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1、直流电源代替UPS电源和交流电源的优点及方法河南油田精蜡厂（473132） 翟佑华【摘要】从UPS电源给自动控制装工造成的损失和UPS电源固有的缺点出发，说明了直流电源代替UPS电源的优点；从UPS电源常用负载用电特点出发，指出了直流电源代替交流电源的可行性和主要替换方法。关键词 UPS电源 直流电源 逆变器 整流器1 问题的提出为提高供电可靠性，常用的作法是在用电设备与电源之间增加一个UPS电源。如笔者所在单位的热电站就使用了4套UPS电源，它们分别用作热电站的微机监控电源、事故照明电源、3MW背压式汽轮发电机组和锅炉自动控制电动调节仪表电源。尽管使用的UPS电源都是国际知名厂家制造的名牌产
2、品，但通过近几年的运行，多次发生因UPS电源故障造成热电站锅炉中断运行的现象。为减少UPS不间断电源故障给精蜡厂造成的经济损失和安全事故，我厂技术人员通过分析、研究发现:(1)直流电源比UPS电源可靠性高；(2)常用交流电气设备通过技术改造后，可以用直流电源供电。2 直流电源代替UPS电源的必要性UPS电源和直流电源的结构简图分别如图I(a)，(b)所示。通过对它们的结构、元器件的分析，不难发现，UPS电源与直流电源相比，存在着以下一些主要缺陷：(1)UPS电源与直流电源相比，增加了一个逆变环节。而逆变器的电路结构要比整流器复杂数倍以上。同时，逆变的功率元件(大功率三极管)工作在开关状态，要承
3、受换流时的过电压和功率损耗。尽管逆变器用功率元件的反向耐压要比直流电源功率元件高数倍，但其它元器件的选择也要比直流电源严格得多，UPS电源总成本是同等容量直流电源的数倍以上。由于上述原因，UPS电源的安全可靠系数远不及直流电源。如河南油田精蜡厂热电厂2000年3月30日的一次母线过电压事故，4台UPS电源全部损坏，仅修理费就花了近20万元，而接在同一母线上的直流电源没有出现任何不良现象。(2)对于UPS电源(如图1(a)所示)，当ACI电源中断或整流器损坏时，可以由电池E通过逆变器继续向用电负载供电；但如出现电池和逆变器同时损坏、ACI停电时间过长(超过电池放电容量)等现象时，UPS电源就会停
4、止向负载供电。由于逆变器输出电压存在着波形、相位、频率等方面的差异，使得逆变器的输出端不能与其它电源(包括其它逆变电源)并联。即在KI开关断开之前，K2开关不能闭合，否则将使事故进一步扩大。此时，如要恢复对负载供电，必须先断开KI开关，再投入K2开关，才能使负载实现接入备用电源的操作。UPS电源不能自动地、不间断地从一个电源切换到另一个电源上，使UPS电源做不到真正意义上的“不间断供电”，不能满足特殊负载对供电高可靠性的要求。而直流电源(如图1(b)所示)不存在波形、相位、频率的差异。2个直流电源通过二极管隔离后，就可以直接并联，共同向负载供电。这样，无论哪个电源(直流电或交流电)供电中断或出
5、现故障，另一个电源均会自动地、无间断地、相对独立地向用电负载供电。用电负载由于由2个相对独立的电源同时地、互为各用地供电，使用电负载获得了真正意义上的“不间断”供电，从而进一步提高了供电的可靠性，减少了因系统失电造成的经济损失。图1 结构简图3 直流电源代替交流电源的方法如何使现有负载的用电方式发生改变，而将200V直流电源接到现有负载上，是技术改造的关键所在。笔者现结合常用交流负载用途、结构等特点，提出了用直流电源代替交流电源的方法。3.1事故照明系统(1)对于白炽灯等电阻性照明灯具，只要直流电压值与交流电压的有效值相同，直流电源就可以不经任何改造地代替交流电源向这些负载供电。(2)对于气体
