倪豐田

摘? 要：船舶系統(tǒng)能夠有效保證船舶的正確航向，為船舶續(xù)航提供良好的技術(shù)支撐。在船舶各系統(tǒng)中，UPS不間斷電源技術(shù)是最為主要的技術(shù)，通過(guò)UPS不間斷電源技術(shù)方案，進(jìn)一步提高船舶的運(yùn)行通行能力，保證了船舶的安全性。文章主要通過(guò)對(duì)UPS不間斷電源改進(jìn)優(yōu)化相關(guān)的技術(shù)方案進(jìn)行分析，全面提出散熱器結(jié)構(gòu)、改進(jìn)風(fēng)道、模塊開(kāi)關(guān)電源、改進(jìn)印制板、改進(jìn)測(cè)量電路、增加UPS斷電自動(dòng)切換旁路功能等主要技術(shù)措施，以此，全面提高船舶設(shè)備散熱性，為船舶可靠安全運(yùn)行提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：UPS;不間斷電源;可靠性;改進(jìn)

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）35-0096-02

Abstract： The ship system can effectively ensure the correct course of the ship and provide good technical support for the continuation of the ship. In all the systems of the ship， UPS uninterruptible power supply technology is the most important technology. Through the technical scheme of UPS uninterruptible power supply， the operation capacity of the ship is further improved and the safety of the ship is ensured. Based on the analysis of the technical schemes related to the improvement and optimization of UPS uninterruptible power supply， this paper comprehensively puts forward some main technical measures， such as radiator structure， air duct improvement， module switching power supply， PCB improvement， measurement circuit improvement， UPS power off automatic switching bypass function and so on， so as to comprehensively improve the heat dissipation of ship equipment and provide technical support for the reliable and safe operation of ships.

Keywords： UPS; uninterruptible power supply; reliability; improvement

引言

船舶與人們的生活密切相關(guān)，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)生活中，承擔(dān)著重要的海上運(yùn)輸功能，船舶運(yùn)行需要良好的操作系統(tǒng)，以此，全面保證船舶能夠穩(wěn)定安全運(yùn)行。船舶運(yùn)行系統(tǒng)較為復(fù)雜，在各種系統(tǒng)中，UPS不間斷電源則是運(yùn)行系統(tǒng)的重要設(shè)備，通過(guò)整體系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠進(jìn)一步保障船舶的安全穩(wěn)定，系統(tǒng)主要作用于船舶動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備、船上生活保障設(shè)備、船舶通訊系統(tǒng)等，對(duì)各種重要的設(shè)備進(jìn)行供電，使船舶能夠連續(xù)通行，保證了全程的安全。船舶航行時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備使用頻率高，隨著設(shè)備使用頻率的不斷增加，相關(guān)的通訊、機(jī)電、動(dòng)力等設(shè)備散熱性能就會(huì)不斷下降，整體設(shè)備的工作穩(wěn)定性不好，功能大大降低，對(duì)于船舶安全穩(wěn)定航行造成了一定的威脅，只有全面保證設(shè)備的先進(jìn)性，才能為船舶運(yùn)航提供科學(xué)的保障，同時(shí)，也能夠?yàn)榇叭藛T提供有力的生活支持，保證船上正常生活，使船舶能夠執(zhí)行遠(yuǎn)航任務(wù)，提升UPS不間斷電源系統(tǒng)功能，對(duì)船舶運(yùn)行有著重要的意義。

1 UPS不間斷電源結(jié)構(gòu)、功能及原理

1.1 UPS不間斷電源構(gòu)成

UPS不間斷電源設(shè)備是一個(gè)整機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)由4 套設(shè)備組成，不同的設(shè)備有著各自的功能作用，為船舶提供充足的電源，保證了船舶的連續(xù)航行。在四套設(shè)備中，每套的構(gòu)成又包括如下部分，1臺(tái)不間斷電源、1臺(tái)隔離變壓器箱和3臺(tái)蓄電池箱，以此，全面保證了船舶的用電穩(wěn)定，不間斷電源在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，受到不同條件限制的影響，往往容易出現(xiàn)超溫報(bào)警、過(guò)流報(bào)警、自動(dòng)切換旁路、輸出電壓波動(dòng)等問(wèn)題，嚴(yán)重影響到了船舶的安全，如果出現(xiàn)電源不穩(wěn)定，就會(huì)造成系統(tǒng)的故障，船舶航行將受到一定的威脅，安全得不到保障。

