正弦波的當(dāng)然最好，其波形和電網(wǎng)上或者發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的波形是一樣的，而且甚至比電網(wǎng)上獲取的電源的波形還要完美，但調(diào)制出正弦波不是一件簡(jiǎn)單的事情，需要復(fù)雜的控制電路;因此成本必然上升。所以，正弦波UPS一般只在容量超過(guò)5KVA的機(jī)組，或者在線式以及部分在線互動(dòng)式機(jī)組上才出現(xiàn)，后備機(jī)組除非容量很大，不然也是很少的。
正弦波擁有對(duì)工頻變壓器最高效的轉(zhuǎn)換，可以負(fù)載一切能在市電上使用的設(shè)備。但因?yàn)槌杀締?wèn)題，目前也有很多使用比如：修正正弦波和方波的修正正弦波，即不是一條正弦曲線，而是無(wú)數(shù)的小線段，使用人為的方法將他們弄成和正弦曲線差不多的樣子，就是修正正弦波，修正正弦波也叫修正波，雖然相比方波好，但還是不如正弦波。
方波的話就更簡(jiǎn)單了，非常簡(jiǎn)單的推勉電路就能做出來(lái)，但因?yàn)榉讲úㄐ沃袕淖罡唿c(diǎn)突然跌到最低又到最高，其間的能量損失也是巨大的，并且如果機(jī)組容量很大，這種損失可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器本身?yè)p壞，因此方波系統(tǒng)通常而言，不會(huì)在很大的機(jī)組上出現(xiàn)，而且通常是幾百伏安的小容量且是后備機(jī)組的UPS不間斷電源里出現(xiàn)。正弦波轉(zhuǎn)換效率最高，損耗最小其次是修正正弦波再者是方波。
UPS電源中的正弦波和方波的區(qū)別
UPS電源的輸出有兩種情形：
A、市電經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單穩(wěn)壓后的直接輸出;
B、市電或電池(直流電壓)經(jīng)過(guò)逆變器后的輸出。
1、后備式UPS電源
正常模式下(A)：市電經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓后輸出的是純正弦波;
電池模式下(B)：直流電壓經(jīng)過(guò)逆變器后輸出的是方波。
2、在線互動(dòng)式UPS不間斷電源
正常模式下(A)：市電經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓后輸出的是純正弦波;
電池模式下(B)：直流電壓經(jīng)過(guò)逆變器后輸出是非純正弦波。
3、在線式UPS電源旁路時(shí)輸出的是純正弦波
正常模式下(A)：市電經(jīng)過(guò)逆變器后輸出是非純正弦波;
電池模式下(B)：直流電壓經(jīng)過(guò)逆變器后輸出是非純正弦波。
鍋爐給水泵是鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，隨著自動(dòng)化技術(shù)在鍋爐給水中的應(yīng)用，現(xiàn)代鍋爐液位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)已經(jīng)成為安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。本文為解決現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)停電問(wèn)題，給電機(jī)增加了UPS備用電源，確保了現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)。
型鋼煉鐵廠轉(zhuǎn)底爐余熱鍋爐系統(tǒng)是利用主抽風(fēng)機(jī)抽取轉(zhuǎn)底爐中的高溫廢氣，通過(guò)這部分余熱給汽包升溫產(chǎn)生蒸汽供熱電廠發(fā)電使用，達(dá)到能源回收利用的目的。余熱鍋爐系統(tǒng)中高壓給水泵的作用是往汽包中注水，是整個(gè)余熱鍋爐系統(tǒng)中正常水循環(huán)的基本保證，當(dāng)高壓給水泵因電源故障而導(dǎo)致停機(jī)，必將會(huì)影響到水循環(huán)的正常運(yùn)行，一旦鍋爐汽包內(nèi)部水供應(yīng)不足，會(huì)引起爐壁燒毀，甚至發(fā)生爆炸事故，造成重大財(cái)產(chǎn)損失或人身傷亡事故。
1 轉(zhuǎn)底爐余熱鍋爐高壓給水泵常見(jiàn)故障
