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        應(yīng)用于石化領(lǐng)域的UPS不間斷電源裝置研究

        2022-03-26 14:11:17張曉笛
        家園·電力與科技 2022年2期

        摘要:UPS不間斷電源裝置是一種含有儲能單元,以整流單元和逆變單元為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源,在石化領(lǐng)域?yàn)樘貏e關(guān)間的控制系統(tǒng)、報警系統(tǒng)或安全系統(tǒng)等提供穩(wěn)定的、高質(zhì)量交流電能。本文主要介紹了在工業(yè)中選用的UPS不間斷電源裝置的主要組成部分,以及各部分的功能和特點(diǎn)。

        關(guān)鍵詞:UPS不間斷電源裝置;電能質(zhì)量;化工領(lǐng)域

        引言:電源是一切用電設(shè)備運(yùn)行的基礎(chǔ),在石化領(lǐng)域中和安全生產(chǎn)相關(guān)的重要負(fù)荷,如果由于浪涌、頻率變化、持續(xù)的過壓或者欠壓,甚至電源中斷等因素影響了設(shè)備的正常運(yùn)行,就有可能造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患,因此連續(xù)的高質(zhì)量供電就顯得尤為重要。普通的雙電源切換裝置從切換速度到可靠性,均不能滿足工業(yè)要求,所以能夠?qū)崿F(xiàn)零秒切換,并自帶蓄電池的UPS不間斷電源裝置,在化工領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

        概述

        UPS不間斷電源裝置是內(nèi)部含有蓄電池儲能,并以整流電路和逆變電路為主要組成部分,用于提供不間斷、高質(zhì)量交流電能的一種電源設(shè)備。UPS不間斷電源裝置的另一個優(yōu)勢是可以過濾掉影響電能質(zhì)量的負(fù)面因素,例如電壓偏差、頻率變化等,為用電的設(shè)備提供純凈的正弦電。同時,裝置采用靜態(tài)開關(guān),能夠在市電消失后,將電源高速切換到蓄電池供電系統(tǒng)中,保障供電的連續(xù)性,使重要設(shè)備可以不間斷運(yùn)行?;ゎI(lǐng)域中使用的UPS不間斷電源裝置中,所有功率變換器(諸如可控硅整流器、IGBT逆變器等)和系統(tǒng)元件(諸如旁路和逆變器的靜態(tài)開關(guān))都是由工業(yè)級CPU控制,運(yùn)行中的可靠性得以進(jìn)一步加強(qiáng)。

        UPS不間斷電源的組成

        2.1 整流器模塊

        整流器模塊的功能是把輸入的三相三線制交流電源轉(zhuǎn)換成為直流電源,為后續(xù)的逆變器及蓄電池供能。整流器模塊可以提供四種充電模式:初充、均充、浮充和涓流充電,當(dāng)交流電源接通后,整流器模塊自動啟動,充電模式間可進(jìn)行自動切切換。目前石化領(lǐng)域中的UPS不間斷電源裝置通常選擇使用可控硅作為整流器模塊的主要元件,主要是因?yàn)榭煽毓杩梢猿惺芗s20倍的浪涌電流,具有很好的抗電網(wǎng)沖擊能力。

        2.2 逆變器模塊

        逆變器模塊的功能是將輸入的直流電源轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的交流電源供負(fù)載使用,主要元件采用IGBT。當(dāng)整流器模塊工作正常時,逆變器模塊接收來自整流器模塊的直流電源;當(dāng)整流器模塊失效時,逆變器模塊使用來自電池組的直流電源。逆變模塊具有過負(fù)荷保護(hù)和短路的限流功能,為UPS不間斷電源裝置中的元件提供保護(hù)。逆變器模塊輸出的交流電會始終跟蹤旁路電源的相位,從而使輸出電源和旁路電源始終保持同步,避免了電源切換過程可能產(chǎn)生的沖擊。

        2.3 靜態(tài)旁路開關(guān)

        靜態(tài)旁路開關(guān)為無觸點(diǎn)開關(guān),由晶閘管開關(guān)器件構(gòu)成,用作對市電和逆變器供電之間進(jìn)行切換,快速晶閘管的反應(yīng)時間是微秒級的,因此能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)換時間為零的不間斷供電。

        正常工作時,由逆變器模塊給負(fù)載供電,旁路電源加在靜態(tài)旁路開關(guān)的輸入端,靜態(tài)旁路開關(guān)處于斷開狀態(tài)。當(dāng)逆變器模塊失效或系統(tǒng)過負(fù)荷時,靜態(tài)旁路開關(guān)首先接通,逆變器模塊輸出電源和旁路電源同時供給負(fù)載,當(dāng)靜態(tài)旁路開關(guān)可靠接通后,再斷開逆變器模塊,這種“先通后斷”技術(shù),確保了供電不會出現(xiàn)中斷,實(shí)現(xiàn)零秒切換。當(dāng)逆變器模塊恢復(fù)正常、輸出穩(wěn)定的電源后,逆變器模塊首先接通,輸出的電源和旁路電源同時供給負(fù)載,然后靜態(tài)旁路開關(guān)再斷開,同樣采用“先通后斷”技術(shù),確保供電不會中斷。

        2.4 手動旁路開關(guān)

