高频机UPS在海洋工程中的应用优势

2017-09-16胡月双宋广兴

山东化工 2017年14期

关键词：整流器海洋工程工频

胡月双，宋广兴

(海洋石油工程(青岛)有限公司，山东青岛 266520)

高频机UPS在海洋工程中的应用优势

胡月双，宋广兴

(海洋石油工程(青岛)有限公司，山东青岛 266520)

主要通过对比工频机及高频机的区别，体现高频机UPS的应用优势。高频机UPS作为未来UPS的主流设备，具有功耗小、对外干扰小、体积小、重量轻等优势，在海洋工程供电系统应用中比传统工频机更有优势。本文介绍了高频UPS在应用上的特性，以在海洋工程设计中的应用为依托，对比了工频机的性能特点，展示了高频机的应用优势，希望对国内企业在UPS选型参考有所帮助。

UPS；高频机；工频机；应用

传统的工频机UPS，整流器采用可控硅整流技术，主路三相交流输入经过换相电感接到三个SCR桥臂组成的整流器之后变换成直流电压。通过控制整流桥SCR的导通角来调节输出直流电压值。由于SCR属于半控型器件，控制系统只能够控制开通点，一旦SCR导通之后，即使门极驱动撤消，也无法关断，只有等到其电流为零后才能自然关断，所以其开通和关断均是基于一个工频周期，不存在高频的开通和关断控制。而在海洋工程领域，高频化、智能化和环保化是必须考虑的应用特性，本文对高频机的应用特性进行了分析，希望对国内相关企业的设计及选型参考有所帮助。

1 UPS简介

1.1 发展历史

对于UPS类型的发展史，是伴随电力电子的发展而不断进化的，最早的工频机结构有旋转发电机式和静止变换式。静止变换式工频机结构UPS技术紧随旋转发电机式出现，属于早期工频机的代表，也为后期技术革新奠定了基础。UPS的无论从控制技术，成本控制，功率容量大小，拓扑技术等都有翻天覆地的变化。一般来说，技术的先进性是相对的，最前沿的产品技术的推广也会有适用期。新型的UPS都关联相应的IT服务器，以此为例，随着IT新技术的涌现，包括目前主流IT厂商提到的服务器、存储虚拟化技术，云计算等，IT产品的新旧替换代表着技术发展的方向。随着UPS行业的发展，随着各产业对灵活性及控制性能要求的提高，工频机的体积、重量及功耗的参数已经渐渐体现出了劣势。

目前UPS的技术发展方向已经确立，高频化、控制智能化、体积小型化及节能环保化已经成为其硬性标准。体积小型化不仅能节约成本、提高效率、增加空间灵活性等优点，还会促进高频化及数字化的应用。体积小型化必然要进行结构的精简，高频化就是前提。输入/输出隔离变压器是工频机的标配，高频机取消隔离变压器，这是小型化及高频化重要的一步。受制于技术和材料等因素，工频机配备输入/输出隔离变压器，直接导致了产品笨重、控制性能差、能耗较大和成本昂贵。所以后来出现了UPS历史上跨时代的革新，1980年，美国IPM公司成功取消了输入隔离变压器，后来又成功推出逆变器变换方案，取消了输出隔离变压器，这种跨时代的革命，对UPS性能的提高及数字化UPS的广泛应用都有深远影响，最终成就了高频型UPS。这种UPS的整流器工作采用IGBT整流，开关频率不再是市电工频50Hz，而是高频5kHz-20kHz，并且功率因数高达0.99以上，输入不需要增加滤波器。高频机不仅使UPS缩小了尺寸、增强了性能、减化了重量、降低了成本和增加了可靠性，还推动了待输出隔离变压器的UPS的淘汰，更为高频UPS的应用推广贡献了重要力量。

1.2 工作模式

图1 工频机型UPS工作原理

对于工频机型UPS，工作原理比较简单，核心元件就是可控硅整流器、IGBT逆变器及隔离变压器的，具体原理如下：通过可控硅整流器将输入端的380V交流电转变换为400V的直流电压，再通过调控电路最终输出220V逆变电压，调控电路由IGBT逆变器及输出隔离变压器组成。这个过程中，输入端的中线是与控制电路处于隔离状态，因此，来自供电系统的干扰影响将会很小，这也是工频机的稳定性较高的特点，见图1。

对于高频机型UPS而言，它采用的是升压型(boost)的脉宽调制IGBT整流器和IGBT逆变器设计方案。在这里，通过IGBT整流器将输入380Vac电源变换成±400Vdc的直流高压(直流电压的绝对值=800Vdc)，并在此基础上，经IGBT逆变器向外输出220Vac的逆变器电源。