(1)電機(jī)過(guò)熱。對(duì)于采用電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的給水泵來(lái)講，最為常見(jiàn)的故障就是電動(dòng)機(jī)過(guò)熱。轉(zhuǎn)底爐余熱鍋爐系統(tǒng)中共有兩臺(tái)高壓給水泵，分別由一臺(tái)75KW電機(jī)帶動(dòng)，兩臺(tái)水泵來(lái)自不同的兩路電源供電，正常生產(chǎn)時(shí)使用1#泵，2#泵作為備用。造成電動(dòng)機(jī)過(guò)熱的原因主要是由于電壓偏高或偏低、傳動(dòng)不暢、通風(fēng)系統(tǒng)故障或機(jī)組故障造成電動(dòng)機(jī)過(guò)熱。電動(dòng)機(jī)過(guò)熱嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成絕緣燒壞、轉(zhuǎn)子斷條等情況發(fā)生。因此，在發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)過(guò)熱時(shí)應(yīng)采用氣動(dòng)其他動(dòng)力方式，進(jìn)行停機(jī)檢修。電壓原因造成的電動(dòng)機(jī)過(guò)熱應(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)進(jìn)行檢查，通過(guò)恢復(fù)穩(wěn)定供電解決鍋爐給水泵電動(dòng)機(jī)過(guò)熱故障。另外傳動(dòng)不暢也會(huì)造成電動(dòng)機(jī)過(guò)熱，由于電動(dòng)機(jī)與給水泵間的傳動(dòng)不暢造成電動(dòng)機(jī)負(fù)載過(guò)大，出現(xiàn)小馬拉大車的現(xiàn)象，電動(dòng)機(jī)過(guò)載是溫度升高電氣系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的接觸器控制方式，一旦出現(xiàn)電機(jī)過(guò)熱故障必然導(dǎo)致電機(jī)跳電，從而影響到整個(gè)余熱鍋爐系統(tǒng)的正常水循環(huán)。
(2)外部電源故障，則主抽風(fēng)機(jī)隨之而停，不再抽取轉(zhuǎn)底爐的熱量，但在一定時(shí)間內(nèi)汽包處仍然保持較高的溫度，可將汽包內(nèi)的水快速蒸發(fā)，這時(shí)如果持續(xù)為汽包注入一定量水即可緩解短時(shí)內(nèi)高溫蒸發(fā)引起的汽包水量不足。
(3)1#泵自身電源故障(如斷路器故障等)，主抽風(fēng)機(jī)不停而持續(xù)抽取熱量，不斷的給汽包加熱，為保證余熱鍋爐系統(tǒng)的正常水循環(huán)，需要開(kāi)啟備用高壓水泵。這期間利用UPS電池組持續(xù)供電，便有充足的時(shí)間來(lái)切換到2#泵進(jìn)行工作。
2 改進(jìn)方法
結(jié)合余熱鍋爐高壓給水環(huán)節(jié)的重要性，合理利用現(xiàn)有的空置設(shè)備，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證、討論后提出為1#泵增加UPS不間斷電源的創(chuàng)新方案，根據(jù)負(fù)載情況，HIPULSEU系列120KVA的UPS完全符合生產(chǎn)要求，方案可行。
2.1 UPS設(shè)計(jì)與工作原理
HIPULSEUUPS采用AC-DC-AC變換器，市電正常時(shí)，整流器和逆變器同時(shí)工作，給負(fù)載供電的同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行充電。當(dāng)市電異常時(shí)，整流器停止工作，轉(zhuǎn)由電池經(jīng)逆變器向負(fù)載供電;若電池電壓下降到放電終止電壓，而市電還未恢復(fù)正常，UPS將關(guān)機(jī)。
2.2 電池組
UPS電池組由數(shù)個(gè)電池串聯(lián)而成，為UPS逆變器提供額定直流輸入電壓。在本系統(tǒng)中選用的是12V，40A/h的電池，共32塊串聯(lián)。
