直流電源代替ups電源和交流電源的優點及方法
河南油田精蠟廠（473132） 翟佑華
【摘要】從ups電源給自動控制裝工造成的損失和ups電源固有的缺點出發，說明了直流電源代替ups電源的優點；從ups電源常用負載用電特點出發，指出了直流電源代替交流電源的可行性和主要替換方法。
關鍵詞 ups電源直流電源逆變器整流器
1 問題的提出
為提高供電可靠性，常用的作法是在用電裝置與電源之間增加乙個ups電源。如筆者所在單位的熱電站就使用了4套ups電源，它們分別用作熱電站的微機監控電源、事故照明電源、3mw背壓式汽輪發電機組和鍋爐自動控制電動調節儀表電源。儘管使用的ups電源都是國際知名廠家製造的名牌產品，但通過近幾年的執行，多次發生因ups電源故障造成熱電站鍋爐中斷執行的現象。
為減少ups不間斷電源故障給精蠟廠造成的經濟損失和安全事故，我廠技術人員通過分析、研究發現:(1)直流電源比ups電源可靠性高；(2)常用交流電氣裝置通過技術改造後，可以用直流電源供電。
2 直流電源代替ups電源的必要性
ups電源和直流電源的結構簡圖分別如圖i(a)，(b)所示。通過對它們的結構、元器件的分析，不難發現，ups電源與直流電源相比，存在著以下一些主要缺陷：
(1)ups電源與直流電源相比，增加了乙個逆變環節。而逆變器的電路結構要比整流器複雜數倍以上。同時，逆變的功率元件(大功率三極體)工作在開關狀態，要承受換流時的過電壓和功率損耗。
儘管逆變器用功率元件的反向耐壓要比直流電源功率元件高數倍，但其它元器件的選擇也要比直流電源嚴格得多，ups電源總成本是同等容量直流電源的數倍以上。由於上述原因，ups電源的安全可靠係數遠不及直流電源。如河南油田精蠟廠熱電廠2023年3月30日的一次母線過電壓事故，4臺ups電源全部損壞，僅修理費就花了近20萬元，而接在同一母線上的直流電源沒有出現任何不良現象。
(2)對於ups電源(如圖1(a)所示)，當aci電源中斷或整流器損壞時，可以由電池e通過逆變器繼續向用電負載供電；但如出現電池和逆變器同時損壞、aci停電時間過長(超過電池放電容量)等現象時，ups電源就會停止向負載供電。由於逆變器輸出電壓存在著波形、相位、頻率等方面的差異，使得逆變器的輸出端不能與其它電源(包括其它逆變電源)併聯。即在ki開關斷開之前，k2開關不能閉合，否則將使事故進一步擴大。
此時，如要恢復對負載供電，必須先斷開ki開關，再投入k2開關，才能使負載實現接入備用電源的操作。ups電源不能自動地、不間斷地從乙個電源切換到另乙個電源上，使ups電源做不到真正意義上的「不間斷供電」，不能滿足特殊負載對供電高可靠性的要求。而直流電源(如圖1(b)所示)不存在波形、相位、頻率的差異。
2個直流電源通過二極體隔離後，就可以直接併聯，共同向負載供電。這樣，無論哪個電源(直流電或交流電)供電中斷或出現故障，另乙個電源均會自動地、無間斷地、相對獨立地向用電負載供電。用電負載由於由2個相對獨立的電源同時地、互為各用地供電，使用電負載獲得了真正意義上的「不間斷」供電，從而進一步提高了供電的可靠性，減少了因系統失電造成的經濟損失。
圖1 結構簡圖
3 直流電源代替交流電源的方法
如何使現有負載的用電方式發生改變，而將200v直流電源接到現有負載上，是技術改造的關鍵所在。筆者現結合常用交流負載用途、結構等特點，提出了用直流電源代替交流電源的方法。
3.1事故照明系統
(1)對於白熾燈等電阻性照明燈具，只要直流電壓值與交流電壓的有效值相同，直流電源就可以不經任何改造地代替交流電源向這些負載供電。(2)對於氣體放電照明燈具，如日光燈、水銀燈等，常用工頻電抗器(鎮流器)作為限流元件。由於電抗器不能限制直流電流，因此，不能將直流電源供給這些燈具使用。
但隨著電子技術的發展，人們發明了電子鎮流器和節能燈。它是將220v交流電壓不通過工頻變壓器，直接整流濾波成直流電壓，直流電壓通過三極體逆變成高頻的交流電壓，交流電壓通過lc串聯諧振電路在燈管兩端產生乙個高電壓，使燈管兩極之間放電，達到啟動燈管的目的；燈管啟動後，由高頻電抗器限制流過燈管的電流。如果是電子鎮流器或節能燈，在整流濾波前加上220v交流或直流電壓，經整流後的直流電壓基本相同，並且不影響高頻逆變的效果。
