高頻機(jī)UPS在海洋工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

胡月雙，宋廣興

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

高頻機(jī)UPS在海洋工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

胡月雙，宋廣興

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

主要通過(guò)對(duì)比工頻機(jī)及高頻機(jī)的區(qū)別，體現(xiàn)高頻機(jī)UPS的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。高頻機(jī)UPS作為未來(lái)UPS的主流設(shè)備，具有功耗小、對(duì)外干擾小、體積小、重量輕等優(yōu)勢(shì)，在海洋工程供電系統(tǒng)應(yīng)用中比傳統(tǒng)工頻機(jī)更有優(yōu)勢(shì)。本文介紹了高頻UPS在應(yīng)用上的特性，以在海洋工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用為依托，對(duì)比了工頻機(jī)的性能特點(diǎn)，展示了高頻機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，希望對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)在UPS選型參考有所幫助。

UPS；高頻機(jī)；工頻機(jī)；應(yīng)用

傳統(tǒng)的工頻機(jī)UPS，整流器采用可控硅整流技術(shù)，主路三相交流輸入經(jīng)過(guò)換相電感接到三個(gè)SCR橋臂組成的整流器之后變換成直流電壓。通過(guò)控制整流橋SCR的導(dǎo)通角來(lái)調(diào)節(jié)輸出直流電壓值。由于SCR屬于半控型器件，控制系統(tǒng)只能夠控制開(kāi)通點(diǎn)，一旦SCR導(dǎo)通之后，即使門(mén)極驅(qū)動(dòng)撤消，也無(wú)法關(guān)斷，只有等到其電流為零后才能自然關(guān)斷，所以其開(kāi)通和關(guān)斷均是基于一個(gè)工頻周期，不存在高頻的開(kāi)通和關(guān)斷控制。而在海洋工程領(lǐng)域， 高頻化、智能化和環(huán)保化是必須考慮的應(yīng)用特性，本文對(duì)高頻機(jī)的應(yīng)用特性進(jìn)行了分析，希望對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的設(shè)計(jì)及選型參考有所幫助。

1 UPS簡(jiǎn)介

1.1 發(fā)展歷史

對(duì)于UPS類(lèi)型的發(fā)展史，是伴隨電力電子的發(fā)展而不斷進(jìn)化的，最早的工頻機(jī)結(jié)構(gòu)有旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)式和靜止變換式。靜止變換式工頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS技術(shù)緊隨旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)式出現(xiàn)，屬于早期工頻機(jī)的代表，也為后期技術(shù)革新奠定了基礎(chǔ)。UPS的無(wú)論從控制技術(shù)，成本控制，功率容量大小，拓?fù)浼夹g(shù)等都有翻天覆地的變化。一般來(lái)說(shuō)，技術(shù)的先進(jìn)性是相對(duì)的，最前沿的產(chǎn)品技術(shù)的推廣也會(huì)有適用期。新型的UPS都關(guān)聯(lián)相應(yīng)的IT服務(wù)器，以此為例，隨著IT新技術(shù)的涌現(xiàn)，包括目前主流IT廠(chǎng)商提到的服務(wù)器、存儲(chǔ)虛擬化技術(shù)，云計(jì)算等，IT產(chǎn)品的新舊替換代表著技術(shù)發(fā)展的方向。隨著UPS行業(yè)的發(fā)展，隨著各產(chǎn)業(yè)對(duì)靈活性及控制性能要求的提高，工頻機(jī)的體積、重量及功耗的參數(shù)已經(jīng)漸漸體現(xiàn)出了劣勢(shì)。