1.2 UPS不間斷電源功能

UPS不間斷電源功能齊全，當(dāng)前，改進(jìn)樣機(jī)功能有了明顯的提高，在原來(lái)的基礎(chǔ)上，增加了很多新的功能，保證了船舶能夠安全可靠運(yùn)行。功能性表現(xiàn)在UPS正常逆變供電、蓄電池放電充電、UPS自動(dòng)旁路供電、手動(dòng)旁路供電、UPS不間斷電源整機(jī)供電應(yīng)急、報(bào)警和遠(yuǎn)傳報(bào)警等功能，使船舶在系統(tǒng)的支持下，能夠保證良好的運(yùn)行狀態(tài)。

1.3 供電技術(shù)原理

不間斷電源技術(shù)來(lái)自單相380V電源輸出至隔離變壓器箱，為船舶提供有效的電源。隔離變壓器箱前板工況選擇正常，此時(shí)，變壓器箱輸出未穩(wěn)壓220V提供電能，電源輸出穩(wěn)壓220V至隔離變壓器箱，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)接后，220V總輸出插座為船舶系統(tǒng)負(fù)載供電。隔離變壓器箱前板工況開(kāi)關(guān)旁路，變壓器箱輸出未穩(wěn)壓220V電壓，220V總輸出插座輸出負(fù)載，為船舶提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

2 對(duì)UPS不間斷電源系統(tǒng)分析

2.1 蓄電池箱分析

蓄電池箱主要包括20塊串聯(lián)蓄電池，一般情況下，蓄電池能夠連續(xù)使用3～5年，在實(shí)際使用過(guò)程中，其一般不存在故障，很難出現(xiàn)中斷運(yùn)行的問(wèn)題，所以說(shuō)，對(duì)電池不必改進(jìn)，原有電池組就能夠維持良好的功能。

2.2 隔離變壓器箱分析

隔離變壓器箱是重要的電源輸出設(shè)備，主要包括隔離變壓器、工況轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、斷路器等基本部件，進(jìn)行實(shí)船使用的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)這些部件非?？煽堪踩?，但是，也存在一些小的問(wèn)題，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一是UPS輸出失電情況。出現(xiàn)這樣的情況，系統(tǒng)則無(wú)法正常運(yùn)行，會(huì)存在過(guò)失誤報(bào)的情況，要想全面解決好這個(gè)問(wèn)題，就需要手動(dòng)將隔離變壓器箱旁路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)由“正常”切換到“旁路”，這需要一個(gè)過(guò)程，如果發(fā)現(xiàn)故障不及時(shí)，那么，就不利于系統(tǒng)及時(shí)反應(yīng)，危及到船舶的運(yùn)行安全。二是隔離變壓器運(yùn)行不穩(wěn)定。作為電源的供電設(shè)備，必須要穩(wěn)定安全，才能為船舶提供電源，但作為供電轉(zhuǎn)換設(shè)備的變壓器，自身在使用過(guò)程中，功耗較大，長(zhǎng)期運(yùn)行后本身溫度將會(huì)不斷增加，達(dá)到了設(shè)計(jì)值上限要求，影響隔離變壓器壽命，對(duì)UPS整機(jī)散熱不利。所以說(shuō)，變壓器箱需要全面進(jìn)行功能提升，才能滿足現(xiàn)有需要，保證船舶安全航行。

