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电网对三相输入UPS使用的影响和分析

摘要:UPS作为电网与终端负载之间的调节、缓冲设备袁发挥着稳压稳频、净化续电的重要作用,同时UPS作为电源的一级负载,也不可避免地受到电网供电质量的影响。通过对EAST公司生产的EA8940H型三进三出UPS设备的组成、工作、控制原理的介绍,阐述分析了外电异常时对其造成的影响、恢复处理,提醒使用者给予高度重视,避免由于使用操作不当造成不可挽回的损失。

关键词:供电异常;UPS;影响分析;恢复处理

0 引言

    UPS源于Uninterruptable Power System 英文缩写,其意是不间断电源系统。它是一种含有储能装置,以逆变电路为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源,主要用于计算机、计算机网络和广播电视、通讯等各行各业、各个领域中的电力电子设备的持续高质量的电能供给。
    UPS 的输入供电一般都有主、备两路外电网。如果主路没电时,备电就会通过低压配电系统的双侧电源自投装置自动接入UPS 供电输入端,保证UPS的外电供应。但在某些供电质量不高的地区,经常会出现电网电压忽高忽低、供电频率严重漂移,甚至产生错、缺相供电质量问题,这些往往会引起UPS 整流电路输出的电压过高或过低,造成电池组的损坏和逆变电路的故障。为了避免这一故障的发生,三相输入UPS 都因此设计了相序、电压、频率范围的在线检测、控制保护电路,以防输入电网发生异常时, 控制UPS 启动相应的保护电路,保证整流电路和逆变电路的正常工作。
    为了使大家对此有一个较清醒的认识,避免在UPS 使用中,当遇电网异常时,由于不重视和操作不当,使之不能及时切换回正常工作模式,而导致不应有的严重后果。下面就以EAST 公司的EA8940H 型三进三出UPS 为例对电网的影响进行讲述和分析。
1 三相输入UPS 的组成及工作原理
    三相输入UPS 系统由输入滤波器、整流开关、整流器、总线滤波器、充电器、逆变器、逆变静态开关、旁路开关、静态旁路开关、输出滤波器、蓄电池组、手动维修旁路开关等组成。如图1 所示。
图1 EA8940H 型三进三出UPS 整机原理框图
1.1 工作原理
    UPS 在实际使用中,根据电网的输入情况和工作需要有4 种不同的工作模式,分别叙述其原理如下。
    (1)市电供电正常时,由市电供电模式(见图1 中粗实线的工作流程指示箭头)。三相交流电源输入经滤波后,送至整流器,将交流电变换成直流电,然后一路经总线滤波器变换成平滑的直流电供给逆变器,另一路经充电检测控制电路给电池组充电。逆变器将整流的直流电由IGBT(绝缘栅双极性晶体管)经SPWM(正弦脉宽调制)变换,经逆变变压器转换,输出滤波后,输出纯净的正弦交流电,由静态开关零切换给负载。
    (2)市电异常时,由电池组供电模式(见图1中虚线的工作流程指示箭头)。逆变器将电池组贮存的能量由IGBT 经SPWM 变换,逆变变压器转换,输出滤波后,输出纯净的正弦交流电。
    (3)关机或输入直流异常(或UPS 主机故障)时,转旁路供电模式(见图1中点划线的工作流程指示箭头),通过旁路静态开关零切换至旁路供电,同时关闭逆变静态开关。
    (4)在不停止供电时维护或检修模式(见图1中细线的工作流程指示箭头)。首先将UPS 切换到旁路状态,然后合上维修开关,最后断开输入、输出和旁路开关之后,机内主电路没有电源,可进行维修。维修正常后,按相反的操作程序进行。输出开关闭合后,在没有断开维修开关时,不能开启逆变器。
1.2 UPS 控制原理
    三进三出UPS 一般均采用高速微处理器,高度融合数字化技术,由单主控板实现系统实时控制功能。系统集成度高,控制性能优异,抗干扰能力强,可靠性高,确保设备安全稳定运行。如图2所示。
图2 三进三出UPS 控制原理框图
    由图2可知,整个UPS 的运行都是在主控板微处理器的协调控制下进行的。通过电源和采样板的采样电路对输入进行电压、相位、频率的检测;同时还对整流、电池和温度进行检测,作出相应的控制,保证UPS 安全稳定运行。
2 电网供电异常对UPS的影响及处理
    UPS 设备虽然自身对电网的适应能力较强,在一定程度上改善了电网对终端负载的供电质量,起到稳压稳频、净化续电的调节作用,但由于UPS 设备对电网来说,也是一种负载,因而电网供电正常与否,也会对UPS的工作产生不容忽视的影响,理解这一影响产生的严重后果和掌握正确得当的处理方法,对确保UPS 的正常使用有着重要的现实意义。