目前UPS的技術(shù)發(fā)展方向已經(jīng)確立，高頻化、控制智能化、體積小型化及節(jié)能環(huán)?；呀?jīng)成為其硬性標(biāo)準(zhǔn)。體積小型化不僅能節(jié)約成本、提高效率、增加空間靈活性等優(yōu)點(diǎn)，還會(huì)促進(jìn)高頻化及數(shù)字化的應(yīng)用。體積小型化必然要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的精簡(jiǎn)，高頻化就是前提。輸入/輸出隔離變壓器是工頻機(jī)的標(biāo)配，高頻機(jī)取消隔離變壓器，這是小型化及高頻化重要的一步。受制于技術(shù)和材料等因素，工頻機(jī)配備輸入/輸出隔離變壓器，直接導(dǎo)致了產(chǎn)品笨重、控制性能差、能耗較大和成本昂貴。所以后來(lái)出現(xiàn)了UPS歷史上跨時(shí)代的革新，1980年，美國(guó)IPM公司成功取消了輸入隔離變壓器，后來(lái)又成功推出逆變器變換方案，取消了輸出隔離變壓器，這種跨時(shí)代的革命，對(duì)UPS性能的提高及數(shù)字化UPS的廣泛應(yīng)用都有深遠(yuǎn)影響，最終成就了高頻型UPS。這種UPS的整流器工作采用IGBT整流，開(kāi)關(guān)頻率不再是市電工頻50Hz，而是高頻5kHz-20kHz，并且功率因數(shù)高達(dá)0.99以上，輸入不需要增加濾波器。高頻機(jī)不僅使UPS縮小了尺寸、增強(qiáng)了性能、減化了重量、降低了成本和增加了可靠性，還推動(dòng)了待輸出隔離變壓器的UPS的淘汰，更為高頻UPS的應(yīng)用推廣貢獻(xiàn)了重要力量。

1.2 工作模式

圖1 工頻機(jī)型UPS工作原理

對(duì)于工頻機(jī)型UPS，工作原理比較簡(jiǎn)單，核心元件就是可控硅整流器、IGBT逆變器及隔離變壓器的，具體原理如下：通過(guò)可控硅整流器將輸入端的380V交流電轉(zhuǎn)變換為400V的直流電壓，再通過(guò)調(diào)控電路最終輸出220V逆變電壓，調(diào)控電路由IGBT逆變器及輸出隔離變壓器組成。這個(gè)過(guò)程中，輸入端的中線(xiàn)是與控制電路處于隔離狀態(tài)，因此，來(lái)自供電系統(tǒng)的干擾影響將會(huì)很小，這也是工頻機(jī)的穩(wěn)定性較高的特點(diǎn)，見(jiàn)圖1。

對(duì)于高頻機(jī)型UPS而言，它采用的是升壓型(boost)的脈寬調(diào)制IGBT整流器和IGBT逆變器設(shè)計(jì)方案。在這里，通過(guò)IGBT整流器將輸入380Vac電源變換成±400Vdc的直流高壓(直流電壓的絕對(duì)值=800Vdc)，并在此基礎(chǔ)上，經(jīng)IGBT逆變器向外輸出220Vac的逆變器電源。

2 高頻機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)

2.1 輸入端功率因數(shù)高，電能利用率高

工頻機(jī)UPS在輸入電路采用了可控硅整流，輸入端功率因數(shù)一般不超過(guò)0.8，這樣諧波電流較大(約30%)。按照三相UPS來(lái)計(jì)算，發(fā)電機(jī)容量要高于3倍UPS功率；按照單相小功率UPS來(lái)計(jì)算，發(fā)電機(jī)容量要高于5倍UPS功率。如果提高輸入功率因數(shù)，就要增加整流的脈沖，這樣就會(huì)增加成本，也會(huì)體積變得很大。

高頻機(jī)UPS，整流脈沖成千上萬(wàn)，這也是高頻的特點(diǎn)，在這種高頻的脈沖下，高頻機(jī)不管容量大小，輸入功率因數(shù)都可以是0.99以上，諧波電流會(huì)很小，甚至低于5%，按5%計(jì)算，發(fā)電機(jī)容量基本上等于UPS功率，這樣既節(jié)約成本又減少了空間，充分利用了輸入測(cè)得電能。