        手動旁路開關(guān)主要為試驗(yàn)和維修目的而設(shè)置,可以將UPS不間斷電源裝置進(jìn)行隔離。手動旁路開關(guān)采用凸輪開關(guān),電源與靜態(tài)旁路開關(guān)引自同一電源,有三個操作檔位:正常、維修和旁路。當(dāng)處于“旁路”位置時,可以在通過手動旁路開關(guān)給負(fù)載供電的同時,實(shí)現(xiàn)對主機(jī)進(jìn)行停電維修。

        2.5 蓄電池

        蓄電池作為備用電源,是UPS不間斷電源裝置的重要組成部分。在石化項(xiàng)目中最常使用的有閥控式鉛酸蓄電池和開啟式鎳鉻蓄電池。蓄電池儲存電能,其容量的大小決定了應(yīng)急供電的時間。隨著技術(shù)的發(fā)展,蓄電池的使用壽命也得到了明顯的延長,在溫度適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中,目前工業(yè)中使用的蓄電池壽命都可以在10年以上。

        2.6 遠(yuǎn)程信號模塊

        UPS不間斷電源裝置配有遠(yuǎn)程信號模塊,信號模塊包括光電隔離輸入通道和無源觸點(diǎn)輸出通道,并可通過編程定義每一路通道的含義。同時,裝置還可以通過多種總線方式和通訊協(xié)議與遠(yuǎn)端管理系統(tǒng)進(jìn)行信號傳輸,將裝置的運(yùn)行狀態(tài)、逆變器的工作方式、旁路位置、電池的電壓和電量以及充電完成時間等信息傳送至遠(yuǎn)方有人值守的控制室,使工作人員可以時刻掌握裝置的各項(xiàng)參數(shù)。同時,當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障、輸出的交流電不正常,或者有過負(fù)荷等狀況時,裝置還可以主動報警,提醒工作人員盡快進(jìn)行處理,保證設(shè)備的健康運(yùn)行。

        2.7 顯示操作單元

        UPS不間斷電源裝置配有顯示操作單元,此單元可與其它功能模塊進(jìn)行通訊、交換信息。LCD顯示屏除中文外,還內(nèi)置數(shù)種語言,可記錄多達(dá)數(shù)百條信息。工作人員可以通過顯示屏了解設(shè)備的工作狀態(tài),例如整流器、靜態(tài)旁路的輸入輸出參數(shù),電池的溫度、容量和后備時間等信息。通過面板上的控制按鈕,工作人員也可以對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

        UPS不間斷電源主要特點(diǎn)

        UPS不間斷電源裝置可以接受寬泛的電源輸入,一般在400VAC±10%的電壓范圍,50Hz±10%的頻率波動,以及注入的總電流諧波含量小于8%時,裝置均可以正常工作。

        UPS不間斷電源裝置輸出電能質(zhì)量高。逆變器模塊輸出的靜態(tài)電壓偏差能保持在額定輸出電壓的±1%以內(nèi)。在瞬時100%額定輸出負(fù)荷變化情況下,動態(tài)輸出電壓的變化不超過±3%允差范圍,逆變器模塊輸出電壓動態(tài)調(diào)整時間一般可以控制在 2毫秒內(nèi),頻率偏差小于±0.1%,電壓失真小于3%.

        整流器模塊、逆變器模塊、靜態(tài)旁路開關(guān)采用三塊獨(dú)立的控制板分別控制,三塊控制板之間通過可以保持通訊、交換數(shù)據(jù),當(dāng)某一塊控制板出現(xiàn)故障時,不影響整體裝置的運(yùn)行。

        UPS不間斷電源裝置越來越多的采用模塊化元件組成,每種功能由多個相同的元件和模塊共同實(shí)現(xiàn),相同的元件和模塊可互換,這就為減少備品備件,簡化維護(hù)和修理提供了便利。同時,其主要元件和模塊采用物理隔離,降低了內(nèi)部短路的危險并限制了故障的擴(kuò)大。

        結(jié)語

        在石化項(xiàng)目中,如果DCS、SIS或火災(zāi)消防等重要系統(tǒng),受到電壓變化、頻率波動、或者斷電等因素影響而無法正常運(yùn)行,將會使生產(chǎn)中斷,造成經(jīng)濟(jì)損失。而與此帶來的安全隱患,有可能造成更嚴(yán)重的人員傷亡。所以可以提供高質(zhì)量、連續(xù)的電能,同時具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、傳輸功能的UPS不間斷電源裝置已經(jīng)在石化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)的制定,工業(yè)中使用的UPS不間斷電源裝置對元件和結(jié)構(gòu)的要求也越來越高,裝置本身的可靠性得到了保證。

        參考文獻(xiàn)

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        [3] 林鴻杰,謝奕平.不同儲能組件在UPS中的應(yīng)用[J].電源世界,2014(11):49-55.

        作者介紹:

        張曉笛(1984.7.31),性別:女;籍貫:北京;民族:漢族;學(xué)歷:本科;職稱:電氣工程師:職務(wù):電氣工程師:研究方向:石油化工電氣設(shè)計;單位:福陸(中國)工程建設(shè)有限公司5AD877A6-E56F-4BEB-B9AA-A41F86D6C4A8

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