同時(shí)選配與UPS相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電池開(kāi)關(guān)盒，以便在維修和UPS出現(xiàn)故障時(shí)能夠斷開(kāi)和電池的連接。電池開(kāi)關(guān)盒內(nèi)含電池開(kāi)關(guān)控制板，可以檢測(cè)電池運(yùn)行工況，并具有受UPS控制電路控制的電子跳閘裝置，如遇電池欠壓導(dǎo)致逆變器鎖定，則開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷開(kāi)，避免電池過(guò)放電損壞，同時(shí)具有短路保護(hù)功能。
2.3 啟動(dòng)負(fù)載時(shí)對(duì)UPS的保護(hù)
UPS內(nèi)部的功率元件都有一定的額定工作電流，沖擊電流過(guò)大，會(huì)使功率元件壽命縮短甚至燒毀。本系統(tǒng)中高壓給水泵額定電流為147A，通過(guò)鉗形電流表實(shí)測(cè)電機(jī)啟動(dòng)電流可高達(dá)1100A，為了保護(hù)UPS，在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中增加一臺(tái)變頻器，在啟動(dòng)時(shí)逐步提升負(fù)載電機(jī)的頻率和電壓，通過(guò)設(shè)定的時(shí)間達(dá)到額定的工作頻率和工作電壓的狀態(tài)，這樣電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中的啟動(dòng)電流，就由過(guò)去不可控的過(guò)載沖擊電流變成為可控的，減少對(duì)UPS的沖擊。
2.4 UPS過(guò)載運(yùn)行時(shí)的保護(hù)
如果UPS過(guò)載運(yùn)行，在蓄電池供電過(guò)程中由于逆變器的過(guò)載保護(hù)功能，UPS會(huì)因過(guò)載而中斷輸出，從而造成不必要的損失。因投入大負(fù)荷非線性負(fù)載而形成瞬態(tài)浪涌過(guò)載輸出局面時(shí)，不但保證了UPS逆變器的完好無(wú)損，而且還不會(huì)出現(xiàn)因逆變器輸出過(guò)載能力差而轉(zhuǎn)交流旁路供電的局面。這是因?yàn)楫?dāng)UPS在執(zhí)行逆變器供電交流旁路供電切換操作的期間，有可能因不穩(wěn)壓的市電電源與具有穩(wěn)壓輸出特性的逆變器電源之間的瞬態(tài)電壓差過(guò)大而損壞UPS電源。
3 結(jié)語(yǔ)
在對(duì)電池組進(jìn)行不間斷浮充完全充電一星期后，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試電池后備時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20分鐘，同時(shí)經(jīng)試車在電源故障時(shí)UPS可自動(dòng)轉(zhuǎn)為電池供電，輸出電壓穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)要求。鍋爐給水泵是鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，隨著自動(dòng)化技術(shù)在鍋爐給水中的應(yīng)用，現(xiàn)代鍋爐液位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)已經(jīng)成為安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。給鍋爐給水泵增加UPS備用電源，避免一旦鍋爐汽包內(nèi)部水供應(yīng)不足，會(huì)引起爐壁燒毀，甚至發(fā)生爆炸事故，造成重大財(cái)產(chǎn)損失或人身傷亡事故，經(jīng)濟(jì)效益無(wú)法估計(jì)
正弦波的當(dāng)然最好，其波形和電網(wǎng)上或者發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的波形是一樣的，而且甚至比電網(wǎng)上獲取的電源的波形還要完美，但調(diào)制出正弦波不是一件簡(jiǎn)單的事情，需要復(fù)雜的控制電路;因此成本必然上升。所以，正弦波UPS一般只在容量超過(guò)5KVA的機(jī)組，或者在線式以及部分在線互動(dòng)式機(jī)組上才出現(xiàn)，后備機(jī)組除非容量很大，不然也是很少的。
正弦波擁有對(duì)工頻變壓器最高效的轉(zhuǎn)換，可以負(fù)載一切能在市電上使用的設(shè)備。但因?yàn)槌杀締?wèn)題，目前也有很多使用比如：修正正弦波和方波的修正正弦波，即不是一條正弦曲線，而是無(wú)數(shù)的小線段，使用人為的方法將他們弄成和正弦曲線差不多的樣子，就是修正正弦波，修正正弦波也叫修正波，雖然相比方波好，但還是不如正弦波。
