UPS系统介绍

UPS系统介绍陈思武2012年03月12日UPS概述交流不间断电源系统(ACUNINTERRUPTIBLEPOWERSUPPLY)简称为UPS。它主要是为油田重要设备：中央仪表控制系统、通讯系统、消防安全系统、应急关断系统、开关板的操作控制系统提供恒压、恒频不间断的交流电源。其目的在于FPSO失电情况下，确保油田的正常安全生产操作。UPS结构及拓朴原理一、UPS的基本分类根据电路拓扑和工作原理不同，可以分为以下三类：1、后备式UPS又称离线式：市电正常时，它向负载提供的电源是对市电电压稍加稳压处理的“低质量”正弦波电源，逆变器不工作，蓄电池由独立的充电器充电。当市电超出规定范围时，负载由继电器转为电池逆变供电。固态UPS的控制原理与故障分析UPS结构及拓朴原理2、在线式双变换UPS在线式负载始终由逆变器供电(优先供电回路)双变换交流电压经整流器转换成直流电，然后再经逆变器转换成交流电UPS结构及拓朴原理3、在线式双变换UPS的特点：优点：1）输出是经过稳频稳压处理的纯正正弦波；2）输出与输入实现了电气隔离，安全性更高；3）逆变器的限流功能，保证负载端故障不会扩大。缺点：1）两次变换，效率较低；2）控制、维护更为复杂。二、在线双变换UPS的主要组成：1、整流器/电池充电器•将交流输入电压转换成稳定的直流电压•提供逆变器带满载和蓄电池组充电所需的电能•将电池保持在浮充/均充状态（根据要求）2、电池组•平时处于浮充状态。当市电出现故障时，为逆变器运行提供能量，并保证运行一定时间。3、逆变器•将整流器或蓄电池组提供的直流电压转换成具有一定幅度和频率的、受控的稳定的交流电•输出能满足特定要求的正弦波（失真度、峰值因素等）•追踪静态旁路市电频率及相位变化，与其保持同步UPS结构及拓朴原理UPS结构及拓朴原理4、静态旁路监测及管理电路：V、F检测及同步信号产生等5、静态开关•UPS输出选通控制，正常时将输出端与逆变器输出相连接•当主供电回路（逆变器）出现故障时，将负载无间断地切换到紧急供电回路（旁路）6、显示及测量单元•显示系统运行参数、告警信息等，对部分UPS功能进行设置7、维修旁路•用于维修或维护工作，使UPS内部与市电进行电气隔离•与逆变器、静态旁路具有互锁功能UPS结构及拓朴原理三、单机系统结构UPS结构及拓朴原理四、双机并联系统结构特点：带载能力增强（2Iout）减少设备停机维修时间提高设备的可靠性一、整流器结构固态UPS整流控制电路的总体结构整流/充电器控制原理固态UPS整流器结构二、整流器的组成整流器由以下几个主要部分组成:输入隔离变压器全桥整流可控硅高频滤波电感、滤波电容线路板:1、整流控制板(PCB1)2、可控硅驱动板(PCB2)3、整流器电流取样板(PCB3)4、整流取样变压器板(PCB4)5、直流电压分压板(PCB5)6、辅助电源（80KVA）（PCB52）整流/充电器控制原理二、整流器的组成1、整流控制板(80-226400)整流/充电器控制原理主要功能：1、可控硅触发脉冲2、直流电压调整3、整流器限流4、充电限流5、浮充/均充控制6、软启动控制7、相序/缺相检测8、故障/供电/温度检测9、电池测试功能R、S、T相可控硅触发缓释放P6软启动P7浮充电压P8均充电压P13电池限流P15整流器限流LD1电池测试LD4温度过高LD5缺相/相序错LD10浮充正负电源指示LD11均充2、可控硅驱动板(80-227200)整流/充电器控制原理1）隔离驱动2）阻容吸收电路，去除尖峰及高次谐波3、整流器电流取样板(80-227502)整流/充电器控制原理主要功能：1、电流互感器信号转换2、整流器电流峰值调整3、整流器电流显示调整参数：1、整流器保护电流（峰值）4、整流取样变压器板(80-227308)整流/充电器控制原理主要功能：1、输入电压取样2、为整流控制板供电5、直流电压分压板(80-226703)整流/充电器控制原理主要功能：1、直流