2.1 电网供电异常的概念
    电网供电异常是指输入电压超限,即输入超出165~275 V 范围、输入缺、错相、输入频率超标,即输入频率超过47.5~52.5Hz 要求等情况。
2.2 UPS整流器的组成与工作原理
    整流器是UPS 电源的重要核心组成部件之一,了解和掌握其构成与工作原理, 对使用和维护好UPS 设备,避免电网异常引起的故障或损坏将起到积极的作用。
2.2.1 整流器的组成
    三相输入UPS 采用的是晶闸管的相控整流器,功能模块由保护断路整流开关、整流器、输入电抗器、电池温度补偿,电池浮充、电池定时均充等电路组成,如图3所示。
图3 整流器工作原理框图
2.2.2 整流器的工作原理
    整流器控制电路通过对输入电的电压范围、频率范围、相位的测量,经过计算输出整流触发脉冲的相角,控制整流输出电压,同时对电池的充电电流进行测量,通过调整整流脉冲的相角控制充电电流,先恒流后恒压的充电方式。
2.3 外电异常时的分析
    只要电网供电出现输入电压超限,输入缺、错相,输入频率超标任何一种异常时,都会造成UPS由正常工作状态转向其他工作模式,以避免整流电路和逆变电路的损坏。例如当供电相序发生错位时,触发信号会产生错的相位触发,造成整流电压过高,会导致电池组的损坏和逆变电路的故障,因此设计了输入相序的在线监测,来保证整流电路的正常工作。整流器的保护输入采样控制原理及分析如图4所示。
(a)电路原理图                                                                 (b)波形图
图4 电网输入采样控制原理及分析
    电网输入为相差120°的三相交流电,首先通过隔离降压变压器降压,然后通过整流电路整流成直流脉动信号,通过波形处理电路,送到MCU 的A/D 转换器,经过测量计算输入的电压值,判断三相输入电压的幅值范围(即有效值是否在165~275 V 范围内)和有无(缺相);同时交流信号通过过零比较器,产生过零的与输入同频同相的方波送到MCU 的I/O 接口上,通过方波的边沿触发测量输入的频率(fA=1/TA、fB=1/TB、fC=1/TC);通过测量三相上升沿之间的时间,判断输入相序。
2.3.1 输入电压超限保护与恢复处理
    当通过上述电路测量到的三相输入电压的任何一相电压值超过220(1±25%)V 时,MCU 送出输入电压超限保护信号,同时关闭整流器,报警“输入异常”。
    当电网供电电压恢复正常时,自动消除报警,并切换至正常工作模式。
2.3.2 输入电压缺相保护与恢复处理
    当测量到的三相输入电压的任何一相电压值过低(远远低于165 V 以下)时,MCU 送出输入缺相超限保护信号。同时关闭整流器,报警“输入异常”和“相序错误”。
    当电网供电恢复正常时,自动消除报警,切换至正常工作模式。
2.3.3 输入相序错误保护与恢复处理
    当测量到的三相电输入相序不为互差120°时,MCU 送出输入相序错误保护信号,同时关闭整流器,报警“输入相序错误”。
此时必须调整供电线路的相序,待输入相序调整正常后,UPS 整流器将在30 s内启动,由电池供电逆变输出模式切换至市电供电输出模式。
2.3.4 输入频率超限保护及恢复处理
    当测量到的三相电输入频率不在50±2.5 Hz范围内(即47.5~52.5 Hz),MCU 送出输入频率异常保护信号,同时关闭整流器,报警输入异常。
    当电网供电频率恢复正常后,UPS 会通过检测电路自动恢复正常工作。
3 结语
    在线式三相输入UPS设备,当检测到电网输入异常时,都会产生相应的声光电报警信号,以示提醒。当电网恢复正常时,设备检测到后,或自动、或人工恢复正常工作模式。近年来生产的PS 多数都采用自动检测恢复方式,提高了可靠性,而采用自动检测人工恢复处理的设备,如果报警后不能在电网恢复正常时,及时使UPS 设备恢复至正常工作模式的话,轻则使电池组放电结束,导致逆变器停止工作,UPS 转入旁路供电输出模式,更严重的是,转入旁路工作后,如果主、备电网线路同时中断,会造成终端设备失电的严重后果。
 
    作者简介
    王新国(1952-),男,高级工程师,西藏自治区广播电视局副局长,主管技术。
    卫沙沙(1957-),男,高级工程师,西藏电视台总工程师,目前主要从事广播电视工程项目。
    唐宪章(1954-),男,西藏电视台工程师。


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