2.2 節(jié)能、環(huán)保、功耗低

工頻機(jī)與高頻機(jī)在同等指標(biāo)，同等輸出效果下，工頻機(jī)需外加諧波濾波器或者增加脈沖以滿(mǎn)足功率因數(shù)的要求，另外還需要增加輸出變壓器，這樣結(jié)構(gòu)會(huì)變得更為復(fù)雜，如圖2所示，而高頻機(jī)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，因工頻機(jī)增加整流及變壓器，功耗將變得比高頻機(jī)高5%，因此，在節(jié)能環(huán)保上，高頻機(jī)優(yōu)勢(shì)明顯。

圖2 工頻機(jī)與高頻機(jī)的結(jié)構(gòu)

2.3 傷害性干擾小

患者采取椎管內(nèi)麻醉方式，腰麻患者采用7.5～15 mg 0.5%鹽酸羅哌卡因（利用腦脊液稀釋?zhuān)瑥?fù)合硬膜外麻醉患者采用2%鹽酸利多卡因和0.75%鹽酸羅哌卡因的混合液，不采用腰麻、硬膜的患者用藥量按照手術(shù)和患者實(shí)際對(duì)藥物進(jìn)行合理選擇。術(shù)后用生理鹽水將50 μg舒芬太尼與200 mg 1%鹽酸羅哌卡因稀釋到100 mL用于硬膜外自控鎮(zhèn)痛[4-5]。

工頻機(jī)UPS具備機(jī)械噪聲和電噪聲兩種干擾，機(jī)械噪聲會(huì)對(duì)操作人員形成威脅，電噪聲會(huì)影響機(jī)器的穩(wěn)定度。而高頻機(jī)UPS的工頻為20kHz及以上，這種頻率下，不會(huì)影響人的聽(tīng)力及神經(jīng)。高頻機(jī)功率因數(shù)0.99以上，類(lèi)似線(xiàn)性因數(shù)，電噪聲干擾幾乎是0。

2.4 重量小、對(duì)空間依賴(lài)性小

工頻機(jī)UPS的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，因此重量體積都比較大。舉例說(shuō)明：同為200KVA，同一種品牌，工頻機(jī)重量1500kG，而對(duì)應(yīng)的高頻機(jī)僅有800kG。

2.5 數(shù)字化、智能化

工頻機(jī)UPS一般為模擬技術(shù)或者數(shù)字與模擬相結(jié)合的技術(shù)。而高頻機(jī)是全數(shù)字化的技術(shù)，根據(jù)可靠性要求，全數(shù)字技術(shù)更優(yōu)于模擬技術(shù)，全數(shù)字技術(shù)也更能體現(xiàn)智能化。

2.6 適應(yīng)電網(wǎng)浮動(dòng)，延長(zhǎng)電池壽命

工頻機(jī)UPS最多可適應(yīng)電網(wǎng)變化15%浮動(dòng)率，而高頻機(jī)可適應(yīng)30%浮動(dòng)率，同等電網(wǎng)環(huán)境下，高頻機(jī)電池壽命會(huì)更長(zhǎng)。

3 應(yīng)用

3.1 供電方案

鑒于海洋工程行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制儀表重要設(shè)備主要為雙電源負(fù)載的特殊性，對(duì)應(yīng)的供電設(shè)計(jì)方案有三種，詳細(xì)分類(lèi)如下：

3.1.1 1臺(tái)UPS單機(jī)與1路市電構(gòu)成雙路供電方案

常態(tài)下，UPS單機(jī)輸出與一路市電輸出可以為負(fù)載提供雙電源，而UPS單機(jī)輸出為負(fù)載提供不間斷電源。

當(dāng)UPS輸出線(xiàn)路發(fā)生故障或者本機(jī)需要維護(hù)維修操作時(shí)，UPS需切換到旁路，此時(shí)對(duì)A類(lèi)負(fù)載，旁路和一路市電輸出母線(xiàn)提供電源，這樣就避免了單機(jī)輸出母線(xiàn)成為單點(diǎn)故障。此時(shí)旁路及一路市電的可靠性特別重要，關(guān)系系統(tǒng)的安全性；而對(duì)B類(lèi)負(fù)載，旁路輸出可以成為負(fù)載電源，臨時(shí)維持供電，直至UPS恢復(fù)正常。原理圖如圖3。