电压取样（峰值）2、直流电压显示调整参数：1、直流电压显示值6、辅助电源(80KVA-J225207)功能：DC/DC隔离电源，为电池电流传感器供电整流/充电器控制原理第一阶段充电电流恒定充电电压上升到均充电压第二阶段充电电流减小充电电压恒定第三阶段充电电流减小至转换值充电电压转换为浮充电压整流/充电器控制原理三、蓄电池充电技术1、电池组的双电平充电模式逆变器控制原理一、逆变系统的结构1、逆变子系统的总体结构图直流母线至静态开关启动、复位、欠压/过压、放电终止、故障、过流告警等取样信号、同步信号、相位控制等固态UPS逆变子系统的结构逆变器控制原理2、逆变器需要实现的功能1）输出纯正的正弦波2）幅度、频率、相位可调3）过流、短路保护机制4）过压、欠压保护机制5）功率器件保护功能6）直流侧电压、电流检测7）电流均分控制（并联冗余型）逆变器控制原理3、逆变器由以下几个主要部分组成:IGBT逆变桥输出滤波电感输出隔离变压器输出滤波电容线路板：逆变主控制板(PCB7)并机控制板（并机型）(PCBJ7x)IGBT驱动板(PCB8、PCB9)逆变器输出取样板(PCB14)直流辅助电源（80K以下）(PCB15-80-227000)直流辅助电源（80KVA）(PCB15-J226704)逆变器控制原理二、逆变子系统的组成1、IGBT驱动板（80-226100）主要功能：1）IGBT隔离驱动2）IGBT欠饱和检出3）隔离工作电源LED指示灯：D18、D28、D35电源指示D41、D45IGBT工作指示D5、D21故障指示逆变器控制原理2、逆变器输出取样板（80-226900）主要功能：1）电流信号变换2）电压信号变换及取样调整参数：P2输出电流调整P3输出电压调整逆变器控制原理3、直流辅助电源板（80-227000）1）提供IGBT驱动板所需的单路20V/20KHz隔离电源2）提供逆变控制板所需的双路20V/20KHz隔离电源逆变器控制原理4、直流辅助电源板（80KVA以上-J226704）功能：1）提供IGBT驱动板所需的单路20V/20KHz隔离电源2）提供逆变控制板所需的双路20V/20KHz隔离电源逆变器控制原理5、逆变器并机控制板（J238301&J233101）逆变器控制原理三、逆变器性能非线性负载•非线性负载的特征是，电流峰值与谐波比值很高(波峰因素)，因此电流是非纯净的正弦波(CF=1,41)•电流的这种情况导致电压波形的畸变•微处理器通过实时电压校正电路，进行不同的脉宽调制四、逆变器的过载管理•逆变器可承受一定时间的临时过载，过载时间在技术手册中有详细说明•当负载端检测到过载时，即开始进行相应的数学运算(温度映象)，并根据过载曲线关闭逆变器Load100%运算开始逆变器停止过载特性逆变器控制原理逆变器控制原理短路•在出现短路、电流尖峰如电机或电磁设备启动等情况时，负载转由旁路供电•在旁路不可用时，逆变器按照如下特性曲线进行限流输出通过在直流侧安装的直流电流互感器感应到的电流，控制逻辑电路能够区别输出短路和IGBT短路当逆变桥出现短路时，直流输入电流瞬间增大，此时无法进行限流而只能停止脉宽调制逆变器控制原理五、IGBT保护静态开关控制原理一、静态开关子系统的结构静态开关的整体结构静态开关控制原理二、静态开关子系统的组成静态开关控制部分组成如下:SSI逆变器静态开关SSB旁路静态开关四象限输出控制开关线路板：1、静态开关变压器板(PCB17)2、静态开关控制板(PCB18)3、交流输出取样板(PCB19)静态开关控制原理二、静态开关子系统的组成1、静态开关变压器板主要功能：•为静态开关逻辑控制板提供冗余供电•旁路输出信号取样•逆变输出信号取样调整参数：•因变压器参数差异，更换此板后，需在PCB18上调整逆变器上、下限电压及旁路上、下限电压值静态开关控制原理二、静态开关子系统的组成2、静态开关逻辑控制板主要功能：逆变器过压/欠压检测旁路过压/欠压检测旁路频率