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多路UPS在线维护系统研究与设计

时间:2015-06-15 18:25来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电力工程师论文,本课题来源于甘肃三联自动化设备公司针对铁路电务方面的实际研发项目,主要解决铁路电务系统中大量 UPS 的维护问题,提高 UPS 的使用时间和安全性能。

1 绪论


1.1 课题背景及意义
UPS 通过逆变器模块将内部阀控铅酸蓄电池中储存的直流电转换成为交流电,为负载提供稳定、连续的电力供应。应用在工业、金融、航天、通信、交通、医疗等领域。主要有应急电源和净化电能质量的作用[1-3]。随着我国铁路的跨越式发展,计算机被大量的应用到铁路系统的管理控制、信息处理当中,为了确保计算机系统的稳定安全运行,UPS 能够为故障断电的计算机系统提供电力保障,UPS 也被广泛的应用在铁路系统中,主要为计算机连锁系统和调度管理指挥系统提供电力保障[4]。铁路系统要求在外部电力供应因故障中断后,UPS 电源要能够为计算机系统提供30min~2h 的持续电力供应,以便于提醒工作人员进行正常数据保存和关机过程。否则,突然断电会对计算机硬盘造成不可修复的损害,长期保存的重要运行数据也会因此丢失,对铁路系统行车安全造成重大影响。通过统计近 5 年来兰州铁路局电务段维修故障 UPS 的数据,可以发现故障类型主要分为阀控铅酸蓄电池故障(71%)、控制系统故障(13%)、整流逆变电路故障(10%)这三类。由于铁路系统用电设备采用双路供电模式,UPS 接入工作系统之后长期处于过度浮充状态,导致蓄电池的储电能力下降,遇到外部电力中断故障出现时,不能保证足够时间的供电;目前铁路部门对 UPS 的维护主要是人工进行简单粗糙的放电维护,没有专业的设备进行 UPS 参数的监测,由于不能把握蓄电池健康的放电深度值、放电速率等原因,大大缩短了蓄电池的寿命,实际调查中发现理论寿命为 3 年的电池,在使用 1 年之后就发现容量下降、电压波动等问题,这就加大了铁路系统中 UPS 的故障风险;另外,不合理的放电不但维护效率低,而且也因经常盲目地更换蓄电池,而增加不必要的经济方面开支。
…………


1.2 国内外研究概况
UPS 维护系统主要研究大容量阀控铅酸蓄电池监测技术,维护系统的拓扑结构和控制方法。目前还没有针对铁路系统的特点开发出的在线式维护系统。电池监测技术中,对大容量蓄电池剩余容量的准确计算,蓄电池健康状态的预测,都是目前研究的热点。维护系统结构和控制中,主要解决正常供电过程和维护过程切换时的无间断转换问题。蓄电池剩余容量和理论容量的比值称为 SOC(State Of Charge,蓄电池荷电状态),通过 SOC 可以计算蓄电池剩余容量数值,从而判断蓄电池电量存储能力[5-8]。国内外研究中常用的计算剩余容量的方法主要有放电实验法、安时积分法、开路电压法、内阻法等。其中内阻法是一种能够较为准确地计算出蓄电池剩余容量的方法,它又分为直流测量法和交流测量法[9-12]。近些年,随着理论算法的发展和应用,学者和研究人员又提出了一些更为准确测量剩余容量的计算方法,比如通过电压电量曲线拟合方法估计充放电过程中电量的变化趋势,基于蓄电池经验模型和等效电路模型的内阻路端电压法,利用 3 层BP 神经网络模型对蓄电池容量的计算,用卡尔曼滤波器对已建立的阀控铅酸蓄电池状态方程和观测方程进行蓄电池荷电状态的最小方差估计[13-15]。
………..


2 多路 UPS 在线维护系统的工作原理


2.1 维护系统功能介绍
根据铁路电务系统对 UPS 的维护需要,本 UPS 在线维护系统满足以下功能需求:
(1) 多路 UPS 维护。可以同时对 5 路 UPS 进行维护,控制系统中可设置手动维护、自动维护、定期维护等功能,方便 UPS 在不同场合的放电维护需要,并能够对大容量蓄电池进行维护。
(2) 高速无缝切换。使系统正常供电和放电维护过程两种状态的切换时间达到4~5ms,确保了负载设备不会因为正常运行与维护状态切换而断电。
(3) 电能参数在线测量。在线监测的参数有市电电压、UPS 输出电压、放电负载温度、控制板温度、电池放电电流、蓄电池剩余电量和放电负载端电压。
(4) 多档放电维护。UPS 的型号不同,内置蓄电池的容量也不同,特别是铁路电务系统中用到的都是大容量 UPS,容量至少为 5000Ah。为了使维护时间不能过长,系统在设计时采用了多档放电模式,通过功率计算得出低、中、高三档放电速度所对应的放电负载数值,以及每档所对应的蓄电池容量适用范围。从而有效提高了维护效率,避免了深度放电危害。
(5) 环境温度监测。由于蓄电池的容量、放电时间、放电速率与温度有很大的关系。该维护系统用温度传感器实时监测维护过程中蓄电池的温度变化情况,通过控制器计算出温度补偿差值,有利于放电深度数值的精确程度。另一方面,当温度超过 40 摄氏度时,放电负载端和控制板隔间的风扇会启动,避免维护仪由于温度过高而出现死机的现象。
………..