6、放电照明灯具，如日光灯、水银灯等，常用工频电抗器(镇流器)作为限流元件。由于电抗器不能限制直流电流，因此，不能将直流电源供给这些灯具使用。但随着电子技术的发展，人们发明了电子镇流器和节能灯。它是将220V交流电压不通过工频变压器，直接整流滤波成直流电压，直流电压通过三极管逆变成高频的交流电压，交流电压通过Lc串联谐振电路在灯管两端产生一个高电压，使灯管两极之间放电，达到启动灯管的目的；灯管启动后，由高频电抗器限制流过灯管的电流。如果是电子镇流器或节能灯，在整流滤波前加上220V交流或直流电压，经整流后的直流电压基本相同，并且不影响高频逆变的效果。因此，使用电子镇流器或节能灯的灯具，可以接在22
7、0V直流电源上；如是使用工频镇流器的气体放电灯具，只有将工频镇流器换成电子镇流器后，才能接在220V的直流电源上。3.2微机监控系统(1)微型计算机主机所用稳压电源均采用开关型稳压电源。它将交流电不通过工频变压器整流滤波成直流电，然后通过逆变器变换成高频交流电，再经过高频变压器隔离，整流稳压变换成微机装置使用的低压直流电源。它是通过改变开关三极管的导通时间或开关频率达到稳压的目的。开关型稳压电源与串联型稳压电源比较，具有体积小、效率高、无工频变压器、允许电源电压有较大的波动范围等优点。同电子镇流器一样，微机主机电源可以接在220V直流电源上。(2)计算机显示器内的元件，除消磁线圈、消磁电阻使用
8、交流电源外，其它元件均使用经开关稳压电源稳压后的直流电。如消磁回路接在直流电源上，会使显像管单向磁化而损坏。因此，对显示器可以采取2种办法对其进行改造。第1种方法是:将显示器接在带备自投的双电源上，当显示器正在使用的交流电源断电时，备用电源能在短时间内自动投入，它短时断电不会造成微机内的数据丢失，更不会影响生产装置的安全运行。用这种方法改造显示器的优点是可以不改变显示器内的任何接线，缺点是当显示器正在使用的交流电源断电时，会造成显示器短暂失电；第2种方法是:将显示器的消磁线圈和消磁电阻的供电线单独引出，将其它回路接在220V直流电源上。当显示器需要消磁时，将消磁线圈和消磁电阻短暂接入交流电源即
9、可。用这种方法改造显示器的优点是显示器不会因为交流电源的断电而失电；缺点是要改变显示器内的接线，要引出2根电源线并要确保消磁回路不接在直流电源上。3.3电动调节仪表控制系统对于DDZ-II型以上电动调节仪表，由于已采用电源箱供给各单元24V直流电源的集中供电方式，各单元省掉了工频电源变压器，解决了仪表的发热问题，也为仪表的防爆提供了条件。24V直流电源大部分采用交流输入的220V开关型直流稳压电源，其交流输入的220V可用220V直流代替；对于DDZ-I型及更早的电动调节仪表，由于它是采用交流220V电源通过工频变压器向各单元供电，每个调节单元都有1只电源变压器，使得控制电压分散、元件故障率高
10、、防爆性能差，因此，在石油、化工行业已逐步被DDZ-II型以上电动仪表代替。可在直流电源与电动仪表之间加一个可靠性较高的逆变器，以满足小部分DDZ-I型仪表，从而实现直流供电。3.4改造注意事项(1)由于直流电没有电流、电压的过零点，并且供电线路存在电感，因此开关的断流能力有所降低。对于工作电流较大的线路，应增加开关的容量或增加一个如图(2)所示的续流电路，以满足开关断流能力的需要。图2 续流电路(2)事故照明电源应与正常的生产照明电源分开，或增加一个事故照明电源自投装置，以减少直流电源容量和照明回路故障对自动化装置的影响。(3)为减少由于某一用电负载短路而影响其它用电负载的安全运行，还可以采用:在负载容量较小的回路串入一个限流电阻以降低短路电流；提高各出线开关保护的灵敏度；增加1至2套直流电源等方法进一步提高供电的可靠性。4 结束语直流电源代替UPS电源，能极大地提高自动控制系统用电的可靠性，减少因电源故障造成的经济损失和安全事故；同时，直流电源比UPS电源结构简单、成本低、维修方便。因此，直流电源代替UPS断电源，将给石油、化工等企业创造极大的经济效益。但是，直流电源代替UPS电源是一个系统工程，它涉及到仪表、计算机、自动控制系统等各个方面，因此，它要求电气技术人员，在改造前必须同仪表、计算机、自动控制等方面的技术人员合作，共同制订改造方案。本文发表于电工技术2001年12期
直流电源代替UPS电源的优点及方法
