交流220 V不间断供电转换故障分析及对策

李星宇，郑恺之，曾祥孔，王 欢



交流220 V不间断供电转换故障分析及对策

李星宇1，郑恺之2，曾祥孔3，王 欢4

(1. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205；2. 华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 430074；3. 武汉华海通用电气有限公司，武汉 430074；4. 渤海造船厂集团有限公司，辽宁葫芦岛 125004)

切换电源的过程会造成供电间断，不间断电源保证供电的连续性。这里介绍了一种交流220 V不间断供电的转换装置，并为达成不间断供电的目的提供了两种工作模式。针对工程现场发生的掉电现象进行了波形监测。通过对实验波形进行分析与判断，提出掉电现象的原因与解决方法，并试验验证了解决方法的有效性。

不间断供电 转换装置 波形监测 故障分析

0 引言

供电转换装置是交流220 V不间断供电装置的重要组成部分。不间断供电装置广泛应用于通信、交通、国防和电力等重点领域[1]。而供电转换装置通过提供多个独立的电源为不间断供电装置提供了更高的可靠性。

文献[2-4]中分析了飞机、通讯以及区域电网中使用多个电源组合供电以达到不间断供电的效果，针对多种工作模式的切换进行控制分析；文献[5-7]中针对不间断供电系统的电源转换过程进行了分析，并通过控制手段减小了因电源转换而造成对整个不间断供电系统的影响，使得不间断供电系统更加稳定。从中可以看出对供电转换装置进行合理地控制对提高不间断供电系统的可靠性是非常重要的。

1 转换装置介绍

针对需求，我们设计了如下的双逆变电源不间断供电转换系统，如图1所示。

图1中下半部左右两边分别为两个单独的逆变电源，中部为连接两台逆变电源和主电网的转换装置，给2路AC220V电网供电，图1上半部连接的是独立电网，图中逆变电源、接触器以及VT3和VT4的控制电路未在图中画出。

图1 供电转换装置图

本双逆变电源不间断供电系统有两种工作模式：

a) 当单台逆变电源供电时，由一台逆变电源给整个电网供电；

b) 当两台逆变电源同时供电时，由对应侧的逆变电源分别给两侧电网供电。

表1 供电转换装置晶闸管状态

如表1所示，通过改变多组晶闸管VT1、VT2、VT3和VT4的状态来实现这两种工作模式的切换，其中○代表导通、×代表关断。从而达成保障独立区域电网交流220 V的不间断供电的目的。

２ 故障检查及分析

在现场调试此不间断电源转换装置的时候发现，在从单台逆变电源供电模式切换至两台逆变电源同时供电模式过程中，存在着输出电压不稳定的现象，在严重的情况下甚至会发生双路停止供电的状况，说明该切换系统的控制策略仍需要改进。

在查明故障的过程中，对该系统的重要节点进行波形检测，因为启停1号逆变电源或2号逆变电源的性质相同，所以波形比较都是用1号逆变电源的情况，并分别对以下几点进行重点监测：1号逆变电源输出电压；2号逆变电源输出电压；1号逆变电源输出电流；1号母线电压；VT1两端电压；1号逆变电源状态正常信号（低电平有效）；控制板SCR1驱动信号（低电平有效）；

图2 启停1号逆变电源波形图

（通道从上至下依次是1号逆变电源电压、2号逆变电源电压、VT1两端电压、1号逆变电源输出电流；图中横坐标每一小格为1 s，CH1、CH2纵坐标峰值为400 V，CH3纵坐标峰值为200 V，CH4基本维持在0 A）

图3 启停1号逆变电源波形图

（通道从上至下依次是1号逆变电源电压、2号逆变电源电压、VT1两端电压、控制板SCR1驱动；图中横坐标每一小格为1 s，CH1、CH2纵坐标峰值为400 V，CH3纵坐标峰值为200 V，CH4高电平为20 V，低电平为0 V）

