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案列分析——UPS在線切割設備上的運用和改造
  • 電機類負載在用UPS保障供電時,應考慮電機在啟動時有很高的瞬態沖擊以及從技術上采取措施解決能量回饋的問題,電機的負載率與其輸入功率因數的關系也是選擇UPS必須考慮的因素。

    線切割設備主要由機床、數控系統和高頻電源這三部分組成,見圖1。數控系統由單片機、鍵盤、變頻檢測系統構成,具有間隙補償、直線插補、圓弧插補、斷絲自動處理等主要功能。能切割材料,如高強度、高韌性、高硬度、高脆性、磁性材料等。以及精密細小和形狀復雜的零件。線切割技術、線切割機床正在各行各業中得到廣泛的應用。圖2給出了典型的線切割設備電源的電路圖,從圖中可以看出,在負載特性上,線切割屬于電機類感性負載。
      


      1 案例故障描述
      
      某機械加工企業有國產線切割機床5臺,每臺電功率約為3~3.5kW,考慮到設備電機類感性負載的特性,購買了三進三出6脈沖80kVA工頻UPS一臺,給5臺線切割設備供電。UPS系統安裝完畢開機后,測試和預運行均正常通過,但是正式投入生產后一周,其中一臺線切割機正常工作中斷線,另一臺嚴重損壞,UPS功率部分故障炸毀。廠家技術人員及時進行了維修,再次投入工作后2日,該UPS再次功率部分炸毀,同時DC-BUS電容也同時炸毀。
      
      2 案例故障檢測
      
      UPS再次修復正常工作后,經現場檢測,該UPS為線切割機床供電時,負載電流躍變極為頻繁,在線切割往復來回工作的間隙,負載對UPS有明顯的反沖回電流。同時查詢UPS歷史記錄工作電氣參數,發現該UPS在過往的工作中,輸入諧波經常高達30%以上。
      
      3 案例故障分析
      
      使用方錯誤地使用了不正確架構的UPS為本次故障的原因。
      
      UPS,是一種含有儲能裝置,逆變器為主要組成部分的不間斷電源設備,主要用于給單臺計算機、計算機網絡系統或其它電力電子設備提供不間斷的電力供應。而線切割機屬于特殊電機類負載,工作時對前端保護電源有著極強的沖擊,在使用普通的商業UPS情況下,電機的反充電流極容易導致UPS出現嚴重振蕩、UPS內部功率設備燒毀、線切割機斷線甚至損毀等故障。同時,客戶在購買傳統大容量工頻UPS時候,還錯誤地選用了高諧波電流、低輸入PF值的6脈沖架構,從而導致了UPS對電網產生了大量的諧波*。
      
      4 案例故障解決方案
      
      ①在UPS內部的直流母線上安裝過壓釋放器,以應對線切割機之類的電機類負載。過壓釋放器是一種能釋放過電壓能量而限制過電壓幅值的保護裝置,通常并聯安裝在UPS的直流母線的正負極上。其工作原理為:在UPS系統正常工作情況下釋放器并不工作(僅流過微安級的泄放電流)。而當UPS輸出負載連接有電機類負載,當其在正轉和反轉切換時,會產生急劇上升的反沖電流倒灌到UPS內部的直流母線上,從而導致母線直流電壓急速上升,當上升到過壓釋放器所設置的保護電壓值時,釋放器將會導通,釋放大電流,從而將過電壓限制在一定水平上,起到保護母線關聯設備以及UPS其他功率硬件的作用。在釋放完過電壓能量后,釋放器將恢復到初始關閉狀態。
      
      ②直流母線上的直流電容的耐壓僅為450V,更換為耐壓等級1200VDC的電容,以提高應對直流高壓的能力。
      
      ③加裝移相變壓器和6脈沖整流器,將原有的UPS6脈沖架構改造為12脈沖架構,同時加裝11次濾波器,大幅度降低了對電網的諧波*,提高了UPS的輸入PF值。
      
      5 案例知識點和延伸
      
      ①普通商業UPS的設計理念是為了保護關鍵性的IT設備例如服務器,通常的IT設備大多使用開關電源,同時普遍或者強制加裝了PFC功率校正電路,這種負載對于UPS來說負載特性為輸入PF值很高(0.8以上)的恒定功率負載。這樣的負載對于UPS來說,功率的實部是正的,能量是不會出現反灌的。即使是目前少量出現的非線性的整流負載,也是屬于恒定功率的范疇。而且現代的普通商業UPS在設計之初,就把案例中的能量反沖倒灌作為一種UPS的故障來處理;
      
      ②在目前常見的高頻機結構中,普遍使用IGBT整流、boost升壓、主變壓器結構,在系統控制上就一般限制了這種能量反灌的發生。同時在沒有限制的UPS上,當出現電機能量反灌,DC-BUS異常升高的情況下,UPS應該立即啟動保護措施。案例中的UPS在系統的安全保護設計上是存在一定缺陷的。目前國內UPS市場,高頻機UPS因為其無可爭議的優越性已經全面取代了傳統工頻UPS,同時也導致了工頻UPS在市場上的供應量的減少,給很多的山寨小廠提供了一定的空間。這些不正規的小廠家繼續生產銷售一些質量低劣的工頻UPS,以滿足一些概念不清,堅持錯誤觀點的客戶的需求;
      
