应急动力供电系统中大功率逆变电源新技术

应急动力供电系统中大功率逆变电源新技术摘要：大功率逆变电源主要用于早期建设的地下商场等大型人防工程，用作消防备用电源，不允许停电。如何提高其工作的可靠性，就成了研究生产此类设备的工程技术人员始终探索的技术问题。笔者结合以往设计经验，分析总结了两项新技术，以确保大功率逆变电源安全稳定地运行，同时可延长其使用寿命。关键词：直流电源系统计算机监测逆变电源晶闸管保护随着电子技术的不断发展，先进技术的不断出现，采用了下列两项新技术，不但可以提高大功率逆变电源运行的可靠性，而且还能够延长其使用寿命。下面介绍一下两项新技术的应用。1直流电源系统的新技术以往的直流电源系统由工频变压器，可控硅相控整流充电机和免维护全密封阀控式铅酸蓄电池组等组成，改进方案如下：1.1N+1冗余高频开关电源模块设备的正常工作需要有充足的动力来提供支持，充电机在直流电源系统中所担负的作用就是通过不断充电，使蓄电池始终保持足够的电量。充电机的构成一般分为两大部分，即工频变压器和可控硅相控整流和滤波装置。其缺点是一旦出现故障，由于停电检修时间较长，容易使整个系统处于危险状态。通常的应对之策是采用双充电机，这样不仅会耗费更多资金、增加占地面积，而且一旦备用设备同样出现问题，其危险状态仍然无法解除。为了规避此类问题，利用N+1冗余高频开关电源模块就成为合理的选择。其思路就是将原来的一个充电机替换为多个高频逆变开关式小充电机。N+1冗余高频开关电源模块，即指用N个模块承担额定负载，它们可以带电插拔，既彼此独立又协同工作，更换模块只需一分钟就可完成。再加上备用模块，可保证随时对故障模块进行更换。相比于双充电机模式，它的体积小、重量轻，可靠性更好。而且300KHZ的工作频率使其工作效率更高，还可免去冷却风扇，工作噪音大大降低。原因就在于其采用了零开关高频逆变技术，在零电压条件下，可使逆变桥的大功率开关管开通和关断，使开通和关断时的峰值功率损耗从十几千瓦下降到1千瓦左右，从而使开关管的平均功耗从几百瓦下降到几十瓦。模块工作原理框图见图1。三相380V电源输入后，经整流滤波成直流，再由桥式电子开关逆变成300KHZ高频，通过高频变压器隔离变压后，使整流滤波成直流给电池充电。由于频率高，变压器体积很小。零开关技术的采用降低了电磁干扰的程度，而且效率达到90%以上。由于采用了智能技术，模块可以实现自动均匀充电以及在浮充之间的切换，减少了人工工作量，同时电池寿命得以延长。模块独立工作互不影响，自动均流、协同充电，其可靠性也因为一系列的过热、限流、限压等组成的保护措施而大大提高。1.2计算机监控管理系统根据开关、电压、电流、温度、绝缘等参数进行监测保护报警的计算机监控系统，核心是其内部的一至两个以上的单片机，通过它，计算机监控系统可以完成对本子系统的交流进线柜、蓄电池柜、充电柜等运行状态的动态监控、警示和通讯的任务。本文主要对充电模块的自适应控制和蓄电池组单个电池的状态监测进行介绍，电源系统的微机监控系统构成见图2。■1.2.1充电模块的自适应控制。根据电池的实时状态（电压、温度、现存容量）对充电电压电流大小进行调整，可以使电池时刻保持充满状态，延长其使用时间。为了达到这一点，我们可以对充电模块本身恒压限流的外特性加以利用。除此之外，可以通过变外特性曲线的形状，让充电模块实现自适应控制，具体做法就是根据电池的状态，利用单片机监控系统对给定值予以修正，以取得最优的充电效果。这里需要注意两点，一是蓄电池温度影响的修正，还有就是电池组实时容量的监测。我们可以通过计算机监测电池组充放电时电流的大小以及时间长短，并进行记录。单片机在对电池放电、电流、电压的变化进行分析的基础上，修正数据而得出电池组的现存容量，然后结合实测温度，依据蓄电池生产厂家提供的最优充电曲线，对充电模块的充电电流进行控制。如果遇到电池容量很小、电池电压快速下降，它会以发出故障报警的方式提醒用户对其进行更换。1.2.2蓄电池组的监测。多节同等型号的电池串联后可形成直流电源系统的蓄电池组。由于生产工艺和运行情况不同，有的蓄电池可能先出现极化失效的问题，如果不及时采取补救措施，将影响整个电源系统正常运行。因此，必须时时观察并掌握蓄电池组中单个电池的运行状态。多数用电单位均指派相关负责人定期观测单节电池运行情况。但是蓄电池组往往包括多节电池，不易进行全面观测，因此检测周期很长，时效性交差。如今计算机监控系统已大范围普及应用，用电单位通过定时功能就轻松实现对单节电池、电压的监测，还能将监测数据备份以便随时查看，计算机系统具有自动预警功能，电池运行发生问题可及时处理。通过单片机系统能判断电池的后备容量，以便于充电机对充电电流电压进行控制。实践证明，计算机监测技术能够确保蓄电池组稳定运行，同时可以大幅度提升其工作效率。2逆变电源晶闸管的保护晶闸管对过电压和过电流较为敏感。