UPS并联供电

2024-06-01

UPS并联供电（精选七篇）

UPS并联供电篇1

1 工程概述

经现场勘查, 每台UPS输入有独立的输入开关, 无独立输出开关, UPS输出通过电缆在输出开关 (K6、K7) 上桩并联, 见图1, 单台UPS退出情况下, UPS输出端一直处于带电状态, 无法执行单台80k VA UPS保障的前提下逐台更换成120k VA UPS的方案。为控制作业风险, 工程施工方要求将两台80k VA UPS关机, 且UPS输入、输出端全部断开的前提下才可实施。这就表明在整个实施过程中信息机房所有信息设备转由市电供电, 失去UPS后备保护。

确定最终实施方案后, 信息中心在保障市电稳定、应急发电机正常情况下, 通过临时开关K4 将信息设备负载转移至市电供电, 成功完成80k VA UPS原址更换成120k VA UPS的工作, 并根据实际负荷情况, 更换部分开关, 同时对UPS并联电缆进行改造, 方便日后UPS检修维护, 见图2。

此次升级改造困难重重, 方案经三次现场讨论, 细分至30 项工作步骤, 历时25 小时实施, 工程量堪比新建UPS系统两倍。虽然最终完成实施, 但回顾10年前的UPS供配电系统设计, 我们还是能发现当时的设计缺乏长远的考虑, 对信息机房设备负载增长速度估算不足, 对UPS整机升级、各开关检修可行性及作业安全性缺乏考虑。

2 UPS冗余并联供电组网方式优化

2006 年机房UPS采用冗余并联供电方式, 两台UPS的输出同时送到并联配电柜上进行直接并联, 共同分担负载电流, 不存在主从关系。当某台UPS出现故障时, 该机将自动退出并联系统, 负载电流全部由剩余的一台UPS供电, 输出不间断。在故障机维修完成后, 可以将修复的UPS单元在线并入, 继续对负载进行冗余供电, 完成并联系统的在线热维护, 见图3。

冗余并联供电方式的设计是非常符合机房UPS供电要求的, 可以实施并联系统的在线热维护, 但由于并联柜 (配电柜) 的并联电缆连接方式 (图1) , 使得UPS输出端一直处于带电状态, UPS的在线热维护只能限制在对单台UPS设备内部, 如整流器、电池、逆变器、降温风扇、电容、旁路开关等器件的维护, 最终在实施UPS整机更换时遭遇极大困难, 不得不采用双机停机实施方案。

看来并联柜 (配电柜) 中UPS并机线接入位置也是有讲究的, 如果在2006 年建设时UPS输出有一个外置旁路 (K1 上桩至K7 下桩) , (如图4) , 则本次的UPS更换工作会简单很多, 并机系统双机更换、联调时, 负载由市电供电, UPS调试完成后不间断切换到UPS供电 (逐台更换后, 需进行并机调试) 。

但这样的设计又会造成一个新问题, 由于32A空开在输入侧使用并联排连接, 任意一个32A空开出现故障需要维修、更换或需要增加空开时, 将会遭遇本次UPS更换实施时同样的问题, 32A空开在输入侧将一直处于带电状态, 必须对该32A空开所在并联排全部停电才可操作, 该并联排所挂载的信息设备将会断电。

由此可以得出初步结论:当UPS双机系统运行可靠性高于32A空开及信息设备电源插座可靠性时, UPS并联线在输出开关 (K6、K7) 上桩连接, 方便对32A空开及信息设备电源插座进行维护。当UPS双机系统运行可靠性低于32A空开及信息设备电源插座可靠性时, UPS并联线在输出开关 (K6、K7) 下桩连接, 方便UPS整机维护。

信息中心在实施前对UPS双机系统运行可靠性、32A空开可靠性、信息设备电源插座可靠性、5 年内信息设备负载增长速度、32A空开扩容需求进行充分评估, 见表1。

同时结合现场实际 (K6、K7 下桩无空间并入新电缆且配电柜空间狭窄) , 在原并联线中间增加一个250A开关 (K5) , 如图2 所示, 通过K2、K3、K5、K6、K7 的开关状态组合, 如表2 所示, 分区停电控制作业风险, 实现UPS系统、配电系统的按需安全检修, 整个UPS系统冗余优势得到充分发挥, 达到UPS系统、32A开关、信息设备电源插座运行可靠性与可维护性综合最优。

3 并联系统优化前后可靠性探讨

本工程中, 在原并联线中间增加一个250A开关 (K5) , 通过K2、K3、K5、K6、K7 的开关状态组合, 分区停电控制作业风险, 实现UPS系统、配电系统的按需安全检修, 但多引入一个开关对整个供配电配电系统来说就是多了一个故障点。现在假设UPS设备及所有供电配电开关失效率恒定, 只考虑供电配电开关对整个供配电系统的影响, 对整个系统的供电可靠性进行重新评估。

定义K1、K2、K3、K5、K6、K7、32A开关可靠率分别为rk1、rk2、rk3、rk5、rk6、rk7、r32a, 则改造前A、B路信息设备供电可靠率为:

如果信息设备配置双电源模块, 则该设备供电可靠率为:

并入K5开关后, A、B路信息设备供电可靠率为:

如果信息设备配置双电源模块, 则该设备供电可靠率为:

由公式可以看出, 在并入K5 开关后, 理论上信息设备供电可靠率会有一定程度的降低, 但由于本次实施过程中全部更换为更大额定电流的新开关, 且新开关的可靠性极高, 在实际运行过程中对最终信息设备供电可靠率的影响可以忽略不计。

4 结语

由此可以看出, 本次改造能够结合实际情况, 在满足总体供配电系统可靠性前提下, 未对机房供配电系统拓扑做大改动, 有针对性对UPS冗余并联供电组网方式进行优化, 精简工程实施步骤, 有效控制了工程实施风险。同时通过开关状态组合, 分区停电控制作业风险, 实现UPS系统、供配电系统的按需安全检修, 整个UPS系统冗余优势得到充分发挥, 达到UPS系统、32A开关、信息设备电源插座运行可靠性与可维护性综合最优。

