壓器箱加裝風(fēng)扇等技術(shù)措施以提高設(shè)備的可靠性和工作穩(wěn)定性[6]；增加UPS故障時自動切換旁路功能以提高整機供電可使用性。第四，在所有問題中，首要考慮解決散熱問題，將散熱設(shè)計作為改進工作的重點。

4.2 解決路徑

針對設(shè)備存在的問題，UPS不間斷電源改進如下：

1)散熱器的改進

a）散熱器的總散熱面積增加、風(fēng)阻降低，改善了散熱性能；b）增加了IGBT的間距，功率密度降低，改善了散熱性能。原UPS散熱器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，散熱器長190 mm，截面為120 mm×120 mm，在120 mm高度方向安裝的散熱片數(shù)量為32個，散熱片布置較密集，散熱片間間距只有約2 mm，風(fēng)阻較大，容易堵塞灰塵。

改進后散熱器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，散熱器長270 mm，較原散熱器增加了約40%，截面仍為120 mm×120 mm，但在120 mm高度方向安裝的散熱片數(shù)量改為24個，降低了25%。

改進后的散熱器，風(fēng)道更加通暢，總散熱面積增加，使散熱性能得到了提高。

同時，散熱器上布置三個IGBT模塊，由于散熱器長度的增加，IGBT模塊的中心距由50mm增加為80mm，降低了功率密度，改善了IGBT導(dǎo)熱和散熱。

2) 散熱風(fēng)道設(shè)計的改進

主要改進為：

a）結(jié)合實船應(yīng)用特點，直接從前面板進風(fēng)，前后貫通式風(fēng)道設(shè)計，風(fēng)量大，風(fēng)阻低，改善了散熱性能；b）進風(fēng)口安裝可拆式屏蔽波導(dǎo)網(wǎng)，便于使用和維護，有助于設(shè)備長期保持良好散熱性。

3) UPS電路的改進

a）增加自動切除/恢復(fù)熱敏電阻功能

原UPS的220 V輸入端串入熱敏電阻，用于抑制啟動瞬間為直流電容充電產(chǎn)生的啟動電流，在UPS剛開始啟動時，熱敏電阻溫度較低，其電阻值較大，可以抑制啟動電流；UPS工作一段時間后，熱敏電阻溫度升高，其電阻值下降，但仍有較大的功耗，以輸入電流5A、熱敏電阻熱態(tài)阻值為0.1W計算，則此時熱敏電阻的功耗為2.5 W，熱敏電阻溫度高，一方面影響UPS散熱，另一方面還存在失效時引發(fā)設(shè)備故障的隱患。

針對上述問題，本次改進采用繼電器控制熱敏電阻的切除和恢復(fù)，在UPS開始啟動時，熱敏電阻串聯(lián)在輸入回路中，從而可抑制啟動電流，在UPS啟動后，自動切除熱敏電阻，既不影響上電瞬間熱敏電阻的限流作用，又解決了熱敏電阻長期通電過熱的問題。圖5為自動切除熱敏電阻的原理示意圖，虛線部分為所做的改進。

b）原UPS輸入、輸出采用小電流電源開關(guān)控制交流接觸器的通/斷方案，為使電路更加簡化、可靠，改用H-LW98萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)代替。H-LW98開關(guān)的耐壓為500 V，額定電流為16 A，滿足UPS使用要求。圖6為電源開關(guān)改進前后的示意圖。

圖5 自動切除熱敏電阻示意圖

圖6 電源開關(guān)改進前后示意圖（左側(cè)為改進前）

c）原UPS輸入、輸出采用普通陶瓷熔斷器，其熔斷時間較長，瞬間短路保護能力差，同時，熔斷器安裝在UPS內(nèi)部，出現(xiàn)故障后不易檢修。改進后UPS樣機用快速熔斷器代替原普通陶瓷熔斷器，以提高保護能力，同時，熔斷器由安裝于設(shè)備內(nèi)部，改為安裝于前面板，以便于使用維修。

d）原UPS采用分立元器件構(gòu)成輔助電源電路，位于控制板，其局部溫度較高，長期使用后，元器件參數(shù)性能下降而輸出紋波較大，容易對控制、測量、驅(qū)動信號產(chǎn)生干擾。在本次改進中，專門定制了性能優(yōu)良的輔助電源模塊，該電源模塊有交流220 V和直流240 V兩路輸入，兩路輸入相互切換時輸出不斷電，輸出電壓紋波小于100 mV，該電源模塊采用全金屬外殼，安裝于通風(fēng)口上方，散熱性能好，輔助電源的品質(zhì)和可靠性大大提高，改進后輔助電源的外形和布置見圖8。

e）原UPS內(nèi)部接插件較多，多采用2.54 mm和3.96 mm間距的直插式印制電路板插座，反復(fù)插拔、長期使用后，易產(chǎn)生接觸不良影響可靠性等問題，導(dǎo)致UPS工作異常，針對該問題，改進后的UPS采用3個用螺釘鎖緊的鍍金接插件，替代原分散布置于3塊電路板的25個插拔式接插件，總接插件數(shù)由27個減少為5個，提高了接插件的接觸可靠性，設(shè)備的工作可靠性得到提高。

