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轨道交通通信信号电源系统中UPS电源的常见故障及选型改进方案

2019/11/6 7:34:03发布134次查看

 当前轨道交通行业里,ups电源系统承担了全线范围内控制中心、车站、车辆段等的通信系统与监控系统的供电,以及信息管理系统在控制中心和车辆段的数据机房的供电。
也正因为ups电源主要是给通信系统、综合监控系统、信息管理系统供电,人们大量采用商业型ups,造成ups的故障率居高不下,为轨道交通行业安全可靠地运行,带来了极大的安全隐患。
究其原因是:对轨道交通行业的电气环境认识不足,只考虑了ups的输入绿色要求,输出的过载能力,即输入功率因数≥0.95、输入电流谐波<5%、对电网没有污染和过载能力125%10分钟、150%1分钟。
看似对电网及负载两端都有了要求,而唯独没有考虑到轨道交通行业里工业性的特征,即在轨道交通行业的电气环境中,ups本身的适应性、可靠性。
在机车进出站时,由于大功率非线性用电设备的运行,向电网注入大量的谐波电流,导致电网电压波形畸变。根据我们的实测观察,在发生严重畸变时,电压会出现正负半波不对称,三相电压不对称,频率也会发生变化等。
商业型ups的三相pwm整流器控制策略中,一般均假设三相电网电压不平衡度不超过2%,短时间不超过4%,这是电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值。
一旦实际电网电压不平衡度太大时,将使三相pwm整流器直流侧电流产生6、12、18等6的整数倍的特征谐波和2、4、8、10等次数的非特征谐波,而直流侧电流谐波又导致产生三相pwm整流器直流电压谐波,直流电压谐波通过pwm作用反过来又会影响三相pwm整流器交流电流波形,使交流电流波形中含有奇次谐波。
其中直流电压2次谐波和由其产生的交流电流3次谐波,因频率低、幅值高,严重影响了三相pwm整流器的运行性能,严重时会烧坏整流器。
而工业型ups为了在严苛的工作电气环境中的可靠性,一般三相pwm整流器控制策略均假设三相电网电压不平衡度达40%,如电压空间矢量脉宽调制svpwm的网侧瞬时功率控制策略和工频三相igbt整流技术(全桥整流加有源滤波器,又叫混合式整流技术),可以在带载小于70%时,缺相工作运行。
电网电压波形严重畸变,这是轨道交通行业里最严重的问题。我们知道三相pwm整流器的硬件电路主要包括检测电路、锁相环电路、过流保护电路、光耦隔离电路和驱动电路。其中驱动电路工作时是以输入电网电压正弦波形为调制波的。检测电路、锁相环电路都与电网电压正弦波形有关。检测电路要检测电网电压过零上升,锁相环电路为了实现三相的单位功率因数控制,需要找到和输入电网电压波形同步的基准量,从而获得电网电压的频率和相位。
ups的输入特性通常有:输入电压范围:±20%,输入频率范围:50hz±10%的表述。所以,大都认为超出输入电压、频率范围时,ups自身会判定为掉电,而转有电池逆变工作。这在常态的时候是对的,但在一些异常的瞬态畸变却未必,即使调宽输入电压、频率范围,也不能解决问题。
因为,在判定输入电压、频率超出范围时,通常是采用平均值法,就是说它在一个单位时间里有几个参考点要采集后才判定。例如不会把50hz的正弦波形里的过零点,判定为掉电。这样就有个瞬态时间的问题。
如果由于ups的输入电压波形严重畸变,这时ups的整流器会因为跟踪的正弦波形畸变率较高,igbt驱动脉冲紊乱,驱动器功率不足或选择错误而导致故障,使整流igbt元件烧毁。
而这些问题,正是工业型ups的抗扰性要求,已经得到很好的解决,已大量应用于电厂、电站、冶金、钢铁等电网电压波形严重畸变的行业。
ups输入开关ki的跳闸,有多方面的原因:
•开关本身存在质量问题。一些质量较差的开关,一旦使用时间长了,其脱口机构就会疲乏,时不时的会跳闸;
•开关二次侧有短路现象。如:ups整流器故障,ups输入端子有短路现象,这种跳闸在实际运行中常出现;
•过载原因的跳闸。即一切可能引起过流的原因。如谐波、浪涌、电压骤降、启动电流、虚接等等。
在系统的ups选型方面,因为采用了商业型ups,在实际运行中,不仅会由于ups本身设计的抗扰度不高而造成整流器故障频发,还会因为逆变器过载跳旁路后,过载解除也不能自动恢复为逆变器供电,需要人为再次启动逆变器,为轨道交通运行的安全带来了严重缺陷。