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UPS并联冗余技术的应用案例篇2

“N+m”并联冗余技术是专门为了提高UPS的可靠性和热维修(也称作热插拔和热更换)而采用的一种新技术。在正常运行时UPS由“N+m”个逆变模块并联向负载供电,每个逆变模块平均负担l/(N+m)的负载电流,当其中某一个或k个(k≤m)逆变模块出现故障时,就自行退出供电,而由剩下的N+(m-k)个逆变模块继续向负载提供100%的电流,从而保证了UPS系统的不间断供电。

l UPS并联常见的连接控制方式

常见的UPS冗余采用“N+1”(m=1)的并联方式,或是UPS的逆变模块经系统控制柜并联后再向外供电的主从供电体系,以及将并机功能直接设计在各个UPS的逆变模块单元中的分散逻辑供电方案。不管采用哪种方式,在正常工作时每个UPS的逆变模块都要平均分配负载电流。在运行中,如果遇到其中一台UPS的逆变模块出故障,并联系统自动把故障的逆变模块脱机。此时,全部负载由剩下的逆变模块按照比例平均分担。显然,采用这样的供电系统,大大增强了UPS供电系统的可靠性。

1.1 UPS实现“N+1”冗余并联运行的条件

UPS的“N+1”冗余并联运行技术,是提高UPS可靠性和可用性的关键技术,各UPS模块的并联必须满足以下3个条件:(1)各个UPS的逆变模块的频率、相位、相序、电压幅值和波形必须相同;(2)各个UPS的逆变模块在输入电压和负载的变化范围内,必须能够实现对负载有功和无功电流的均匀分配,为此要求均流电路的动态响应特性要好,稳定度要高;(3)当均流或同步出现异常情况或UPS的逆变模块出现故障时,应能自动检测出故障模块,并将其迅速切除而又不影响其它逆变模块的正常运行。

其中有2项关键技术:同步技术和均流技术。前者主要是解决各模块的频率、相位、波形和相序的一致问题;后者主要是解决各逆变模块均匀负担负载功率的问题。由于各个UPS的逆变模块都是与市电电网同步并联工作的,在各个UPS中都有同样的相应电路或各UPS的逆变模块有一共同的相应电路来实现与市电的同步,同步后各UPS的逆变模块的频率、相位、波形和相序都与市电电网相同,满足条件(1)中的5个参数中的4个。各逆变模块之间的输出电压可能有些差别,这种差别主要是由直流电压不同或单机UPS的逆变模块内阻压降不同等引起。因此,均流就成了各逆变模块并联工作的主要问题,必须采用均流的办法使各逆变模块的输出电压一致。由于各逆变模块的输出是通过共用母线加到负载上的,这相当于各个逆变模块共同负担同一个负载,所以,各逆变模块的输出负载功率因数只取决于母线上总负载的功率因数,因此,各逆变模块的输出功率因数相同,在均流时不必再区分有功和无功成分,只对模块的总输出电流进行均流即可。

1.2 UPS的并联连接控制方式

UPS的并联按照其连接方式一般分为集中控制、主从控制、分散逻辑控制、3C连接控制和无互连线控制方式。根据各种控制方式的特点,目前广泛采用的是分散逻辑控制。

分散逻辑控制是将控制权分散。在逆变电源并联运行时,各个电源模块检测出自身的有功和无功功率大小,通过均流母线传送到其它并联模块中,与此同时,电源模块本身也接收来自其它模块的有功和无功信号进行综合判断,确定本模块的有功无功基准,从而确定各个模块的电压和同步信号(频率和相位)的参考值。分散逻辑控制技术,即为一种独立并联控制方式,它采用了在各逆变电源中把每个电源模块的电流及频率信号进行综合,得出各自频率及电压的补偿信号控制策略。这种方式可实现真正的冗余并联,有一个模块故障退出时,并不影响其它模块的并联运行。它以可靠性高、危害性分散、功能扩展容易等良好的特性,成为计算机控制系统发展的主要方向之一,是一种比较完善的分布式智能控制技术。

2 UPS逆变模块并联均流控制

2.1 基本原理

UPS逆变模块并联均流的基本工作原理如图l所示。

当UPS双机并联时,2个开关处于闭合状态,R1和R1′,R2和R2′为电流互感器(电流源)的负载分压电阻,其阻值全部相等,根据电路分析可以得到

式中,ITH为理论平均电流;IBX为两个电流源之间的不平衡电流或交换电流。

当某种原因使得两个逆变器电流分配不均匀,且I1>I2时,将有IBX=I1-I2,从逆变器1流向逆变器2,这时逆变器1通过调整电路将减少电流IBX,逆变器2通过调整电路将增加IBX电流,从而使得I1逐渐等于I2,两个逆变器电流分配即趋于动态平衡。

2.2 均流的实现方法

民主均流法或称自治法是另一种自动均流法,它是按最大电流自动均流的。在自动均流法电路中,将二极管作为采样器件。并将二极管的负端接在均流母线上,由于N个二极管的负极都接在了均流母线上,处于相同的电位,则N个并联模块中只有输出电流最大的那个模块的负载电流检测信号电压最高。因此,也只有输出电流最大的那个模块,才能使与它相连接的二极管导通,导通后使均流母线上的电压UB=UIk,其它的二极管因受反偏置而截止。与截止二极管对应的模块,就以均流母线上的电压为基准来调整各自的输出电流,从而实现均流。从以上分析可知,民主均流法实质上是在N个并联的模块中,输出电流最大的模块将自动成为主模块,其余的模块则成为从模块,各个从模块的电压误差依次被整定,以调节负载电流分配的不均衡。由于N个并联的模块中,事先没有人为地设定哪个模块为主模块,而是按输出电流的大小随机排序,输出电流大的模块自动成为主模块,均流控制器SC的输入是最大的模块电流与各从模块电流的差值。

在正常情况下,各模块的输出电流是相等的,如果某种原因使模块k的输出电流突然增大,则模块k自动成为主模块,其他的n-1个模块自动成为从模块。这时UB=UIk>UIm,各个从模块UIm(m=1,2,..n)与UB(即UImax)比较后,通过SC调整基准电压,自动实现均流。

