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案列分析——UPS在线切割设备上的运用和改造
  • 电机类负载在用UPS保障供电时,应考虑电机在启动时有很高的瞬态冲击以及从技术上采取措施解决能量回馈的问题,电机的负载率与其输入功率因数的关系也是选择UPS必须考虑的因素。

    线切割设备主要由机床、数控系统和高频电源这三部分组成,见图1。数控系统由单片机、键盘、变频检测系统构成,具有间隙补偿、直线插补、圆弧插补、断丝自动处理等主要功能。能切割材料,如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、磁性材料等。以及精密细小和形状复杂的零件。线切割技术、线切割机床正在各行各业中得到广泛的应用。图2给出了典型的线切割设备电源的电路图,从图中可以看出,在负载特性上,线切割属于电机类感性负载。
      


      1 案例故障描述
      
      某机械加工企业有国产线切割机床5台,每台电功率约为3~3.5kW,考虑到设备电机类感性负载的特性,购买了三进三出6脉冲80kVA工频UPS一台,给5台线切割设备供电。UPS系统安装完毕开机后,测试和预运行均正常通过,但是正式投入生产后一周,其中一台线切割机正常工作中断线,另一台严重损坏,UPS功率部分故障炸毁。厂家技术人员及时进行了维修,再次投入工作后2日,该UPS再次功率部分炸毁,同时DC-BUS电容也同时炸毁。
      
      2 案例故障检测
      
      UPS再次修复正常工作后,经现场检测,该UPS为线切割机床供电时,负载电流跃变极为频繁,在线切割往复来回工作的间隙,负载对UPS有明显的反冲回电流。同时查询UPS历史记录工作电气参数,发现该UPS在过往的工作中,输入谐波经常高达30%以上。
      
      3 案例故障分析
      
      使用方错误地使用了不正确架构的UPS为本次故障的原因。
      
      UPS,是一种含有储能装置,逆变器为主要组成部分的不间断电源设备,主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。而线切割机属于特殊电机类负载,工作时对前端保护电源有着极强的冲击,在使用普通的商业UPS情况下,电机的反充电流极容易导致UPS出现严重振荡、UPS内部功率设备烧毁、线切割机断线甚至损毁等故障。同时,客户在购买传统大容量工频UPS时候,还错误地选用了高谐波电流、低输入PF值的6脉冲架构,从而导致了UPS对电网产生了大量的谐波*。
      
      4 案例故障解决方案
      
      ①在UPS内部的直流母线上安装过压释放器,以应对线切割机之类的电机类负载。过压释放器是一种能释放过电压能量而限制过电压幅值的保护装置,通常并联安装在UPS的直流母线的正负极上。其工作原理为:在UPS系统正常工作情况下释放器并不工作(仅流过微安级的泄放电流)。而当UPS输出负载连接有电机类负载,当其在正转和反转切换时,会产生急剧上升的反冲电流倒灌到UPS内部的直流母线上,从而导致母线直流电压急速上升,当上升到过压释放器所设置的保护电压值时,释放器将会导通,释放大电流,从而将过电压限制在一定水平上,起到保护母线关联设备以及UPS其他功率硬件的作用。在释放完过电压能量后,释放器将恢复到初始关闭状态。
      
      ②直流母线上的直流电容的耐压仅为450V,更换为耐压等级1200VDC的电容,以提高应对直流高压的能力。
      
      ③加装移相变压器和6脉冲整流器,将原有的UPS6脉冲架构改造为12脉冲架构,同时加装11次滤波器,大幅度降低了对电网的谐波*,提高了UPS的输入PF值。
      
      5 案例知识点和延伸
      
      ①普通商业UPS的设计理念是为了保护关键性的IT设备例如服务器,通常的IT设备大多使用开关电源,同时普遍或者强制加装了PFC功率校正电路,这种负载对于UPS来说负载特性为输入PF值很高(0.8以上)的恒定功率负载。这样的负载对于UPS来说,功率的实部是正的,能量是不会出现反灌的。即使是目前少量出现的非线性的整流负载,也是属于恒定功率的范畴。而且现代的普通商业UPS在设计之初,就把案例中的能量反冲倒灌作为一种UPS的故障来处理;
      
      ②在目前常见的高频机结构中,普遍使用IGBT整流、boost升压、主变压器结构,在系统控制上就一般限制了这种能量反灌的发生。同时在没有限制的UPS上,当出现电机能量反灌,DC-BUS异常升高的情况下,UPS应该立即启动保护措施。案例中的UPS在系统的安全保护设计上是存在一定缺陷的。目前国内UPS市场,高频机UPS因为其无可争议的优越性已经全面取代了传统工频UPS,同时也导致了工频UPS在市场上的供应量的减少,给很多的山寨小厂提供了一定的空间。这些不正规的小厂家继续生产销售一些质量低劣的工频UPS,以满足一些概念不清,坚持错误观点的客户的需求;
      