2.3 不間斷電源分析

不間斷電源整體較為復(fù)雜，主要由電路元件、輔助電源、控制板、驅(qū)動(dòng)板、旁路板、散熱器等各部分組成，這些部件容易出現(xiàn)老化陳舊的情況，特別是在條件惡劣的行船條件下使用，更增加了老化的時(shí)間，導(dǎo)致設(shè)備散熱性能降低，設(shè)備整體內(nèi)部溫度升高，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)超溫報(bào)警、過(guò)流報(bào)警、自動(dòng)切換旁路、輸出電壓波動(dòng)等故障，嚴(yán)重影響到了船舶的運(yùn)行安全。出現(xiàn)這樣的問(wèn)題成因較多，一是設(shè)備使用過(guò)程中內(nèi)部溫度增加，設(shè)備就會(huì)不穩(wěn)定;二是雙層電路板設(shè)計(jì)，沒(méi)有單獨(dú)地線、輔助電源線，傳輸距離加長(zhǎng)導(dǎo)致了噪聲疊加，電路干擾大穩(wěn)定性下降;三是電壓波動(dòng)。濾波器件性能降低，弱電信號(hào)容易出現(xiàn)干擾，出現(xiàn)了波動(dòng)，則會(huì)導(dǎo)致監(jiān)控異常、誤報(bào)警等故障。

通過(guò)以上的分析，我們看到，要想全面保證船舶的穩(wěn)定運(yùn)行，就需要不斷提高設(shè)備的性能，能夠技術(shù)改造，全面達(dá)到系統(tǒng)升級(jí)目標(biāo)。不間斷電源主電路電子元件實(shí)船使用效果良好，性能穩(wěn)定可靠，不需要進(jìn)行改進(jìn)，所以說(shuō)，只有對(duì)不間斷電源散熱性能及輔助電源、控制板、驅(qū)動(dòng)板、旁路板問(wèn)題進(jìn)行研究改進(jìn)，就能夠大大提升系統(tǒng)運(yùn)行效率，而主電路結(jié)構(gòu)保持不變即可。

3 UPS不間斷電源改進(jìn)基本原則

3.1 實(shí)用方便原則

UPS不間斷電源要全面遵循實(shí)用的改進(jìn)設(shè)計(jì)原則，才能在科學(xué)的指導(dǎo)下，有效提高系統(tǒng)的功能，保證性能更加穩(wěn)定。為便于實(shí)船使用、維修和更換，需要全面做好設(shè)計(jì)，使改進(jìn)后設(shè)備基本形態(tài)不變，保持外部接口、外形尺寸、安裝尺寸與原設(shè)備完全相同，這樣，就能夠?qū)εf部件進(jìn)行更換，保證了方便性、實(shí)用性。

3.2 適度引進(jìn)原則

現(xiàn)有設(shè)備一些基礎(chǔ)部件要保證性能，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高整機(jī)性能，那么，進(jìn)行改進(jìn)提高的過(guò)程中，一定要進(jìn)行嚴(yán)格的分析，保留現(xiàn)有的成熟技術(shù)，以解決現(xiàn)有問(wèn)題為主，做好系統(tǒng)的改進(jìn)提高，避免引入技術(shù)進(jìn)行改造時(shí)，再出現(xiàn)新問(wèn)題和故障，給設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。

3.3 重點(diǎn)問(wèn)題解決原則

原UPS存在許多問(wèn)題，特別是溫度升高及測(cè)量電路、輔助電源電路問(wèn)題是改進(jìn)的重點(diǎn)，要通過(guò)科學(xué)的分析，合理開(kāi)展重點(diǎn)問(wèn)題的改進(jìn)，首要考慮解決散熱問(wèn)題，把散熱設(shè)計(jì)當(dāng)成改造的重點(diǎn)任務(wù)來(lái)完成。

4 改進(jìn)技術(shù)解決路徑

4.1 散熱器改進(jìn)