3 UPS逆变模块并联同步电路

UPS模块并联的同步方式有2种:各个模块分别独立地与市电同步;各个模块共用一个同步电路与市电同步,各模块的基准正弦电压须分别独立产生。前一种方法同步过程时间长,电路较复杂;后一种方法同步时间短,电路较简单,有利于冗余并联。采用后一种同步方法的同步原理电路如图2所示。在并联控制器中设置了一个共用同步电路使UPS中的本机振荡器与市电同步。

经过同步的振荡器信号分别送到各个UPS模块中的基准正弦波电压发生器中,使其产生出各模块所需的基准正弦波电压Urk,Urk的幅值受给定电压Ug的控制。通过对各模块给定电压Ug的整定,可以使各模块的基准正弦波电压Urk的幅值相等。各个模块的控制电路控制其输出电压UL跟踪Urk,就达到了各模块输出电压与市电电压同步的目的。振荡器与市电电压的同步由锁相环来完成,由于晶振频率精度很高,稳定性也很好,因此,可以认为各个模块的输出电压频率、相位和波形是完全相同的,电压的幅值用给定电压Ug进行整定,也可以达到相等的目的。

4 UPS逆变模块并联运行的控制实例

4.1 40kVA双变换UPS分布式并联控制实例

40kVA双变换UPS采用了一种分布式控制方法实现数字UPS模块的并联。均流控制和输出电压同步控制分散于各个并联的UPS模块中,各个并联的UPS模块完全相同,只通过两条低带宽的互连线交流信息,实现真正的冗余。两条互连线中,一条为电压基准相位线,各UPS模块正弦电压基准的频率和相位与电压基准相位线上方波的频率和相位保持一致,从而实现输出电压的同步;另一条为平均输出电流线,为用平均电流法实现均流提供信息。

4.1.1 系统结构

40kVA双变换UPS的逆变部分是电压型半桥逆变电路,采用了正弦脉宽调制(SPWM)方式,如图3所示。

其工作过程:检测UPS输出电压的瞬时值,并与电压基准Ur相比较产生电压误差信号,再经过电压调节和SPWM控制器生成门极控制信号Ug1和Ug2,控制开关VT1和VT2的动作,使输出电压的频率和相位与基准电压Ur相一致,幅值与Ur成比例。

各并联UPS模块间通过两条互连线相连接,共享信号Uir和Ssyn,如图4所示。Uir是各UPS模块输出电流的瞬时平均信号,Ssyn是一个方波信号,用来表示基准电压的频率和相位信息。两条互连线均为低通,这样可以有效地抑制高频干扰。

4.1.2 并联控制方法

(1)输出电压的同步方法。

为实现并联运行,各UPS输出电压的幅值、相位和频率必须严格一致。欲实现相同型号UPS的输出电压同步,关键是使其基准电压Ur同步。对于数字控制的UPS逆变器,基准正弦电压Ur的峰值来自高精度的直流参考电压,可以认为同一型号UPS都相等。这样,只要使并联各UPS基准电压的频率和相位与一个公共信号Ssyn保持一致,就可以使各UPS的Ur瞬时值相等,等效于各UPS共享一个公共基准信号Ur。

设N台UPS并联的系统,Urj代表第j台的基准正弦波电压(1≤j≤N),如图5所示。从方波Ssyn到正弦信号Urj的转换由各UPS的微处理器(DSP)来完成。

为了生成共享信号Ssyn,在每台UPS中添加一块以单片机(MCU)为核心的相位控制单元。仍以第j台UPS为例,相位控制单元及其与电压基准相位线的连接关系如图6所示。

Ssyn由所有并联UPS的信号通过“线与”自动生成:

对正弦市电信号Uin进行过零比较,得到反映市电频率和相位的方波信号Sin。当市电正常时(指其幅值和频率都在一定范围之内),通过软件程序使信号Ssyj精确跟踪信号Sin的频率和相位。这样,共享信号Ssyn也精确跟踪Sin。信号Ssyn1～SsynN和Ssyn都与市电频率相位同步。

当市电异常时,信号Ssynj由高精度晶振的MCU生成。并且MCU采样共享信号Ssyn的过零点,以微调Ssynj的相位,使之跟踪共享信号的频率与相位。这样,通过局部反馈实现了信号Ssynj与共享信号Ssyn的同步。

综合以上两种情况,信号Ssyn1～SsynN始终与信号Ssyn同步,这就保证了单个UPS模块投切时对公共基准Ur的影响最小。

(2)均流控制方法。

如上所述,为实现并联各UPS的负载均分,必须进行均流控制。系统采用了基于平均电流法的均流控制,如图7所示。

其中Uif为电流传感器测量到的UPS输出电流;Uir为各UPS输出电流的瞬时平均值,是所有并联UPS的共享信号。

均流控制也由原电压调节器完成,不需要专门的均流调节器,通过引入电流误差信号,将UPS逆变器的实际基准变为Ur-dui,从而调整输出电压幅值达到均流的效果。

4.2 Galaxy 1000 PW UPS并联系统机柜之间的连接方法

Galaxy 1000 PW UPS并联系统的运行是通过机内配置的APOZ和MISI两块并机控制板来实现。APOZ电路板主要是负责各UPS二单元之间电压同步信息的处理和传递;MISI电路板主要是负责均流信息的处理和传递。

(1)APOZ电路板之间的连接。

APOZ电路板之间的连接是用随机提供的扁平电缆(A)实现的,连接的目的是形成一个闭环电路,每一台UPS的APOZ电路板上的XM137端子必须与下一台UPS的APOZ电路板上的XM136端子相连,循环往复直到回到第一台UPS的APOZ电路板上。

(2)MISI电路板之间的连接。

MISI电路板之间的连接是用随机提供的专用电缆(A)实现的。MISI电路板上的XM5、XM6和XM7端子是用来传送信号的;MISI电路板上的XM10、XM11和XM12端子是用来接收信号的。

端子XM5与端子XM10配套用来与第一台UPS通信;端子XM6与端子XM11配套用来与第二台UPS通信,如图8所示。

5 并联冗余的缺点

(1)由于要求功率均分,因而调试困难。有些品牌UPS要在满负载运行时调节功率均分,输入、输出线长、线径都是影响均分的因素。

(2)并机柜系统如发生故障,将中断整个系统供电(瓶颈故障)。

6 并联冗余技术的要点说明

大功率UPS相位跟踪在±3°,两台UPS并联有可能在相位上相差6°,造成电压差,sin6°=30V,因而在输出端会造成很大的环流,就有可能使逆变器因过载而烧毁。另外,UPS机内各种元件电参数的微小差异也会导致输出电压的差异,同样可以导致环流。目前,世界上并机技术较好的公司可将环流控制在2%～4%。