      ③案例中增加的過壓釋放器為最傳統的釋放模式,即將反灌導致的多余的能量,通過熱能釋放的方式解決,這在很大程度上也造成了一定的能源浪費,不符合目前環保節能的社會主流要求。為了進一步的提高能源的利用,技術上也可以通過將能量泄放回饋到市電或者利用UPS配置的蓄電池進行回收的方法。但這兩種方案前者需要電網允許接收,后者需要UPS系統增加一套完善的蓄電池儲能預留以及提前電池模式消耗能量的運作控制機制;
      
      ④電機在啟動時有很高的瞬態沖擊,如果沒有額外的輔助措施,就需要UPS電源能夠在瞬時供應非常大的功率。針對IT設備設計UPS一般僅僅是根據短時間內2倍功率設計,而有的UPS則是僅有1.5倍。對于再大功率的負載,軟件限流算法或者硬件的限流線路就會發生作用,從而影響電機啟動。不過好在UPS一般都設計有LineSupport功能,當負載功率大時能夠通過旁路供電來解決。但是在電池模式下,無法通過旁路分擔功率,就存在電機啟動過程異常的可能。為此對于瞬間供應電流的能力非常關鍵的場合,就需要選擇更大功率的UPS。
      
      電機類負載在實際工作中為解決啟動能量沖擊過大的問題,常會在設備前端加裝變頻調速裝置,這樣形成的系統供電結構為UPS+變頻器+電機類負載。需要注意的是:同樣為了解決電機類負載能量反灌的問題,變頻器中也普遍加裝有能量釋放裝置,工作原理和案例中UPS增加的裝置類似。
      
      從工作原理上區分,采用反灌能量直接以熱量散發形式運行的變頻器雖然不夠環保,但相對于UPS來說后端負載為非線性恒定功率負載,UPS就無需再次加裝釋放裝置。但是如果是采用的是將能量直接釋放回變頻器前端的變頻器,那么就和UPS直接連接電機類負載無異了。實際工作中,我們在碰到此類情況時,切記需要掌握了解變頻器的工作原理,以免UPS的配置錯誤或者浪費;
      
      ⑤還需要重點考慮的問題是UPS負載功率因數與電機類負載的輸入功率因數的匹配。電機的輸入功率因數是隨其負載率而變化的,見表1。
      
      早期,多選用工頻機型UPS,其負載功率因數為0.7~0.8,。從表1可知,在電機的負載率為50%以上時,電機的輸入功率因數在0.77~0.87之間,兩者的匹配尚好。一般情況下,逆變器功率管的視在功率尚能滿足負載功率的要求。但在電機負載率很低的情況下,除非逆變器設計時,功率管的功率留有很大的裕量,否則,可能出現燒毀功率管的故障。
      
      由于電機種類的繁多,其輸入特性各異,表1給出的電機的輸入功率因數與負載率的關系,是針對于某一種電機的實測數據,并不具備通用性。所以,在選用與電機匹配的UPS時,要慎之又慎。一般情況下,選擇UPS時,應避免電機類負載,特別是感性很大的負載絕對不允許直接接到UPS上,因為此時啟動電流很大,往往還超出其額定值的數倍,很容易造成UPS瞬間超載而損壞;
      
      ⑥國內目前有廠家已經有所謂“線切割專用UPS”,工作原理同上面的案例分析。這個稱呼更多的應該是一種商業的宣傳手法,實際上核心就是普通商業UPS,額外增加了釋放裝置,能夠解決電機類負載反灌能量而已。稱呼線切割專用,反而顯的應用范圍窄了。
      
      6 結束語
      
      電機類負載在用UPS保障供電時,應考慮電機在啟動時有很高的瞬態沖擊以及從技術上采取措施解決能量回饋的問題,電機的負載率與其輸入功率因數的關系也是選擇UPS必須考慮的因素。
      
      作者簡介
      
      肖斌,男,1974年9月生,上海市人。高級工程師,現任羅格朗數據中心業務解決方案經理。多年從事數據中心產品市場、服務與應用技術支持,具備豐富的產品市場運作工作經驗,目前專注于數據中心整體解決方案的設計、規劃與建設。曾參與東航、遠望7號、*網等多項大型數據中心產品項目的招投標和設計建設工作。參與、編著《高頻機型UPS技術及應用》、《云機房供配電系統規劃設計與運維》等多本專業書籍。
      
      現任中國計算機用戶協會UPS分會專家組專家,中國數據中心建設與運維專家委員會委員專家,中國電源工業協會委員會委員專家。
      
      編輯:Harris
      
      

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