2.2 维护系统运行原理
首先介绍多路 UPS 在线维护系统的工作原理。工作原理如图 2.2 所示。该多路维护系统共有 5 路,每一路都由四组反并联的快速晶闸管、测量模组、UPS 电源、放电负载和铁路电务负载组成。反并联的晶闸管主要起电力开关作用,用于 UPS 正常状态和维护状态的切换,切换时间小于 5ms。控制器通过测量模组检测到的市电电压信号判断外部电力的供应状态,若市电正常供电,1 与 4 组晶闸管导通,同时 2 与 3 组晶闸管关断,铁路电务负载由外部市电通过 UPS 供电,UPS 处于充电状态。正常状态下,如果外部电力供应出现故障,控制器会通过双路电源切换的方式保证 4 号晶闸管导通,由 UPS逆变输出向铁路电务负载继续供电。系统进入维护状态时,控制器使 2 与 3 组晶闸管导通,同时关断 1 与 4 组晶闸管,铁路电务负载由外部交流电直接进行电力供应。UPS 向负载端进行恒流放电,当放电深度达到维护系统要求值时,1、4 组晶闸管导通,同时 2、3 组关断,系统进入正常工作状态,UPS 维护工作结束。由于采用高速控制器和快速晶闸管,铁路电务负载不会因为状态转换而断电。
…………


3 阀控铅酸蓄电池特性及剩余容量计算方法........ 8
3.1 阀控铅酸蓄电池特性 ........ 8
3.1.1 阀控铅酸蓄电池放电特性分析...... 8
3.1.2 阀控铅酸蓄电池寿命...... 9
3.2 蓄电池放电实验 ........ 9
3.3 剩余容量计算方法 .......... 12
3.4 小结 .......... 21
4 多路 UPS 在线维护系统的硬件电路设计......... 22
4.1 微控制器 .......... 23
4.2 维护系统状态信息采集模块 .......... 24
4.3 时钟模块 .......... 27
4.4 液晶显示与键盘模块 ...... 27
4.5 通信模块 .......... 28
4.6 快速晶闸管驱动模块 ...... 29
4.7 蓄电池剩余容量采集模块 ...... 30
4.8 小结 .......... 31
5 多路 UPS 在线维护系统的软件设计......... 32
5.1 维护系统主控软件设计 .......... 32
5.2 上位机 LabVIEW 管理软件设计 ........... 41
5.3 小结 .......... 42


6 维护系统样机可靠性设计及调试


根据铁路电务系统安全无故障运行要求,电气设备必须具有高可靠性。硬件可靠性由器件性能寿命和电路设计的合理性决定,设计中通常要考虑到双机热备、避免电磁干扰、满足散热、减震等性能要求[54-57]。软件设计中要保证程序运行的过程中不能进入死循环,防止系统瘫痪。UPS 在线维护系统软硬件部分设计制作完成后,分别在实验室和铁路电务段工作现场进行了模拟实验和现场调试,根据实际中出现的新问题进行了记录和修改,确保满足客户要求和可靠性保障。


………


结 论


多路 UPS 在线维护系统实现了 UPS 在线放电维护的功能、从而解决了蓄电池长期处于浮充饱和状态使用寿命减少的问题。通过监测 UPS 的工作状态,对故障 UPS 及时提示更换,提高了 UPS 在铁路电务系统中使用的安全性和可靠性。根据铁路电务系统用户对 UPS 在线维护的功能要求,完成了维护系统的样机制作,并取得了如下成果:
(1) 通过对 UPS 中使用的铅酸蓄电池放电原理进行分析,结合铁路电务系统要求在线维护的特点,在对多种计算方案研究比较后,选择了以锁相放大为核心的交流小信号注入法来实现 UPS 维护过程中蓄电池剩余容量的计算。
(2) 采用高精度平衡调制器 AD630 对剩余容量测量环节锁相放大电路进行了设计,提高了测量精度,有效地分离待测信号;同时简化了传统交流法复杂的计算过程,便于软硬件电路制作和实际中的应用。
(3) 运用 MATLAB 软件,将放电维护实验中收集的 12V 铅酸蓄电池内阻与剩余容量值,通过四次曲线拟合的方式,绘制成相应曲线存储在寄存器中,作为 UPS 维护系统测量的参照标准。
(4) 通过长期进行铅酸蓄电池放电实验和记录分析放电数据,对同等条件下各种放电深度与蓄电池健康程度进行了比较,确定了 60%为 UPS 中常用的 12V 铅酸蓄电池的合理放电深度,能够有效延长蓄电池使用寿命。
…………
参考文献(略)

(责任编辑:gufeng)
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