f）原UPS控制板與驅(qū)動板之間有驅(qū)動信號、報警反饋、驅(qū)動電源等互聯(lián)線，互聯(lián)線較多容易造成信號干擾和降低可靠性，改進后的UPS將原控制板與驅(qū)動板合并為控制驅(qū)動板，而且通過優(yōu)化設(shè)計、合理布局，電路板的外形尺寸縮小了約31%，設(shè)備的工作可靠性得到提高。

g）原UPS控制板與驅(qū)動板采用雙層印制電路板，地線四處分布，易耦合噪聲而使信號受到干擾，改進后的UPS樣機用4層印制電路板替代原2層印制電路板，其中一層為地線層，同時印制板元器件合理布局，印制板走線加粗，通過上述措施，提高了信號抗干擾能力，設(shè)備的工作可靠性得到提高。

圖7 原UPS內(nèi)部電路板布置示意圖

圖8 UPS樣機電路板布置示意圖

改進前后印制電路板對比如表1所示。

圖7為原UPS內(nèi)部電路板布置示意圖。圖8為改進后UPS樣機電路板布置示意圖。

h）原UPS輸入電流、輸出電流、電池電流測量采用Honeywell公司的CS系列傳感器，該傳感器需要額外的調(diào)零、調(diào)量程電路來調(diào)節(jié)輸出電壓，在實際使用過程中出現(xiàn)零點漂移、輸出弱電壓信號在傳遞過程中易受干擾等問題，改進后的UPS樣機改用LEM公司的LA58-P型電流傳感器，其測量精度較高（＜0.5%），零點失調(diào)?。ǎ?.4%），響應(yīng)時間快（＜1μs），直接輸出電流信號（原副邊電流比1000:1），抗干擾能力強，無需調(diào)零、調(diào)量程，與控制電路的匹配性增強、可靠性提高。

原電流測量原理如圖9所示。改進后電流測量原理如圖10所示。

i）原UPS輸入電壓、輸出電壓、電池電壓、母線電壓測量采用基于差動放大的測量電路，實際使用中出現(xiàn)因分壓電阻阻值不匹配或阻值變化造成測量不準問題，以及將較高電壓接入控制板，容易產(chǎn)生干擾等問題，改進后的UPS樣機改用LEM公司的LV25-P/SP2型電壓傳感器，其精度較高（＜0.8%），線性誤差小（＜0.2%），原付邊隔離電壓高（4.1 kV），直接輸出電流（原副邊電流比2500:1000），抗干擾能力強，無需調(diào)零、調(diào)量程，可靠性提高。原電壓測量原理如圖11所示。改進后電壓測量原理如圖12所示。

圖11 原電壓測量原理

圖12 改進后電壓測量原理

5 應(yīng)用前景分析及結(jié)論

本文改進研究的UPS不間斷電源改進樣機，針對船用UPS存在的問題，采取了多項針對性的改進設(shè)計措施，改進后設(shè)備的散熱性能、設(shè)備的抗干擾能力和自兼容能力提升，工作穩(wěn)定性、可靠性較原設(shè)備大幅度提高。

本文針對原設(shè)備存在的超溫報警、過流報警、輸出電壓波動等故障問題，開展了大量深入細致的研究分析和技術(shù)改進工作，采取了改進散熱器結(jié)構(gòu)、改進風(fēng)道、模塊化開關(guān)電源、改進印制板、改進測量電路、增加UPS斷電時自動切換旁路功能等12項主要技術(shù)改進措施，大幅度提高了設(shè)備的散熱性能、可靠性和工作穩(wěn)定性。

[1] 石磊. UPS電源技術(shù)及發(fā)展[J].電器開關(guān)，2010, (01):19-20.

[2] 趙昌秀.淺談UPS電源及其維護[J]. 科學(xué)大眾，2011,(03):07-08.

[3] 周彥.中小功率不間斷電源的研究與設(shè)計[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011,(31):11-12.

[4] 孫博. UPS電源設(shè)備的原理與使用維護[J]. 通信電源技術(shù)，2010,27(3):68-70.

[5] 鄭小瑛. 通信電源的維護管理探討[J]. 通信電源技術(shù), 2010, 27(5):91-94.

[6] 李探元等. 不間斷電源電氣性能測試技術(shù)[J]. 通信電源技術(shù), 2011,28(6):84-86.

Improvement of Uninterruptible Power Supply Used in A Ship

Tang Yaoyang1, Fang Mingjie2, Luo Nanhang2, Rao Wenpei2

（1．Naval Representatives Office in 431 Factory, Wuhan 430064, China；2. Wuhan Second Ship Design Institute, Wuhan 430064, China）

TN862

A

1003-4862（2017）03-0062-05

2016-09-15

唐耀陽(1969-)，男，高級工程師。研究方向：UPS電源。