圖3 UPS單機(jī)輸出與一路市電輸出可以為負(fù)載提供雙電源負(fù)載

3.1.2 兩臺(tái)UPS雙路輸出方案3.1.3

常態(tài)下，雙電源負(fù)載每一路都由一臺(tái)UPS獨(dú)立供電，兩臺(tái)UPS各自承擔(dān)一部分單電源負(fù)載，如果1臺(tái)UPS需進(jìn)行旁路檢修，還能保證雙電源供電： 一路UPS輸出和一路UPS旁路輸出；如果有一臺(tái)UPS因輸出母線(xiàn)故障或者需停機(jī)維護(hù)維修)時(shí)，對(duì)A類(lèi)負(fù)載，因?yàn)橛幸慌_(tái)UPS輸出母線(xiàn)供電，所以避免單機(jī)輸出成為單點(diǎn)故障；對(duì)B類(lèi)負(fù)載，通過(guò)下游轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換的臨時(shí)模式，由一臺(tái)UPS輸出母線(xiàn)成為負(fù)載的臨時(shí)電源，直到UPS輸出正常，原理圖如圖4。

圖4 兩臺(tái)UPS雙路輸出方案

3.1.4 UPS雙機(jī)同步雙輸出方案

任何情況下，有一臺(tái)UPS的輸出母線(xiàn)出現(xiàn)故障，對(duì)A類(lèi)雙輸入負(fù)載，由另一臺(tái)UPS的輸出母線(xiàn)提供電源，所以無(wú)任何影響；對(duì)于B類(lèi)負(fù)載而言，由于采用了STS靜態(tài)高速切換開(kāi)關(guān)和LBS負(fù)載母線(xiàn)同步追蹤器，其輸入源不間斷的切換到另一臺(tái)UPS輸出母線(xiàn)，保證B類(lèi)負(fù)載正常供電。其中LBS負(fù)載母線(xiàn)同步追蹤器使兩臺(tái)獨(dú)立的UPS系統(tǒng)始終保持同步輸出，STS靜態(tài)高速切換開(kāi)關(guān)在母線(xiàn)電壓異常時(shí)進(jìn)行了不間斷的切換。

3.2 應(yīng)用特性對(duì)比

在海洋工程領(lǐng)域現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案下，總結(jié)工頻機(jī)及高頻機(jī)的優(yōu)勢(shì)特性，很明顯，高頻機(jī)更適合海洋石油平臺(tái)的設(shè)計(jì)環(huán)境，更具備效益性，具體對(duì)照見(jiàn)表1。

表1 工頻機(jī)與高頻機(jī)應(yīng)用特性對(duì)比

表1(續(xù))

4 小結(jié)

高頻機(jī)在海洋工程上的使用優(yōu)勢(shì)明顯，而工頻機(jī)UPS被高頻機(jī)UPS取代也是主流發(fā)展趨勢(shì)，雖然高頻機(jī)的多領(lǐng)域應(yīng)用并未完全成熟，仍然存在一定問(wèn)題，但隨著UPS技術(shù)的不斷完善及應(yīng)用方案的不斷改進(jìn)，問(wèn)題會(huì)越來(lái)越少，優(yōu)勢(shì)也會(huì)越來(lái)越大，傳統(tǒng)工頻機(jī)將會(huì)被完全取代。

(本文文獻(xiàn)格式：胡月雙，宋廣興.高頻機(jī)UPS在海洋工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[J].山東化工，2017，46(14)：102-105.)

2017-04-17

胡月雙(1983—)，大學(xué)本科，工程師，主要從事海洋石油平臺(tái)電氣專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)工作。

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1008-021X(2017)14-0102-04