7 结论

UPS并联供电篇3

关键词：并联机构,6-UPS,adams仿真

0前沿

由于并联机构的设计和计算比较费时费力, 因此研究者不断地在寻找一种实用的方法以解决这个问题, 借鉴于新的科学技术, 许多最新的高效的大型综合的动力学仿真软件都集成了许多强大的仿真和后处理功能, 通过这些功能可以较快的建立仿真模型和对模型进行仿真研究, 从而避免了求解繁琐的方程组。

1 6-UPS并联机构建模

通常一个复杂的并联机构包含许多简单的实体构件, 本文在对设计和仿真结果不产生影响的情况下, 对整个机构进行了必要的简化, 并添加必要的约束。建立6-UPS并联平台简化后的虚拟样机模型如图1所示:

2 虚拟样机工作环境的设置

为了使样机模型仿真结果和后处理结果的输出方便, 本文对影响虚拟样机的结果输出可能产生的影响的相关因素进行了相关修改设置:选取通用的国际单位制, 设置适当比例和重力的方向;为了方便区别和找寻某个部件, 对部件的名称进行了重命名, 并用不同颜色进行区分。

建立完六自由度并联平台的虚拟样机模型后, 添加各种约束来约束和限制多余的约束, 确保各个构件组成一个完整的机械系统。

对虚拟样机添加完约束之后, 然后添加相应的驱动, 对动平台中心点添加的点驱动函数如公式如1所示:

3 并联平台运动学的仿真

由于力和力矩对并联平台作用的情况产生的影响不是很大, 这里对其不在考虑。由于并联平台的运动不是某个构件的单一运动, 而是许多构件的协调运动, 因此其驱动函数复杂且难以准确的确定, 因此在仿真时, 本文从运动学逆解着手来研究, 观察并且查看其是否发生部件相互干涉的情况和是否能够达到预期的运动状态。就并联平台而言, 最能体现运动平台的运动性能的是空间螺旋线运动。本文在保证各个铰链在约束范围内转动, 同时通过添加空间螺旋线运动来进行运动学仿真, 其空间运动运行轨迹如图2所示。在运动平台运动公式用如 (2) 所示的函数表示动平台中心点的运动规律:

对动平台中心点添加方程组 (2) 所表示的运动函数, 并对其进行逆解处理。在求解的过程中, 动平台中心在X和Y轴都是做正弦运动, 且振幅不断逐渐增加;而在Z轴则做直线运动, 则此时动平台中心点的各参数个曲线如图3、4、5、6、7。

通过对图3可以分析, 动平台中心点的位移沿Z方向做匀速直线运动, 沿X和Y方向做振幅逐渐增大的正弦运动, 合位移是X、Y、Z三个方向在空间的合成。

通过图4和图5可以看出, 动平台中心点速度沿Z方向做匀速运动, 加速度为零;速度和加速度沿X、Y方向做振幅逐渐增大的正弦运动;合成方向速度和加速度则是对应的各个方向速度在空间的合成。

从图6和图7可以看出, 动平台中心点角速度和角加速度在X和Y方向先增大后减小, 角速度是按照近似正正弦运动, 以2.6秒为分界线, 加速度在2.6秒取得最值;而在Z方向加速度呈现出是先减小后增大的变化趋势, 在2.6秒达到了极小值。由于在2.6秒是角速度发生改变的时间, 所以在角加速度的极大值发生在2.6秒, 不论怎么变化, 其合成角速度恒为正值。

4 结论

本文利用虚拟仿真分析软件强大的建模和分析功能, 对并联机构进行仿真, 并对速度加速度和位移分析, 并对模型参数进行了优化设计, 不仅缩短了研发周期的同时使得成本得到了降低, 而且大大地提高了工作效率。

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UPS并联供电篇4

冗余驱动指机构的驱动数目大于其本身的自由度数目[1,2]。冗余驱动机构由于可以消除并联机构的奇异位形[3],提高系统动态响应特性[4],并且通过协调分配各个分支的驱动力,从而达到降低各个分支负载的效果[5],因此被广泛应用于地震模拟器或机床[4,5,6]等对承载能力以及运动精度具有较高要求的场合。然而,由于驱动数目大于末端执行器的自由度数,往往存在因驱动力分配不当而产生内力较大的现象,造成机构的损坏,冗余驱动并联机构的应用也因此受到了制约。因此,有必要对冗余驱动并联机构的内力进行深入分析,并通过冗余分支协调其他非冗余分支的驱动力,从而有效降低或消除内力。

现有的文献对于冗余驱动并联机构的内力已经有了初步的认识和理解,文献[6]通过引入多机械手抓取物体时所产生的内力的概念,将并联机构的内力定义为动平台内部受到的弯扭、拉压等状态。尽管该定义广泛应用在多机械手的协同工作中,但难以体现并联机构中各个驱动分支的输入力间的相互制约。文献[7]给出了冗余驱动并联机构的内力定义,并且针对并联机构的三种不同情况(非冗余机构非奇异位置、非冗余机构奇异位置和冗余机构)分别进行了说明。文献[8]提出了一种求解冗余驱动并联机构内力的方法,并且以锻造操作机机构2SPS+R为算例,讨论了机构内力与变形协调间的关系。文献[9]针对液压驱动冗余振动台内力耦合的问题,通过协调控制各个激振器间的作用力,从而达到减小各个激振器间的内力耦合的目的。文献[10]提出了一种通过冗余内力提高并联机构实际精度的方法,并且通过实验进行了验证。可见,目前对冗余驱动并联机构内力的研究并不多,且对于如何有效降低内力对机械系统的影响,缺少详尽的理论推导以及相对应的实例分析。因此,研究5-UPS/PRPU冗余驱动并联机构的内力,并提出一种行之有效的降低内力的方法具有十分重要的理论价值和实践意义。