范围检测锁相环控制信号逆变输出波形失真检测同步检测转换逻辑选择自动转换功能选择静态开关触发信号调整参数：P1旁路过压调整P2旁路欠压调整P3逆变器过压调整P4逆变器欠压调整P5逆变器波形失真度P6旁路频率下限调整P7旁路频率上限调整P8旁路频率校正P9、P10逆变失真校零P1旁路电压上限P2旁路电压下限P3逆变电压上限P4逆变电压下限P5逆变失真度P6旁路频率下限P7旁路频率上限P8旁路频率校正P9逆变失真度校零P10逆变失真度校零D73逆变器可用D74旁路可用D75逆变器同步D76逆变器带载静态开关控制原理二、静态开关子系统的组成2、静态开关逻辑控制板主要输入信号：自动转换开关信号逆变器温度开关信号过流复位信号手动转旁路信号逆变器风扇触点信号静态开关温度开关信号主要输出信号：旁路可用信号逆变器可用信号旁路带载逆变器带载系统同步旁路频率正常禁止转换逆变器温度过高锁相环允许静态开关控制原理二、静态开关子系统的组成3、交流输出取样板(80-227600)主要功能：1）电流信号变换2）电压信号变换及取样调整参数：P1输出电流调整P2输出电流调整P3输出电压调整原因转换条件输出端短路紧急旁路在正常范围内逆变器故障或逆变器电压超限紧急旁路在正常范围内直流过压或欠压(逆变器关闭)紧急旁路在正常范围内过温紧急旁路在正常范围内温度映象关机紧急旁路在正常范围内逆变输出失真度超限紧急旁路在正常范围内使用“旁路开关”强制转换(测试或维修)紧急旁路在正常范围内,且逆变器同步三、静态开关转换的条件：1、逆变器旁路转换静态开关控制原理三、静态开关转换的条件：2、旁路逆变器转换当逆变器在正常范围且同步时，转换自动完成自动转换旁路开关位置处于自动位置静态开关控制原理一、旁路稳压装置的结构：旁路稳压控制原理旁路稳压控制原理二、旁路稳压装置的组成旁路稳压装置由以下几个主要部分组成:输入隔离变压器（三相输入/单相输出）可控硅矩阵多抽头调压器线路板：稳压控制板(PCB501)可控硅驱动板(PCB502)可控硅驱动板(PCB503)旁路稳压控制原理二、旁路稳压装置的组成1、稳压控制板(J236900)旁路稳压控制原理二、旁路稳压装置的组成2、可控硅驱动板(J237000)旁路稳压控制原理二、旁路稳压装置的组成3、可控硅驱动板(J413710)显示及测量单元一、主要构成：1、监控主板(PCB10)2、LCD显示板+键盘（PCB11）3、V-F信号转换板4、继电器干接点板5、交流输入取样板（PCB51）6、逆变输出取样板（PCB14）7、交流输出取样板（PCB19）8、供电变压器（TF4、TF5）9、直流电压变换板（80KVA）（PCB33、PCB34）10、风扇控制板（PCBJ104-107）显示及测量单元一、主要构成：1、监控主板(80-226500)显示及测量单元一、主要构成：2、V-F信号转换板(80-226600)功能：1）信号隔离：将电压信号转换为频率信号，供CPU读取2）通道选择功能：以便CPU识别多个V-F通道显示及测量单元一、主要构成：3、继电器干接点板(80-225400)功能：输出各种告警信息，供外部电路识别显示及测量单元一、主要构成：4、交流输入取样板(80-229600)功能：三相电压检测、三相电流检测显示及测量单元一、主要构成：5、逆变/交流输出取样板(80-227600&226900)显示及测量单元一、主要构成：6、直流电压变换板（80KVA）(80-210822)功能：电压转换，用于接地检测显示及测量单元一、主要构成：7、风扇控制板(J236502)功能：风扇驱动、风扇故障检测一、定期维护的必要性1、易损耗器件：1）冷却风扇、滤网：堵转、停转、叶片破碎、滤网堵塞不良后果：内部温度过高、元器件加速老化、功率器件热损坏、电容容量下降解决方案：检查运行噪音、转速、更换滤网2）交流电容、直流电容：容量下降不良后果：输出波形失真、直流纹波过大、谐波干扰、功率管过热、变压器热损耗