散熱器改進(jìn)是重點(diǎn)，通過(guò)對(duì)散熱裝置的技術(shù)改良，全面提高設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性，總散熱面積將會(huì)大大增加、風(fēng)阻得到良好的降低，使整機(jī)設(shè)備散熱性能增加，保證了設(shè)備穩(wěn)定性、安全性。在實(shí)際改進(jìn)過(guò)程中，增加IGBT間距，降低功率密度，提高散熱性。通過(guò)技術(shù)分析，對(duì)散熱進(jìn)行性能提高，改進(jìn)后散熱器長(zhǎng)270mm，比原來(lái)的增加40%，截面雖然還是原來(lái)的120mm×120mm，但在120mm高度方向安裝散熱片數(shù)量改成了24個(gè)，降低25%，通過(guò)這樣的改進(jìn)，風(fēng)道通暢、增加了總散熱面。三個(gè)IGBT模塊也提高了長(zhǎng)度，IGBT模塊由50mm增加為80mm，降低了功率密度，提升導(dǎo)熱和散熱整體性能。

4.2 散熱風(fēng)道設(shè)計(jì)改進(jìn)

在實(shí)船應(yīng)用過(guò)程中，貫通風(fēng)道，提高風(fēng)量、降低風(fēng)阻，全面提高散熱性，進(jìn)風(fēng)口安裝一個(gè)可拆屏蔽波導(dǎo)網(wǎng)，這樣，也利于后期的維護(hù)與保養(yǎng)，進(jìn)一步提高了設(shè)備長(zhǎng)期使用過(guò)程中的散熱性能。

4.3 UPS電路改進(jìn)

電路是保證電源傳輸?shù)年P(guān)鍵，要全面做好電路的設(shè)計(jì)，才能維護(hù)好系統(tǒng)的功能。一是增加自動(dòng)切除/恢復(fù)熱敏電阻功能。對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，全面采用繼電器控制熱敏電阻。對(duì)設(shè)備進(jìn)行切除和恢復(fù)，這樣，就能夠全面解決熱敏電阻長(zhǎng)期通電過(guò)熱問(wèn)題，保證了系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。二是改用H-LW98萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。H-LW98開(kāi)關(guān)耐壓500V，能夠達(dá)到上限使用要求。三是提高熔斷時(shí)間。原來(lái)的短路保護(hù)差，熔斷器在UPS內(nèi)，很難發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，用快速熔斷器代替原陶瓷熔斷器，提升保護(hù)力、方便維修。四是解決局部溫度較高的問(wèn)題。進(jìn)行改造后，則需要專門定制性能更加優(yōu)良的輔助電源模塊系統(tǒng)，模塊交流220V和直流240V實(shí)現(xiàn)了雙路輸入，電壓紋波低于100mV，全金屬外殼、主要在通風(fēng)口上方安裝，整體散熱性立刻得到了提升。五是解決接觸不良影響。如果接觸不良，則會(huì)出現(xiàn)UPS工作異常的情況，為了解決這個(gè)問(wèn)題，則需要在本次改造中重點(diǎn)解決，通過(guò)科學(xué)的分析改良，改進(jìn)后的UPS用3個(gè)螺釘鎖緊鍍金插件，總接插件由27個(gè)減為5個(gè)，保證了接觸良好。六是解決信號(hào)干擾問(wèn)題?？刂瓢迮c驅(qū)動(dòng)板合并，電路板外形尺寸減少31%。用4層印制電路板替代原2層印制電路板，進(jìn)一步提高信號(hào)抗干擾能力。

5 應(yīng)用前景分析及結(jié)論

通過(guò)改進(jìn)后的UPS不間斷電源樣機(jī)，能夠全面解決原有的問(wèn)題，進(jìn)一步提高了設(shè)備的散熱性，提高了抗干擾能力，同時(shí)，也通過(guò)配件的改進(jìn)，解決了自兼容能力，通過(guò)改良后的設(shè)備，整體工作穩(wěn)定、可靠，保證了電力的穩(wěn)定供應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]于瑋.UPS并聯(lián)系統(tǒng)若干關(guān)鍵問(wèn)題研究[D].浙江大學(xué)，2009.

[2]曹明明，劉莉，唐靜，等.UPS電源供電方案的探討[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2008，21（6）：86-91.

[3]王魯楊，王禾興.電力電子技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2013.