本文利用螺旋理论中的互易积原理[11],推导出了5-UPS/PRPU冗余驱动并联机构的全雅可比矩阵,并且结合虚功原理以及伪逆法求解了5-UPS/PRPU冗余驱动并联机构的内力表达式。以对应的5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床为例,分析了冗余分支驱动刚度的大小对其他各个分支内力幅值的影响,并提出了一种基于冗余驱动变刚度的协调内力的方法。该方法可以应用于冗余驱动控制、机械结构优化等方面的研究。

1 5-UPS/PRPU冗余驱动并联机构简介

5-UPS/PRPU五自由度冗余驱动并联机构(图1)由定平台、动平台以及连接定平台与动平台的六个驱动分支组成。该机构可以通过驱动五个结构完全相同的UPS分支中移动副的运动以及PRPU分支中第一个移动副的运动来实现动平台位姿的改变。此外,动平台绕其自身法线的转动自由度被PRPU分支所限制,因此该机构的自由度数为5。综上,由于驱动数目(6)大于其自由度数目(5),因此可以将该机构描述为具有冗余驱动特征的5-UPS/PRPU五自由度冗余驱动并联机构,其中U表示虎克铰,P表示移动副(下划线表示驱动副),S表示球副,R表示转动副。

为了求解机构位置反解,将定坐标系{A}固定在定平台中心,将动坐标系{B}固定在动平台中心。如果将各个虎克铰的中心点表示为Ai(i=1,2,…,5),其中A1位于坐标轴YA上,其余A2、A3、A4、A5则均布于以OA为圆心的圆周上。另外,若将各个球铰的中心点表示为Bi(i=1,2,…,5),其各球铰中心点均布于以OB为圆心的圆周上,B1位于坐标轴ZB上。虎克铰中心Ai在定坐标系下的坐标表示为

其中,Ri为Ai到OA的距离,即半径;θi为Ri与YA轴的夹角;Hi为Ai在定坐标系中的X坐标;cθi表示cosθi,sθi表示sinθi。

动平台的各个球铰Bi在动坐标系{B}中的坐标可表示为

其中,ri为Bi到OB的距离,即半径;φi为ri与YB轴的夹角;hi为Bi在动坐标系中的X坐标。

若用BAT表示从动坐标系{B}到定坐标系{A}的变换矩阵,那么该5 -UPS/PRPU五自由度冗余驱动并联机构的运动学反解可由以下公式获得:

式中,li为各个驱动杆的杆长;为球铰在定坐标系下的坐标。

2 内力求解

2.1 内力的幅值表达式求解

若假设已知动平台的速度,那么通过求解与该分支各个运动螺旋均互易的反螺旋便可求得该分支的约束力/力偶,由各个分支的约束力/力偶所组成的矩阵即为该机构的约束雅可比矩阵;另外,通过锁紧各个分支的驱动副,并求解该分支其余各个运动螺旋的反螺旋可以得到该分支的驱动力/力偶,由各个分支的驱动力/力偶所组成的矩阵即为该机构的驱动雅可比矩阵。本文中的5 -UPS/PRPU冗余驱动并联机构的驱动/约束雅可比矩阵可以根据文献[11]得到:

其中,Si为各分支杆的单位方向矢量;Ri为Ai到Oi的矢量半径;Jc、Jna、Jra分别表示该机构的约束雅可比矩阵、非冗余驱动雅可比矩阵以及冗余驱动雅可比矩阵。Jc、Jna、Jra的行向量的物理意义分别为由PRPU分支施加给动平台的单位约束力偶()、由各个UPS分支作用到动平台上的单位驱动力螺旋以及由PRPU分支作用到动平台上的单位冗余驱动力螺旋()。

联合式(2)~式(4),可得

式中,J为5-UPS/PRPU冗余驱动并联机构的全雅可比矩阵[12]。

根据雅可比矩阵的定义[13?14]可以得到,动平台的微位移与各个分支的变形一定满足以下关系:

式中,ΔX为动平台由变形引起的微位移;q为各个分支的变形。

如果将J拆分成两部分,表示为

同样合并 Δqna、Δqc:

由式(6)可得

显然,Jnac一定可逆。因此:

即为该5-UPS/PRPU冗余驱动并联机构的变形协调方程。其物理意义为机构冗余分支的变形与其余分支(非冗余分支与约束分支)变形间的协调关系。鉴于机构内力不对外做功的特点,文献[15]将内力定义为“系统内在保持平衡时不对外作用的力”,那么在本文中内力被用来协调各个分支沿杆长方向的变形。

若将τna、τra、τc分别表示非冗余驱动力、冗余驱动力以及约束力螺旋的幅值,其大小可以根据下式进行计算:

其中,kna=diag(ka1,ka2,…,ka5),其对角线上的元素ka1,ka2,…,ka5表示各个UPS分支所对应的驱动刚度值;kra=[ka6],表示PRPU分支所对应的驱动刚度的大小;kc=[kc],表示PRPU分支所对应的约束刚度的大小;Δqna=[Δqa1Δqa2Δqa3Δqa4Δqa5]T表示由对应非冗余驱动力所引起的变形组成的列向量;Δqc= [Δqc],表示由约束力矩所引起的变形;Δqra=[Δqa6],表示由冗余驱动力所引起的变形。

联立式(11)和式(12),可得

其中,τ 表示由各个分支驱动力组成的列向量,λ为一个可以任意选取的向量。

此外,如果机构动平台所受到的六维外力(外载、动平台的重力及其惯性力/力矩)为w,那么由动平台的受力平衡条件可得

其中

式中,F、M分别为外力/ 力矩,下标X、Y、Z表示各个方向。

联立式(14)与式(15)可得

对上式求逆,即可由分块矩阵求逆得

其中

式中,J*为式(16)中等号右侧矩阵的分块矩阵逆矩阵。

由式(17)可以发现,等式右侧最后一行恒为零,因此可以直接略去。该五自由度冗余驱动并联机构的驱动力螺旋与约束力螺旋的唯一解可以表示为

其中,[JT]K+表示雅可比矩阵关于刚度矩阵K的加权广义逆,。此外,由于该机构的驱动力螺旋刚度与约束力刚度单位不一致,因此该冗余驱动并联机构的幅值的解还可以表示为其通解[8]的形式:

由式(19)等号右侧可知,各分支驱动螺旋/约束力/力矩螺旋由两部分组成:第一部分的驱动力/ 力矩[JT]+w用于抵抗外载,第二部分(I- [JT]+JT)λ 为机构产生的内力。对于冗余驱动并联机构,显然驱动力(驱动副)的数目大于自由度数目,因此各个驱动分支之间可能会产生较大的彼此相互制约的约束力,该约束力即为机构的内力。倘若内力控制不好的话,有可能会对机构本身造成破坏,而如果内力用于协调各个驱动分支间的弹性变形,便可避免整个系统因变形产生的憋死,甚至破坏。那么,结合式(19)可以求得机构内力的幅值表达式为

上述分析讨论的是假设机构刚度一定时,机构内力与其相应构型间的关系,然而,在实际生产应用中,机构的刚度(特别是机构驱动器所对应的驱动刚度)往往是变化的且需根据生产者的需求主动控制,因此,下一节将以5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床为例,讨论机构的刚度变化对分支内力的影响。

2.2 仿真验证

图2为5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床在有限元软件中的简化模型。首先,计算各个驱动分支沿杆长方向的线刚度,将计算结果和表1中的机床参数代入式(20)进行计算,最终求得各个分支驱动力的大小。另一方面,在该有限元软件中加入简化后的机床模型,通过该软件中的Stat-ic Structural模块对其进行静力分析,首先锁紧运动副,通过调用Force Reaction功能即可查看各个驱动分支的驱动力大小(如图2 中箭头所示)。

由于该机床的位姿不同,因此在有限元仿真软件中的结果会略有不同。由表2 可知,位姿3对应的理论值与仿真结果差别较大,位姿1对应的理论值与仿真结果差别较小。造成该误差的原因可能是由于有限元软件中前处理(网格划分、接触设置等)的误差,以及等效模型(不规则质量块等)处理的误差等。通过比较机床不同位姿所对应的驱动力实际值与仿真结果可知,理论计算结果与有限元计算结果趋于一致,且其误差区间在3%~8%范围内,因此验证了前述分析方法的正确性。

3 驱动刚度对内力分布的影响内力求解

以5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床为例,其结构如图3所示。需要注意的是,各个UPS分支的驱动刚度在动平台运动过程中应该随其长度的变化而变化,但为了简化分析,这里我们认为UPS分支的驱动刚度均相同,即kai=2.3×107N/m(i=1,2,…,5)。同样地,假设冗余分支的约束刚度为kc=8.2×107N·m,5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床主要结构参数如表1所示。

根据式(19)对5-UPS/PRPU冗余驱动并联机构进行内力分析,观察其在运动过程中各个分支产生内力的幅值与冗余分支驱动刚度变化的关系。假设冗余分支(PRPU分支)的驱动刚度在1.97×107~2.03×107N/m内变化,其余非冗余驱动分支的驱动刚度不变(冗余分支的约束刚度也不变),那么根据冗余驱动内力表达式式(20)可知,该机构的内力不仅与自身固有结构属性(即分支驱动/约束刚度)有关,其位置与姿态的变化也对其内力的幅值有着十分重要的影响。对于该5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床而言,通过分析其工作空间内不同姿态下各分支内力的分布来了解其冗余分支的驱动刚度性能对系统内力的影响有着十分重要的意义,因此本文通过计算各个分支内力在动平台运动过程中随时间的变化以及冗余分支刚度的变化来说明驱动刚度对系统内力的影响。

图4~图9为机构各个分支对应的内力(内力矩)分布云图。通过分析可知,在动平台运动过程中,1号分支内力很小(最大值为1×10-3N),且冗余分支驱动刚度的变化对其分布几乎没有影响;2~5号分支的非冗余驱动力螺旋所对应的内力均随冗余分支驱动的刚度增加而降低,另外6号分支的约束螺旋所对应的内力矩同样随冗余分支驱动刚度的增加而降低。因此,我们可以得出结论:无论是驱动力螺旋还是约束力螺旋所对应的内力均随冗余驱动刚度的增大而减小。由此,在实际生产中工作人员可通过对冗余分支驱动刚度大小的控制降低其他分支的内力,也可以在机械系统设计初期通过提高驱动器机械刚度降低其他分支的内力,从而避免因内力过大产生的憋死甚至毁坏。然而,通过图10可知,冗余驱动力螺旋所对应的内力随其刚度的增大而增大。因此,鉴于对冗余分支结构的保护,不能因协调其他分支内力从而无限度地增大冗余分支的驱动刚度。此外,通过观察图4~图10,各个分支内力幅值的变化与时间变化的对应关系与各个分支杆长变化趋势一致,因此可以在一定程度上说明该方法的有效性。

4 结论

(1)本文利用机构全雅可比理论推导了5-UPS/PRPU冗余驱动并联机构的变形协调方程,并通过使用伪逆法求解机构全雅可比矩阵关于刚度的加权广义逆,从而求解出机构的内力,并通过有限元仿真软件验证了该方法的有效性。

(2)以5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床作为算例,得到了其各个分支的内力幅值在对应运动空间内随冗余驱动刚度变化的关系。

(3)分析结果表明:通过合理调整冗余驱动刚度的大小可以在一定范围内降低其余分支的内力幅值。该方法既可以应用到冗余驱动控制算法中,即通过调节驱动伺服刚度协调各个分支内力,也可应用到机械系统前期设计中,即通过改善驱动器及其传动部件的机械刚度降低其他分支内力。

摘要：基于全雅可比矩阵和伪逆法求解了5-UPS/PRPU冗余驱动并联机构的内力,并提出了一种基于冗余驱动变刚度的协调内力的方法。通过求解机构的变形协调方程,得到机构的全雅可比矩阵的加权广义逆,从而求得该5-UPS/PRPU冗余驱动并联机构的内力表达式,通过有限元软件验证了该方法的正确性。以相应的5-UPS/PRPU冗余驱动并联机床为例,分析了冗余分支驱动刚度的变化对各个分支内力幅值的影响,进而提出了一种协调内力的方法。通过分析其内力随冗余分支刚度的变化分布情况可知,非冗余分支各个驱动螺旋以及冗余分支约束螺旋所对应的内力幅值可以通过在一定程度上增大冗余分支的驱动刚度来降低。该方法对机械结构设计人员以及控制系统搭建人员在提高系统精度、降低系统内力方面有重要的参考价值。