1）首先检查启停逆变电源期间，两台逆变电源之间是否存在环流现象。实验波形如图2所示。

从波形图中的通道四可以看出，在启停单台逆变电源过程中无明显环流现象，说明不是因为环流过大引起的保护动作导致失电。

2）依次检查在启停逆变电源的过程中，SCR的驱动控制信号发出情况和逆变电源发出正常信号的情况。实验波形如图3、4所示。

可以看出，在停机的时候，切换装置正常工作，驱动板几乎是同步输出了正确的信号。而在启动单台逆变电源时，电源正常信号与SCR驱动控制信号基本上都是在逆变电源启动后约4.6 s左右发出。

图4 启停1号逆变电源波形图

（通道从上至下依次是1号逆变电源电压、2号逆变电源电压、VT1两端电压、1号逆变电源正常信号；图中横坐标每一小格为1 s，CH1、CH2纵坐标峰值为400 V，CH3纵坐标峰值为200 V，CH4高电平为20 V，低电平为0 V）

3）最后检查启停逆变电源过程中，母线上的电压情况。实验波形如图5所示。

可以看出在启停单台逆变电源时，母线电压基本上没有变化，所以也可以判定不是因为母线上电压波动从而导致失电情况的发生。

通过反复进行试验，从中对比发现，新启动的逆变电源与母线的电压相位有明显差值，发现每次VT1或VT2导通时电压相位均不相同，此时进行逆变电源的投入会在整个系统中形成扰动。

失电情况发生的时候，SCR驱动信号和逆变电源正常信号都是正常发出，但逆变电源和母线侧电压的相位与幅值差距过大，从而导致逆变电源未能正常投入，反而触发另一台逆变电源的保护，断开了另一台逆变电源，从而导致母线失电。故障发生时的波形如图6所示。

图5 启停1号逆变电源波形图

（通道从上至下依次是1号逆变电源电压、1号母线电压、VT1两端电压、控制板SCR1驱动；图中横坐标每一小格为1 s，CH1、CH2纵坐标峰值为400 V，CH3纵坐标峰值为200 V，CH4高电平为20 V，低电平为0 V）

图6 发生故障时的波形图

（通道从上至下依次是1号逆变电源电压、2号逆变电源电压、VT1两端电压、驱动板SCR1驱动；图（a）中横坐标每一小格为1s，图（b）中横坐标每一小格为0.2s，CH1、CH2纵坐标峰值为400 V，CH3纵坐标峰值为200 V，CH4高电平为20 V，低电平为0 V）

可以看出在KM1闭合的时候，即通道三开始有电压时，相位相差较大已经达到了接近30度，VT1两端承受过大电压，由于此次同步锁相较慢，达到规定时间后通道一与通道二之间相位差仍有10度，此时无法发出导通信号，但VT3、VT4却关断，从而导致左侧母线失电。

3 解决方法

因为两台逆变电源的控制程序中有自动锁相的功能，即运行过程中，两台逆变电源的电压相位会自动调整至相同，那么为保证母线不失电，就要保证单台逆变电源投入时的电压相位与幅值都达到当前母线上的值，我们可以延后SCR的控制信号发出导通指令的时间。通过比较多次实验波形发现，在逆变电源发出正常信号5 s后，逆变电源的电压相位与母线上的电压相位已经几乎一致，此时再进行导通VT1并关断VT3、VT4进行供电模式的切换对整个供电系统不会形成扰动。

增加了延时以后，再次通过示波器进行监视启停单台逆变电源的过程。实验波形如图7所示。

图 7 启停1号逆变电源波形图

（通道从上至下依次是1号逆变电源电压、1号母线电压、VT1两端电压、控制板SCR1驱动；图中横坐标每一小格为1s，CH1、CH2纵坐标峰值为400V，CH3纵坐标峰值为200V，CH4高电平为20V，低电平为0V）