所以,ups主机应选用轨道交通专有的工业型ups,它应具有:
•高等级的抗扰度,应用于严苛的电气环境(抗扰度包括:辐射敏感度试验、工频磁场辐射敏感度试验、射频场感应的传导敏感度、电快速瞬态脉冲群抗扰度、浪涌抗扰度、电压跌落与中断抗扰度、电力线感应/接触、静电放电抗扰度);
•整流器与静态旁路两路市电输入ki和kp;
•逆变器因过载跳旁路后,过载解除能自动恢复为逆变器供电。
另外,在这里要强调一下工业型ups的问题,工业型ups用一句话来总结,其实就是可靠性比商业型ups高。
ups系统在规定的条件下和规定的时间内,完成规定功能的能力称为可靠性,。长期以来,人们只用产品的技术性能指标作为衡量ups质量好坏的标志,这只反映了ups产品质量好坏的一个次要方面,还不能反映ups产品质量的主要方面。因为,如果ups产品不可靠,即使其技术性能再卓越也得不到发挥。从某种意义上说,可靠性可以综合反映ups产品的质量。
首先,产品依照标准的原则,顺序为:专用产品类标准→产品类标准→通用标准。也就是说:专用产品类标准为高等级,它的适应性和可靠性最高。就ups这类电力电子产品而言,我们通常以应用领域来分类,图5所示。
工业型ups就显性而言有三要素:①高等级的抗扰度,应用于严苛的电气环境;②可选配的高等级ip防护等级,应用于恶劣的空间环境。③工频变压器的电气隔离,可再生一个tn-s系统或it系统,即零线灵活更好的服务于用户,也可减少系统风险。在这三个要素中,唯有第一条是有标准可寻的。在iec62040-2-2005emc电磁兼容标准中,把ups分为c1、c2、c3、c4类,即居民区、商业区和轻工业区、工业区、特殊定制区。
在环境方面,商业级ups通常应用于idc机房内,对温度、湿度、粉尘、腐蚀性气体有严格的要求,不能用于严酷场合,而工业级ups则通常应用于高温高湿多粉尘或盐雾的场合;
在可靠性方面,商业级ups设计寿命通常在5年左右,而工业级ups则通过选用工业级甚至军用级器件、增大冗余度、强化工艺设计和提高安全性配置等技术使产品寿命达到甚至超过20年。
另外,在电气环境、负载特性、机械强度、电气隔离、输入输出保护、通讯接口、旁路要求、附件选择、ip防护等级和钣金要求等方面,市场对工业级ups的要求均远高于商业级ups。以上所述,工业型ups最大的特点就是安全可靠,安全可靠是工业型ups压到一切的前提。
要铸就高可靠性的ups,以下两点尤为重要:
①成熟的产品设计开发。可靠性的精髓在于可靠性设计,只有做好可靠性设计才能提升产品质量。可靠性的提升主要集中在研发阶段、定型之前。就工业级ups而言,要大量的工业电气环境资料及负载情况,来验证各种主电路的适应性、pcb板的布局合理性及样品、成品的emc电磁兼容性。
任何电磁兼容性问题都包含三个要素,即干扰源、敏感源和耦合路径,这三个要素中缺少一个,电磁兼容问题就不会存在。因此,在解决电磁兼容问题时,也要从这三个要素入手进行分析,查清这三个要素是什么,然后根据具体情况,采取适当的措施消除其中的一个。
这样产品的电磁干扰emi、电磁抗扰性ems才能符合标准要求,在相应的电气环境中运行可靠。其次,ups产品的使用环境日益严酷。从热带到寒带,从陆地到蓝海,从高空到宇宙空间,经受着不同的环境条件,除温度、湿度影响外,盐雾、冲击、振动等对ups的影响,导致产品失效的可能性也会增大。
因此,不仅是emc抗扰度,单就外观上就可以看出工业型ups的结构坚固性,从这个层面来说每一个行业都应该有相应行业的专用ups。
②成熟的产品制作工艺。我们知道同样的产品图纸,不同的生产厂出来的产品质量,即便是高度标准化生产的今天也显然会参差不齐。这就是成熟的制作工艺基础的问题,它需要长期经验的积累,就是说要有时间长度的工厂才具有此类特质。
作为电力电子技术在电源应用上的首要问题是散热。这一点与大多数人认为的散热就是打几个孔,加几个风扇完全不同,相去甚远。
因为,散热效果的好坏,直接关系到产品的系统稳定性,有国外电源专家甚至说,他们产品的稳定性高,就是散热片面积大,没有什么高精尖技术。国内外的电源产商在散热方面的人力物力投入也价值不菲。

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