三相UPS逆变电源的研究与应用

刘 坤，姚宝庆

（山东钢铁股份有限公司莱芜分公司能源动力厂，山东莱芜 271104）

1 问题的由来

UPS电源系统是在系统断电情况下，保障设备供电连续性的重要设备，UPS电源系统的稳定与否直接影响机组设备在非正常状态下能否保持正常运行。莱钢能源动力厂燃气车间5#TRT原UPS电源供电模式采用后备式电源。2014年4月5#TRT因后备式UPS电源故障导致PLC失电瘫痪，后台监控电脑黑屏，动力油系统、润滑油系统全部停止运行，发电机未及时解列，机组因轴瓦缺油造成机组振荡，从而引发重大设备事故。另外，当发生高低压电源同时停电的情况时，润滑油泵、动力油泵停止运行，旁通阀组不能正常工作，入口蝶阀无法关闭，易对机组造成严重损伤，对高炉工况造成极大影响。为保证这些重要设备不间断供电，在线UPS电源供电模式成为我们急需研究开发的重要课题。

2 传统UPS供电方式及存在问题分析

后备式UPS电源模式见图1。

该后备式电源供电方式为当系统电源220 V输入正常时，UPS供电模式为直接由电源进行供电不经过逆变器供给负载。蓄电池组只是作为后备电源由充电模块对其进行充电，保持浮充状态；当系统失电后，转为由电池组经逆变器转换后供给负载。

图1 后备式UPS电源结构框图

该UPS电源由充电器、蓄电池组及逆变器组成，系统电源正常时，对蓄电池充电并浮充，逆变器不工作，系统断电后，将直流电压（电池供给）变成符合负载要求的交流电压，电压波形有方波、准方波、正弦波三种形式，该后备UPS存在输出电压精度和稳定性差，而且输出转换时间较长，输出转换开关受切换电流能力和动作时间限制，UPS输出功率偏低，基本在2 kVA以下等缺点。

同时润滑油泵、动力油泵和入口蝶阀采用380 V电源供电，PLC、监控微机和旁通阀组采用220 V电源供电。后备UPS电源输出为220 V，且电池容量低，不能满足上述部分设备的电压要求以及全部设备的容量要求，而且常规UPS设备存在价格贵、维护量大、故障率高等不足。

通过上述研究分析，UPS逆变输出电压精度、稳定性及输出功率大小是关键技术难题之一。

3 改进方案

3.1 技术研发思路

通过应用在线UPS逆变电源思路，引入三相UPS逆变电源供电模式。

3.2 三相UPS逆变电源供电技术开发

3.2.1 组成结构

图2为三项UPS逆变电源系统框图，通过该框图可以看出，该逆变电源由滤波器、整流器、逆变器、隔离变压器及静态转换开关等模块组成。

图2 改进后三相UPS电源结构框图

整流模块的作用主要是将交流电（380 V/220 V）整流成稳定的直流电源（432 VDC±2 V）供逆变器转换。

直流系统输入通过防反二极管，在系统失电时作为供应电源使用，供逆变器转换，在正常工作时直流系统处于后备电源状态。

逆变器主要是把交流输入或直流输入电源经整流器整流后的直流电转换成为输出电压精度高、稳定性强的交流电。

静态切换开关主要作为三种输入电源间切换平台，当逆变器故障时，可以通过旁路供电，当恢复正常时自动切换至逆变供电，逆变器与旁路电源保证频率和相位同步。

3.2.2 工作原理

通过控制原理图3可以看出：当系统电压正常时，380 V交流电源经过滤波器、三相隔离变压器整流成稳定的直流电（432 V/270 V/145 VDC±2 V），并经逆变器转换为正弦波电源，经输出变压器隔离后，经静态转换开关并经过二次滤波后转换为380 V/220 V电源供给用户。

图3 三相UPS逆变供电控制回路原理图

当系统断电后，不间断电源自动转换为直流供电状态，由蓄电池供给的直流电源经过防反二极管后，直接给逆变器供电，经过输出隔离变压器，静态转换开关、滤波器后转换为380 V/220 V电源供给用户。在交流输入断开瞬间，直流电将自动快速投入，输入电压无任何间断。

当交流380 V系统电源及直流电源出现故障时，由旁路电源进行供电，经过静态转换开关及滤波器后转换为380 V/220 V电源供给用户。

4 应用效果

采用三相UPS逆变电源技术后，利用原有TRT所带的直流供电系统（直流充供电装置及蓄电池），为三相UPS逆变电源提供了稳定的直流输入，避免了重复投资，节约成本效果显著。

同时有效解决了后备式UPS电源输出只有220 V交流电源的弊端，通过输出380 V/220 V电源，将现有TRT重要设备输入电源接入三相UPS电源，诸如旁通阀、进出口大型阀门、快切阀等重要设备，通过改造，由于供电可靠，有效保障了设备的稳定运行。