UPS并联供电篇5

某发电公司2×1000MW机组交流不停电电源装置采用SuperDataPower系列并机单相容量为2×100kVA的UPS。UPS系统由主机柜1、主机柜2、配电柜、旁路稳压柜及旁路隔离变压器柜组成,主要为单元机组DCS系统、DEH/ETS系统、电量计费、故障录波、火灾报警、厂用电监控等要求不停电设备提供电源。

1 UPS系统改造前运行情况

发电公司UPS系统采用双机冗余运行方式,正常情况下,主、从机并机工作,两台逆变器并联运行,各机负担50%的负荷;某台逆变器故障后,由另一台UPS带100%负荷运行。UPS改造前的电气系统图如图1所示。

发电公司UPS系统有两个备用电源,即直流电源和旁路电源。当整流器的主输入三相交流电源故障或整流器本身故障时,220V直流电源自动投入带逆变器工作,不中断逆变器的直流输入。整流器输出电压整定值为246V,220V直流电源的正常运行电压约为230V,整流器输出与直流电源并联时,整流器可能向220V直流系统倒送电,因此在直流电源侧装设了一个闭锁二极管。这样,整流器切至直流电源的条件是整流器输出电压降低到闭锁二极管导通(246V DC降至230V DC以下)。若整流器主输入交流电源恢复,则整流器将自动启动,220V直流电源将随闭锁二极管的关断而自动退出运行。整流器控制板中有电源故障监视功能,若主输入交流电源有故障,则整流器在故障排除前不会启动。一旦逆变器过载或输出异常,就通过静态开关,从UPS切换到旁路运行。综上,双机冗余UPS有4类工作模式:

(1)正常工作模式。

在交流380V电源正常输入情况下,整流器将交流电转换成直流电提供给逆变器。转换交流电时,整流器消除交流电谐波,以确保逆变器为负载提供稳定的交流电源。主、从机采用逆变器跟随方式,各负担50%的负荷。

(2)电池后备模式。

当交流380V输入电源出现异常时,直流电源可迅速替代整流器为逆变器提供直流电,可保证由逆变器转换输出的交流电不会中断。主、从机采用逆变器跟随方式,各负担50%的负荷。当故障机的交流380V电源恢复后,自动由电池后备模式无扰切换至正常工作模式。

(3)旁路备用电源模式。

逆变器处于过温、短路、输出电压异常或过载等不正常状况时,将自动停运以防损坏,此时,静态开关会切至旁路备用电源。当主、从机某台逆变器故障时,故障机将自动关断,正常机带100%负荷;若主、从机逆变器均故障,则双机并列运行旁路备用电源模式,此时主、从机采用旁路电源跟踪模式,各负担50%的负荷。

(4)维护旁路模式。

当UPS设备需要维护而输出不能中断时,先停运逆变器,后闭合检修旁路开关,断开整流器和旁路备用开关。这样,在切换过程中,提供给负载的交流电不会发生中断。并联运行模式下,若并联上有任一逆变器输出,则并联上任一旁路禁止输出。

2 UPS系统改造原因

某日,发电公司#2机停运检修,UPS系统两路交流电源均转检修,由两路直流电源和旁路电源供电。旁路电源从#2机保安MCC段引入,而#2机保安MCC段电源由柴油发电机供应。UPS双机并列运行时,两套UPS为了保持同步(输出频率的相位角必须相同),同时也为了保证旁路电源无扰切换,采用了主路跟踪旁路的运行方式。在UPS电源由两路直流电源和旁路电源提供期间,柴油发电机因故跳闸,致使两UPS主路因跟踪目标失去而出现不同步,导致UPS自动关断,所带负荷全部失电。

双机并联模式下,两套UPS输出的正弦电源需在同频率、同幅值、同相位、同波形畸变率、均流的条件下向负载供电,否则并列的两套UPS间会产生环流,威胁到UPS的稳定性和可靠性。由于该UPS系统所带负荷发生故障会严重影响到机组运行,同时考虑到正常工况下单台UPS的功耗不到20kVA,而设计容量为100kVA,后期又不存在大幅度增加负载的可能性,因此将原UPS由双机冗余并联运行方式改造为一主一备的双机热备运行方式。这样,在正常状态下,一台负担100%的负载,另一台热备用;当负担负载的一台出现故障时,它会无扰切换至处于热备用的另一台并自动退出运行状态,由原处于热备用的那台继续为负载供电。UPS改造后的电气系统图如图2所示。

3 UPS系统改造办法

以#1 UPS为主机,#2 UPS作为旁路电源进行改造,拆除两台UPS的输出回路及旁路柜到两台UPS输入回路间的均流电缆,并在电缆端子排上做好电缆线号后,将#2 UPS输出电源引接至#1 UPS的旁路进线端子排并紧固,做好电缆线号标记。拆除两台UPS间的通信线并封闭并行接口和RS-485通信接口,重新设置#1 UPS及#2 UPS的地址编码,使原两台并列运行的UPS相互独立。开机后,UPS主机的负载电流约为100A,实际功率为23kVA,满足运行要求。将示波器接到UPS的输出端,模拟各种故障切换,电量参数无明显波动。

4 结束语

UPS并联供电篇6

由于综合自动化系统在电厂和变电站的突出重要地位, 其工作电源的可靠性越来越引起更多、广泛层次的关注。UPS作为重要的不间断供电电源, 如何更好的实现与综合自动化系统的融合, 开展对UPS电源供电系统的研究, 具有非常重要的现实意义。

2 问题的提出

2004年热电分厂综合自动化改造项目实施后, 电源配置为两台独立运行的UPS, 承担着服务器、操作员站、工程师站、交换机、通信服务器供电任务, 网络结构为冗余式双以太网。2005年、2006年分别出现过单台UPS故障导致现场一半交换机失电, 出现远程监控失控现象, 对电厂综合自动化系统的稳定运行造成严重安全威胁。

3 分析及解决方案

原因分析:供电方式不灵活和UPS独立配置是供电可靠性差的主要问题所在。为解决该问题, 我们提出了采用冗余式UPS配置方案, 但是根据厂家提供的资料, 该方案仅能解决UPS频繁故障的问题, 但供电方式存在弊端仍然未得到很好的解决。