方波的話就更簡(jiǎn)單了，非常簡(jiǎn)單的推勉電路就能做出來(lái)，但因?yàn)榉讲úㄐ沃袕淖罡唿c(diǎn)突然跌到最低又到最高，其間的能量損失也是巨大的，并且如果機(jī)組容量很大，這種損失可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器本身?yè)p壞，因此方波系統(tǒng)通常而言，不會(huì)在很大的機(jī)組上出現(xiàn)，而且通常是幾百伏安的小容量且是后備機(jī)組的UPS不間斷電源里出現(xiàn)。正弦波轉(zhuǎn)換效率最高，損耗最小其次是修正正弦波再者是方波。
UPS電源中的正弦波和方波的區(qū)別
UPS電源的輸出有兩種情形：
A、市電經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單穩(wěn)壓后的直接輸出;
B、市電或電池(直流電壓)經(jīng)過(guò)逆變器后的輸出。
1、后備式UPS電源
正常模式下(A)：市電經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓后輸出的是純正弦波;
電池模式下(B)：直流電壓經(jīng)過(guò)逆變器后輸出的是方波。
2、在線互動(dòng)式UPS不間斷電源
正常模式下(A)：市電經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓后輸出的是純正弦波;
電池模式下(B)：直流電壓經(jīng)過(guò)逆變器后輸出是非純正弦波。
3、在線式UPS電源旁路時(shí)輸出的是純正弦波
正常模式下(A)：市電經(jīng)過(guò)逆變器后輸出是非純正弦波;
電池模式下(B)：直流電壓經(jīng)過(guò)逆變器后輸出是非純正弦波。
現(xiàn)代的整流充電器分降壓型和升壓型兩種，降壓型主要用于UPS電池組電壓低于輸入交流峰值電壓一定值的情況，而升壓型主要用于UPS電池組電壓高于輸入交流峰值電壓的情況。
一、輸入配電系統(tǒng)
在數(shù)據(jù)中心的UPS供電系統(tǒng)中，輸入電路一個(gè)最重要的指標(biāo)就是輸入功率因數(shù)。輸入功率因數(shù)低會(huì)造成成下面的不利影響：
(1)導(dǎo)致輸入供電線路上各環(huán)節(jié)的早期老化
輸入功率因數(shù)低的原因是輸入諧波電流成分含量大，諧波電流經(jīng)過(guò)輸入電纜時(shí)，使電纜產(chǎn)生附加發(fā)熱量，導(dǎo)致電纜外皮材料長(zhǎng)期發(fā)熱、變軟、變脆、變酥、變碎;諧波電流經(jīng)過(guò)輸入斷路器(開(kāi)關(guān))時(shí)，開(kāi)關(guān)出點(diǎn)由于長(zhǎng)期發(fā)熱而導(dǎo)致接觸不良，一個(gè)正反饋的效應(yīng)是開(kāi)關(guān)過(guò)早時(shí)效;諧波電流經(jīng)過(guò)輸入保險(xiǎn)絲時(shí)，由于長(zhǎng)期的附加發(fā)熱而導(dǎo)致熔絲變軟、下垂(使整個(gè)保險(xiǎn)絲粗細(xì)變得不均與)、自然斷裂而引起斷電。
(2)不能充分利用輸入功率
由于輸入功率中含有大量的無(wú)功分量，有功功率被吸收，無(wú)功功率在電纜中往復(fù)流動(dòng)，使正常的有效電流通道變窄，由于線路的“擁擠”而使單位截面積傷的電流密度加大，功耗加大。根據(jù)歐姆定律。導(dǎo)線上的功耗P為
P=I2R
由上式可以看出，線路上的功耗和電流I的平方值成正比，與導(dǎo)線的電阻R成正比，而發(fā)熱量又是功耗P和時(shí)間T的函數(shù)，即
Q=0.24Pt
這樣一個(gè)長(zhǎng)期效應(yīng)造成了電力的浪費(fèi)。
(3)對(duì)供電電網(wǎng)產(chǎn)生*
輸入電路是可控硅(閘流管)整流器時(shí)，由于可控硅的開(kāi)啟往往伴隨著高壓電和大電流，不但破壞了輸入電壓波形，而且還形成很強(qiáng)的傳到*和輻射*，應(yīng)系那個(gè)了同一線路上其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行。
(4)使前置發(fā)電機(jī)的裝機(jī)功率成幾倍增大
輸入功率因數(shù)低(一般未經(jīng)補(bǔ)償?shù)闹禐楣β视脝蜗喽䴓O管整流器的0.6，較大功率用三相可控硅全波整流——6脈沖整流的0.8)，可導(dǎo)致前置發(fā)電機(jī)的裝機(jī)功率至少3倍于UPS的額定功率。