若晶闸管过电流大于额定电流，可能会提高晶闸管的PN结温度损坏电源部件。工作人员一定要选用合适的元件，设置好电路保护装置。在晶闸管电路中，逆变电路很容易使晶闸管出现过流损坏的问题。一旦触发电路运行不稳定或出现电源缺相故障，极有可能引发逆变颠覆，回路内也会发生强大的短路电流。一般情况下，晶闸管的温升时间常数不及常规的电器元件，所以一旦逆变失败，将会加速结温升温速度。如果结温大于规定的范围就会导致晶闸管损坏。所以如果晶闸管电路存在逆变过程，为避免逆变失败使晶闸管遭到破坏，应该预先设计好检测逆变失败的元件，同时设置电路保护。以往均采用快速熔断器做过流保护，在晶闸管交流电路发生逆变时保护晶闸管。这种方式实际是对通过元件的电流大小进行保护的装置，对于晶闸管是否已处于逆变失败状态的判断作用不大，虽然线路单一，但不太牢靠。因此，采用上述设计可能会发生如下状况：晶闸管往往在主电路逆变失败前早已失败，致使电源装置在过流保护的伊始阶段就已“长期”导通在逆变失败状态。但由于变压器的漏感及杂散电感的作用，主回路电流维持在一个持续上升的状态，而不是瞬间增大，因此短时间内不会熔断熔丝。若能及时发现并切断主回路电流，就不会损坏晶闸管。如果用熔断器做过流保护装置，则周围环境温度、熔丝的型号、质量及其构造都直接影响熔丝被熔断的速度，这样从技术层面来分析，要使晶闸管在失控前一两个周期内监测并切断主回路，似乎是不可能的事情。因此，单纯使用这种保护方式多在熔丝熔断时，电路发生逆变失败后已持续了一个时段，可能已经因过高的PN结温而损坏了晶闸管。我们主要通过图3所示的保护电路来监测晶闸管工作状态，力求及时发现问题，并将主回路迅速切断。该电路设计利用电子技术掌握晶闸管导通时间，由此判断其是否出现逆变失败问题。同时，通过三相全控桥逆变电路对其工作原理进行了具体分析：在一个正弦交流电周期内，每个晶闸管都会导通一段时间（电路稳定运行时是120°，折合6.6ms；电路在过度阶段，则在90°～150°之间浮动，折合时间5ms到8.2ms）。当晶闸管处于导通状态，两端电压均大于等于0，工作人员通过计算机技术测得导通时长，就能判断出主回路是否发生逆变失败的这段时间不会大于3ms，若主回路无触点开关的时间常数较小，就能判断从逆变失败后4ms内可将主回路切断。据此可避免过大的电流通过晶闸管，影响其正常工作。根据上述理念，设计人员绘制出图3所示的逆变保护电路。该短路包括逆变失败判断电路、输出控制电路、光电隔离电路、电压极性变换电路等。R1与4个构成桥式交流电路的二极管构成了电压极性变换电路，它能使光电耦合器的发光二极管在晶闸管承受电压（包括正向的和反向的）的过程中，都能承受正向电压而导通发光，这也能证明晶闸管运行稳定可靠。光电耦合器隔离了主电路和监测电路，而R1则对光电耦合器的发光二极管中的电流起到限制作用。光电三极管的负载电阻R2不应过小，当光信号被收集到光电三极管时，电阻R2可以尽快饱和，而使a点电平等于低电平。逆变失败判断电路由R3R4、第一级比较器，R5、C、D1和第二级比较器等构成。在晶闸管处于导通状态后，第一级比较电路将高电平输出时，会增大电容器C的电压。通过适当选择R5、C的值，经过一个导通周期，电容器所带电压达不b点的电压值，而晶闸管转到关断状态，第一级比较电路输出也变为低电平，电容器C电压通过二极管D1和第一级比较器输出电路迅速降为0，所以，第二级比较器的输出始终保持低高电平。一旦晶闸管状态不稳定，晶闸管两端电压始终维持在0的状态，就会使第一级比较器始终输出高电平。经过一段时间后，电容器C的电压可能会迅速增大甚至超过b点电平，迫使第二级比较器输出高电平，因此我们很容易判定晶闸管已失控。或门电路接受到这个高电平信号，其输出驱动就会对电路进行监控，进而将主回路迅速切断。选择合适的R5、C参数，可使J在失控状态发生后短时间内对电路进行控制，快速切断主回路。3结束语消防备用电源的重要性是不言而喻的，之所以将逆变电源用于早期人防工程是因为早期建筑电气设计是采用了双路市电进户的设计方案，事实上可靠的双路市电很难实现。近些年，大型人防工程设有柴油发电机电站，但机组可在临战前安装。如将其作为消防备用电源使用，安装发电机组还必须实施自动启动控制，这样不但投资大，维护管理上的困难也是可想而知的。综上所述，采用逆变电源用作消防备用电源，仍不失为最佳的选择方案，这是探索其系统安全工作可靠性，延长其使用寿命的目的。力求使综合自动化系统的设计、开发的水平进一步提高，以适应大型地下商场等人防工程电力系统的发展需要。参考文献：[1]谢慧丽.浅谈变电站直流系统验收主要项目及质量标准[J].价值工程，2012（26）.[2]孙进，侯振义，卢家林.逆变电源技术及其发展概况[J].电源世界，2006（08）.[3]李小奇.大功率高可靠性逆变电源的研究[A].加入WTO和中国科技与可持续发展——挑战与机遇、责任和对策（下册）[C].2002.