      ③案例中增加的过压释放器为最传统的释放模式,即将反灌导致的多余的能量,通过热能释放的方式解决,这在很大程度上也造成了一定的能源浪费,不符合目前环保节能的社会主流要求。为了进一步的提高能源的利用,技术上也可以通过将能量泄放回馈到市电或者利用UPS配置的蓄电池进行回收的方法。但这两种方案前者需要电网允许接收,后者需要UPS系统增加一套完善的蓄电池储能预留以及提前电池模式消耗能量的运作控制机制;
      
      ④电机在启动时有很高的瞬态冲击,如果没有额外的辅助措施,就需要UPS电源能够在瞬时供应非常大的功率。针对IT设备设计UPS一般仅仅是根据短时间内2倍功率设计,而有的UPS则是仅有1.5倍。对于再大功率的负载,软件限流算法或者硬件的限流线路就会发生作用,从而影响电机启动。不过好在UPS一般都设计有LineSupport功能,当负载功率大时能够通过旁路供电来解决。但是在电池模式下,无法通过旁路分担功率,就存在电机启动过程异常的可能。为此对于瞬间供应电流的能力非常关键的场合,就需要选择更大功率的UPS。
      
      电机类负载在实际工作中为解决启动能量冲击过大的问题,常会在设备前端加装变频调速装置,这样形成的系统供电结构为UPS+变频器+电机类负载。需要注意的是:同样为了解决电机类负载能量反灌的问题,变频器中也普遍加装有能量释放装置,工作原理和案例中UPS增加的装置类似。
      
      从工作原理上区分,采用反灌能量直接以热量散发形式运行的变频器虽然不够环保,但相对于UPS来说后端负载为非线性恒定功率负载,UPS就无需再次加装释放装置。但是如果是采用的是将能量直接释放回变频器前端的变频器,那么就和UPS直接连接电机类负载无异了。实际工作中,我们在碰到此类情况时,切记需要掌握了解变频器的工作原理,以免UPS的配置错误或者浪费;
      
      ⑤还需要重点考虑的问题是UPS负载功率因数与电机类负载的输入功率因数的匹配。电机的输入功率因数是随其负载率而变化的,见表1。
      
      早期,多选用工频机型UPS,其负载功率因数为0.7~0.8,。从表1可知,在电机的负载率为50%以上时,电机的输入功率因数在0.77~0.87之间,两者的匹配尚好。一般情况下,逆变器功率管的视在功率尚能满足负载功率的要求。但在电机负载率很低的情况下,除非逆变器设计时,功率管的功率留有很大的裕量,否则,可能出现烧毁功率管的故障。
      
      由于电机种类的繁多,其输入特性各异,表1给出的电机的输入功率因数与负载率的关系,是针对于某一种电机的实测数据,并不具备通用性。所以,在选用与电机匹配的UPS时,要慎之又慎。一般情况下,选择UPS时,应避免电机类负载,特别是感性很大的负载绝对不允许直接接到UPS上,因为此时启动电流很大,往往还超出其额定值的数倍,很容易造成UPS瞬间超载而损坏;
      
      ⑥国内目前有厂家已经有所谓“线切割专用UPS”,工作原理同上面的案例分析。这个称呼更多的应该是一种商业的宣传手法,实际上核心就是普通商业UPS,额外增加了释放装置,能够解决电机类负载反灌能量而已。称呼线切割专用,反而显的应用范围窄了。
      
      6 结束语
      
      电机类负载在用UPS保障供电时,应考虑电机在启动时有很高的瞬态冲击以及从技术上采取措施解决能量回馈的问题,电机的负载率与其输入功率因数的关系也是选择UPS必须考虑的因素。
      
      作者简介
      
      肖斌,男,1974年9月生,上海市人。高级工程师,现任罗格朗数据中心业务解决方案经理。多年从事数据中心产品市场、服务与应用技术支持,具备丰富的产品市场运作工作经验,目前专注于数据中心整体解决方案的设计、规划与建设。曾参与东航、远望7号、*网等多项大型数据中心产品项目的招投标和设计建设工作。参与、编著《高频机型UPS技术及应用》、《云机房供配电系统规划设计与运维》等多本专业书籍。
      
      现任中国计算机用户协会UPS分会专家组专家,中国数据中心建设与运维专家委员会委员专家,中国电源工业协会委员会委员专家。
      
      编辑:Harris
      
      

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