为解决上述问题, 我们对UPS冗余接线技术要求进行了深入分析, 结合电厂电气系统供电方式设计理念, 2008年对老系统综合自动化系统UPS电源输入、交流输出系统做了部分改进, 使其更好应用于现场实践。下面是具体改造前后电源系统接线图。

3.1 改造前老系统综合自动化系统UPS电源系统接线图

(图1) 中, 正常运行时联络开关1、联络开关2有一个处于断开状态, 所有负载由两台UPS分别独立供电;当任意一台UPS故障时, 都会出现负载断电现象, 部分系统失去监控, 需要合入联络开关后方可恢复系统运行。

3.2 改造后老系统综合自动化系统UPS电源系统接线图

(图2)改造后电源系统运行方式为:正常运行时交流输出11、21及联络开关1、2均处于合闸运行状态, 交流输出开关12、22只允许合入其中任意一个开关;另外, 两台ups处于并联冗余运行状态。从运行方式上来看, 既提高了UPS本身运行的可靠性, 同时改变了负载母线的运行方式, 提高供电可靠性。

4 实施效果及技术特点

该项目实施后, 老系统综合自动化系统至今五年来未出现过一次负载断电现象, 另外UPS定期维护清扫都可以在停机状态下进行, 解决了过去在线运行状态下的设备维护清扫不彻底问题, 提高了检修维护质量。

该方案主要技术特点有几个方面: (1) 根据负载的运行容量, 灵活选取1+1或1+N的冗余并联运行方式; (2) 采用公共短接线, 保证UPS的并联输出条件; (3) 大胆采用电力系统单母分段+双电源供电的主接线设计理念。

5 结语

该方案主要是针对重要负载供电时, 在不改变并联冗余式UPS电源系统结构的情况下, 即不违背UPS并联冗余运行的工作条件同时又满足对负载供电可靠性要求条件下, 提出新的UPS电源供电运行方案。它为UPS如何实现更灵活、更可靠、低成本运行搭建了一个技术应用平台, 对UPS在该领域的广泛应用将会起到积极的推动作用。

摘要：本文根据中铝山西分公司热电分厂老系统电气综合自动化系统UPS电源配置现状, 结合电力系统单母分段+双电源供电的主接线设计理念, 提出了新的UPS供电方案。

关键词：UPS,综合自动化系统,并联冗余

参考文献

[1]易映萍.电力系统UPS接线方式探讨[J].继电器, 2001, 29 (4) :45-47页.

UPS供电系统的维护篇7

新技术、新设备在通信系统中的广泛应用, 对供电质量提出了越来越高的要求, 由此在通信机房中安装UPS (不间断电源) 供电系统变得越来越普遍。不间断电源 (UPS) 系统是一种含有储能装置、以逆变器为主要元件、稳压稳频输出的电源保护设备。在计算机和网络系统应用中, 主要起两个作用:一是应急使用, 防止电网突然断电而影响正常工作, 给计算机系统造成损害;二是消除市电网上的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、暂态过电压、电线噪声和频率偏移等“电源污染”, 改善电源质量, 为计算机系统提供高质量的电源。

二、UPS供电系统设计

UPS可以向负载提供稳压精度高、稳频、波形失真度小的高质量电源, 并且在与静态旁路切换时可以做到供电无间断。在设计通信机房前级供电系统时, 应考虑以下几个方面:

1前级供电系统电源质量不宜太差, 电压及频率应稳定在正常范围。一般地讲, 大容量UPS主机输人电压范围应为380V±15%。电压过低, 将使UPS备电池频繁放电, 最终因长期处于欠压充电状态而大大缩短它的使用寿命, 相反, 电压过高, 则易引起逆变器损坏。

2前级供电系统中不应当带有别的频繁启动负载, 在这些负载开、关机时会出现瞬间高低压, 使供电线路上电压波形失真度过大, 造成UPS市电旁路供电与逆变器供电转换控制电路误动作, 进而引起同步控制电路故障。

3前级供电系统中的交流发电机组容量应适当放大, 容量应考虑不少于UPS电源额定输出功率的1.5-2倍, 以保证发电机输出电压、频率正常, 并改善其波形失真度。

三、供电环境对UPS的要求

作为电网与负载的中间环节, UPS要能适应当地电网环境, 并且在运行中不能对电网产生不良影响。对电网环境的适应能力:一台UPS对电网的适应能力主要指电网电压的变化范围、频率变化范围、波形失真和各种干扰情况下的运行能力。根据我国电网情况, UPS允许的变化范围一般应做到±25%, 而且我国电网电压的频率也存在着不稳定的因素, UPS必须在50HZ±5%范围内能正常运行, 特别是在有的UPS输入端有降压变压器的波形畸变和干扰也是很复杂的, UPS的输入端要有较强的滤波和抗干扰功能。

四、UPS的维护

1 UPS维护的注意事项

在对UPS的使用与维护中应注意以下问题:

(1) 接UPS的配电箱所使用的开关不宜用老式的刀闸开关, 应采用广为使用的空气开关, 这种开关有消弧和负载短路时响应速度快的功能, 且有漏电保护和过热保护的等功能。

(2) 空气开关的容量选用应适中。开关容量过大会造成过流或负载发生短路时, 过小会经常造成市电中断。

(3) UPS所在的市电线路不应带感性负载, 否则会对电网及UPS产生很大的冲击, 应把感性负载接到其他市电线路中。

(4) 当重点负载的UPS发生故障, 不应盲目关机, 应用旁路继续供电, 然后通知UPS维修工程师解决故障。

(5) 在UPS匹配功率时, 应留有余量, 不应过载, 按UPS功率的80%来匹配负载即可。

(6) 开关UPS要有顺序, 开机时, 应先开UPS电源输入开关, 再开逆变器开关;关机时相反。

2 UPS电源蓄电池组的维护保养

在中、小型UPS电源中, 广泛使用的是一种密封式铅酸蓄电池, 正确对蓄电池组的维护保养, 是延长UPS蓄电池组使用寿命的关键。为此, 应做到:

(1) 严禁对UPS电源的蓄电池组过电流充电, 过电流充电容易造成电池内部的正、负极板弯曲, 造成蓄电池可供使用容量下降, 以致损坏蓄电池。