二、工頻整流器與高頻整流器
由前面的討論可以看出，UPS輸入功率因數(shù)低的主要原因在于輸入部分的電路結(jié)構(gòu)和工作方式�，F(xiàn)代的整流充電器分降壓型和升壓型兩種，降壓型主要用于UPS電池組電壓低于輸入交流峰值電壓一定值的情況，而升壓型主要用于UPS電池組電壓高于輸入交流峰值電壓的情況。
1.工頻降壓整流器
降壓整流器有工頻和高頻之分，而工頻又有穩(wěn)壓和不穩(wěn)壓之分。下面以UPS中應(yīng)用最廣的穩(wěn)壓工頻電路為例進(jìn)行討論。一般采用三相整流，是因?yàn)槿嗾鞯拿}動(dòng)系數(shù)和紋波系數(shù)都低。一個(gè)三相可控硅全橋整流電路中用了6只可控硅整流器，需要6個(gè)脈沖進(jìn)行分別控制，也俗稱其為6脈沖整流。三相全橋整流電路是按線電壓工作的，在市電為額定值380V/220V時(shí)的最高整數(shù)流出電壓可達(dá)到
UDC=380V×√2=537V
一般電池組額定電壓為12V×32只=384V的浮充電壓(約438V)已足夠了。由于這種電路是按照市電的頻率(所謂工頻)節(jié)奏而工作的，成為工頻整流器。由于可控硅的電流容量和耐壓都可以做的很高，因此它在中大功率傳統(tǒng)雙變換UPS中得到了廣泛的應(yīng)用。又由于這種電路整流器件的開(kāi)啟(相位)是可控的，因此它就具有了輸出穩(wěn)壓的功能。但這個(gè)輸出穩(wěn)壓的功能不能作為輸入市電大范圍變化的根據(jù)，原因是可控硅存在著在一定條件下失控的隱患。
例如，一個(gè)電池組額定電壓為384V，在正常情況下的浮充電壓低于440V，如果認(rèn)為及時(shí)是電線電壓額定值Un上升到135%Un時(shí)也可保證整流電壓低于450V，就可把這時(shí)的輸入電壓(135%Un)作為改UPS的優(yōu)點(diǎn)提供給用戶，就會(huì)給用戶的使用埋下隱患。當(dāng)然，按照相控原理，即使輸入市電電壓上升到150%Un，在正常情況下也可使電池浮充電壓穩(wěn)定在440V以下，但萬(wàn)一在135%Un時(shí)可控硅失控，這時(shí)可控硅整流器就變成了普通二極管整流器，此時(shí)的輸出整流電壓UDC就變成了
UDC=380V×1.35×√2=725V
這時(shí)就出現(xiàn)了兩個(gè)危險(xiǎn)情況：一種情況是，整流器后面的濾波電容是否可耐此高壓，否則必炸無(wú)疑;另一種情況是，原來(lái)12V一節(jié)的電池，現(xiàn)在變?yōu)槊抗?jié)電壓UB=725/32=2.6V，這就意味著電池也因此而報(bào)廢!甚至還會(huì)帶來(lái)其他的危險(xiǎn)，如因電池炸裂而噴出的硫酸傷人和傷物。
另一方面，由于6脈沖整流電路的工作是脈沖式的，對(duì)市電輸入電壓博興的破壞作用非常顯著，使輸入電流諧波成分達(dá)到30%以上，輸入功率因數(shù)僅為0.8左右，為了實(shí)現(xiàn)“綠色”電源的目標(biāo)，還必須進(jìn)行功率因數(shù)校正。
采用普通二極管的整流器就不具備穩(wěn)壓功能，它一般用于小功率UPS電路中，充電器另外設(shè)置。
2.高頻降壓整流器
在一般小功率UPS電源中，為了簡(jiǎn)化電路的復(fù)雜程度而采用了二極管整流器，但二極管整流器無(wú)穩(wěn)壓功能，為了濾波電容和逆變器的安全，有的采用了BUCK型高頻降壓整流器。
BUCK(降壓)型高頻降壓整流器工作原理：
控制信號(hào)以高頻脈沖(一般式20kHz的固定脈沖寬度)
加到開(kāi)關(guān)功率管的控制極，當(dāng)一個(gè)控制脈沖到來(lái)時(shí)，VT打開(kāi)，電流由整流器二極管經(jīng)VT流向負(fù)載和濾波電容，這是電感L儲(chǔ)能;控制信號(hào)結(jié)束后，VT截至，電感L產(chǎn)生的反電勢(shì)繼續(xù)維持原來(lái)的電流流向?qū)⒋迥茚尫牛渎窂绞牵篖b→C、R→VD→La，使輸入形成連續(xù)的電流。電感上的能量釋放完或達(dá)到一定程度后，功率管又被下一個(gè)觸發(fā)脈沖打開(kāi)，再重復(fù)上面的過(guò)程。這個(gè)電路的有點(diǎn)是簡(jiǎn)單，送到負(fù)載的電流是連續(xù)的，但輸入電流仍然是脈動(dòng)的。 |
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