2 高频机的性能优势

2.1 输入端功率因数高，电能利用率高

工频机UPS在输入电路采用了可控硅整流，输入端功率因数一般不超过0.8，这样谐波电流较大(约30%)。按照三相UPS来计算，发电机容量要高于3倍UPS功率；按照单相小功率UPS来计算，发电机容量要高于5倍UPS功率。如果提高输入功率因数，就要增加整流的脉冲，这样就会增加成本，也会体积变得很大。

高频机UPS，整流脉冲成千上万，这也是高频的特点，在这种高频的脉冲下，高频机不管容量大小，输入功率因数都可以是0.99以上，谐波电流会很小，甚至低于5%，按5%计算，发电机容量基本上等于UPS功率，这样既节约成本又减少了空间，充分利用了输入测得电能。

2.2 节能、环保、功耗低

工频机与高频机在同等指标，同等输出效果下，工频机需外加谐波滤波器或者增加脉冲以满足功率因数的要求，另外还需要增加输出变压器，这样结构会变得更为复杂，如图2所示，而高频机结构更为简单，因工频机增加整流及变压器，功耗将变得比高频机高5%，因此，在节能环保上，高频机优势明显。

图2 工频机与高频机的结构

2.3 伤害性干扰小

患者采取椎管内麻醉方式，腰麻患者采用7.5～15 mg 0.5%盐酸罗哌卡因（利用脑脊液稀释），复合硬膜外麻醉患者采用2%盐酸利多卡因和0.75%盐酸罗哌卡因的混合液，不采用腰麻、硬膜的患者用药量按照手术和患者实际对药物进行合理选择。术后用生理盐水将50 μg舒芬太尼与200 mg 1%盐酸罗哌卡因稀释到100 mL用于硬膜外自控镇痛[4-5]。

工频机UPS具备机械噪声和电噪声两种干扰，机械噪声会对操作人员形成威胁，电噪声会影响机器的稳定度。而高频机UPS的工频为20kHz及以上，这种频率下，不会影响人的听力及神经。高频机功率因数0.99以上，类似线性因数，电噪声干扰几乎是0。

2.4 重量小、对空间依赖性小

工频机UPS的结构相对复杂，因此重量体积都比较大。举例说明：同为200KVA，同一种品牌，工频机重量1500kG，而对应的高频机仅有800kG。

2.5 数字化、智能化

工频机UPS一般为模拟技术或者数字与模拟相结合的技术。而高频机是全数字化的技术，根据可靠性要求，全数字技术更优于模拟技术，全数字技术也更能体现智能化。

2.6 适应电网浮动，延长电池寿命

工频机UPS最多可适应电网变化15%浮动率，而高频机可适应30%浮动率，同等电网环境下，高频机电池寿命会更长。

3 应用

3.1 供电方案

鉴于海洋工程行业生产过程控制仪表重要设备主要为双电源负载的特殊性，对应的供电设计方案有三种，详细分类如下：

3.1.1 1台UPS单机与1路市电构成双路供电方案

常态下，UPS单机输出与一路市电输出可以为负载提供双电源，而UPS单机输出为负载提供不间断电源。

当UPS输出线路发生故障或者本机需要维护维修操作时，UPS需切换到旁路，此时对A类负载，旁路和一路市电输出母线提供电源，这样就避免了单机输出母线成为单点故障。此时旁路及一路市电的可靠性特别重要，关系系统的安全性；而对B类负载，旁路输出可以成为负载电源，临时维持供电，直至UPS恢复正常。原理图如图3。

图3 UPS单机输出与一路市电输出可以为负载提供双电源负载

3.1.2 两台UPS双路输出方案3.1.3

常态下，双电源负载每一路都由一台UPS独立供电，两台UPS各自承担一部分单电源负载，如果1台UPS需进行旁路检修，还能保证双电源供电：一路UPS输出和一路UPS旁路输出；如果有一台UPS因输出母线故障或者需停机维护维修)时，对A类负载，因为有一台UPS输出母线供电，所以避免单机输出成为单点故障；对B类负载，通过下游转换开关切换的临时模式，由一台UPS输出母线成为负载的临时电源，直到UPS输出正常，原理图如图4。

图4 两台UPS双路输出方案

3.1.4 UPS双机同步双输出方案

任何情况下，有一台UPS的输出母线出现故障，对A类双输入负载，由另一台UPS的输出母线提供电源，所以无任何影响；对于B类负载而言，由于采用了STS静态高速切换开关和LBS负载母线同步追踪器，其输入源不间断的切换到另一台UPS输出母线，保证B类负载正常供电。其中LBS负载母线同步追踪器使两台独立的UPS系统始终保持同步输出，STS静态高速切换开关在母线电压异常时进行了不间断的切换。

3.2 应用特性对比

在海洋工程领域现有的设计方案下，总结工频机及高频机的优势特性，很明显，高频机更适合海洋石油平台的设计环境，更具备效益性，具体对照见表1。