可以看出在停止单台逆变电源时，驱动板正确并同步输出了控制信号。在启动单台逆变电源时，因为无法控制接触器KM1的闭合，VT1会承受相对较大的电压差，但是电压差迅速减小至稳定的20 V左右，20 V的电压差是因为晶闸管自身的管压降以及实验使用电压探头所造成的测量误差，这时电压仍有波动，说明此时还没有完成锁相过程。随着时间到增加的延时5 s位置，波动已经足够小，此时再导通VT1并关断VT3、VT4对整个供电系统的造成的扰动即可忽略。

自动锁相程序的工作原理是通过比较新启动的逆变电源与母线的电压相位差，通过随时间微分再积分，输出一个逐渐逼近基准电压的相位值。不断循环上述过程，从而达到与基准电压相位差满足相位差要求[8]。这一过程的所需时间与起始相位差以及程序设置的相位调整精度有关。增加5 s延时后的9.6 s时间为完成自动锁相过程的最长时间。

采用增加延时有效保证了切换不间断电源供电模式时系统的稳定性，确保了母线不失电，并且现场所产生的噪声也有所减小，也说明增加延时提高了此不间断电源供电切换装置的稳定性。

4 结语

不间断电源供电模式从模式a切换至模式b时，对于电压的相位与幅值要求较高，如果在电压的相位与幅值未达到同期要求的时候就投入运行，则会对整个不间断供电系统造成扰动，严重的时候会导致供电系统失电，这对供电系统的可靠性是较大的破坏。

但是不间断电源供电模式从模式a切换模式b，系统母线上已有稳定电压，且能够维持系统的正常运转，所以为保证供电系统不失电，通过增加逆变电源投入的延时，可以使逆变电源投入运行时达到更好的同期状态，从而使不间断电源供电系统的可靠性大大增加。

发生此问题的深层原因则是两台逆变电源的自动锁相程序对电压相位的调整速度较慢，导致在原先设置的时间内无法达到要求的电压相位与幅值，通过提高自动锁相程序调整速度也是解决本问题的一种途径。

[1] 颜晓河, 施三保, 夏泽中．不间断电源技术综述[J]．煤矿机械, 2006, 27(9): 6-8.

[2] 朱新宇．飞机交流电源正常供电转换中的不中断转换技术[J]．中国民航飞行学院学报, 2001, 12(1): 25-26, 41.

[3] 许彬慈, 胡长生, 张文平, 徐德洪．双能源不间断电源的能源切换控制[J]．电力电子技术, 2005, 49(11): 66-69.

[4] 李文华, 常惜阳．三电源自动转换开关控制器的设计[J]．电器与能效管理技术, 2016(16): 31-34.

[5] 何国锋．不间断电源重载切换逆变模块故障分析[J]．煤矿机械, 2015, 36(12): 289-291.

[6] 蔡久青, 陈昌松, 段善旭, 刘朋．模块化不间断电源自适应均流控制技术[J]．电工技术学报, 2017, 32(24): 153-159.

[7] 张凌华．一种带合环选掉保护的并联电源转换系统[J]．电器与能效管理技术, 2016(9):22-24, 47.

[8] 张诣. 非理想电压条件下软件锁相环的相位跟踪技术研究[D]．重庆大学, 2011.

Analysis and Countermeasure of AC 220 V Uninterruptible Power Supply Conversion Failure

Li Xingyu1, Zheng Kaizhi2, Zeng Xiangkong3, Wang Huan4

(1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 3. Wuhan Huahai General Electric Co., Ltd, Wuhan 430074, China; 4. Bohai Shipyard Group Co., Ltd, Huludao 125004, Liaoning, China)

TM762.1

A

1003-4862（2019）06-0041-04

2018-12-03

李星宇（1995-），男，硕士研究生，研究方向：船舶电力系统。E-mail: lixingyuxxx@foxmail.com