因此，使用電子鎮流器或節能燈的燈具，可以接在220v直流電源上；如是使用工頻鎮流器的氣體放電燈具，只有將工頻鎮流器換成電子鎮流器後，才能接在220v的直流電源上。
3.2微機監控系統
(1)微型計算機主機所用穩壓電源均採用開關型穩壓電源。它將交流電不通過工頻變壓器整流濾波成直流電，然後通過逆變器變換成高頻交流電，再經過高頻變壓器隔離，整流穩壓變換成微機裝置使用的低壓直流電源。它是通過改變開關三極體的導通時間或開關頻率達到穩壓的目的。
開關型穩壓電源與串聯型穩壓電源比較，具有體積小、效率高、無工頻變壓器、允許電源電壓有較大的波動範圍等優點。同電子鎮流器一樣，微機主機電源可以接在220v直流電源上。
(2)計算機顯示器內的元件，除消磁線圈、消磁電阻使用交流電源外，其它元件均使用經開關穩壓電源穩壓後的直流電。如消磁迴路接在直流電源上，會使映象管單向磁化而損壞。因此，對顯示器可以採取2種辦法對其進行改造。
第1種方法是:將顯示器接在帶備自投的雙電源上，當顯示器正在使用的交流電源斷電時，備用電源能在短時間內自動投入，它短時斷電不會造成微機內的資料丟失，更不會影響生產裝置的安全執行。用這種方法改造顯示器的優點是可以不改變顯示器內的任何接線，缺點是當顯示器正在使用的交流電源斷電時，會造成顯示器短暫失電；第2種方法是:
將顯示器的消磁線圈和消磁電阻的供電線單獨引出，將其它迴路接在220v直流電源上。當顯示器需要消磁時，將消磁線圈和消磁電阻短暫接入交流電源即可。用這種方法改造顯示器的優點是顯示器不會因為交流電源的斷電而失電；缺點是要改變顯示器內的接線，要引出2根電源線並要確保消磁迴路不接在直流電源上。
3.3電動調節儀表控制系統
對於ddz-ii型以上電動調節儀表，由於已採用電源箱供給各單元24v直流電源的集中供電方式，各單元省掉了工頻電源變壓器，解決了儀表的發熱問題，也為儀表的防爆提供了條件。24v直流電源大部分採用交流輸入的220v開關型直流穩壓電源，其交流輸入的220v可用220v直流代替；對於ddz-i型及更早的電動調節儀表，由於它是採用交流220v電源通過工頻變壓器向各單元供電，每個調節單元都有1只電源變壓器，使得控制電壓分散、元件故障率高、防爆效能差，因此，在石油、化工行業已逐步被ddz-ii型以上電動儀表代替。可在直流電源與電動儀表之間加乙個可靠性較高的逆變器，以滿足小部分ddz-i型儀表，從而實現直流供電。
3.4改造注意事項
(1)由於直流電沒有電流、電壓的過零點，並且供電線路存在電感，因此開關的斷流能力有所降低。對於工作電流較大的線路，應增加開關的容量或增加乙個如圖(2)所示的續流電路，以滿足開關斷流能力的需要。
圖2 續流電路
(2)事故照明電源應與正常的生產照明電源分開，或增加乙個事故照明電源自投裝置，以減少直流電源容量和照明迴路故障對自動化裝置的影響。
(3)為減少由於某一用電負載短路而影響其它用電負載的安全執行，還可以採用:①在負載容量較小的迴路串入乙個限流電阻以降低短路電流；②提高各出線開關保護的靈敏度；③增加1至2套直流電源等方法進一步提高供電的可靠性。
4 結束語
直流電源代替ups電源，能極大地提高自動控制系統用電的可靠性，減少因電源故障造成的經濟損失和安全事故；同時，直流電源比ups電源結構簡單、成本低、維修方便。因此，直流電源代替ups斷電源，將給石油、化工等企業創造極大的經濟效益。但是，直流電源代替ups電源是乙個系統工程，它涉及到儀表、計算機、自動控制系統等各個方面，因此，它要求電氣技術人員，在改造前必須同儀表、計算機、自動控制等方面的技術人員合作，共同制訂改造方案。
本文發表於《電工技術》2023年12期
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