基于 UPS 关键元器件的智能监控技术研究与样机测试验证*论文

SCI论文（www.lunwensci.com）

　　摘要：针对地铁系统严苛的运行环境， 为提高不间断电源 (UPS) 系统维护维修效率， 提出了一种 UPS 智能监控技术设计方案， 通过对 UPS系统铝电解电容、 IGBT 等关键元器件运行情况进行实时监测， 采集其相关数据， 然后对这些数据进行分析研究， 根据 相关数学模型计算 UPS 相关部件的剩余使用寿命数据， 智能监控 UPS 系统的健康状况， 对影响 UPS 系统健康状况的情况进行预警 提醒， 根据设计方案， 采用模块化设计、防尘设计， 研制出了相应的样机， 样机的运行能正确显示 UPS 系统各关键部件的运行状 况、剩余使用寿命等相关信息， 能正确显示整机的运行信息， 可以实时掌握 UPS 系统的健康状况， 提高 UPS 系统的维护维修效率， 降低维护维修成本， 保障地铁系统电力供应的稳定、可靠， 实现预期目标。

　　3. Guangdong Chuangdian Technology Co., Ltd., Foshan, Guangdong 528200. China)

　　Abstract: In view of the harsh operation environment of the subway system, in order to improve the maintenance efficiency of the UPS power supply system, a design scheme of UPS intelligent monitoring technology is proposed . Through real-time monitoring of the operation of key components such as aluminium electrolytic capacitor and IGBT in the UPS power supply system, relevant data are collected, and then these data are analyzed and studied. The remaining service life data of relevant UPS components are calculated according to relevant mathematical models, intelligent monitoring of the health status of the UPS system, providing early warning and reminders for situations that may affect the health status of the UPS system. Based on the design scheme, a modular design and dustproof design have been adopted to develop a corresponding prototype. The operation of the prototype can correctly display the operation status, remaining service life, and other related information of key components of the UPS power system, and can correctly display the operation information of the entire machine, enabling real-time understanding of the health status of the UPS power system, improve the maintenance and repair efficiency of the UPS system, reduce maintenance and repair costs, ensure the stability and reliability of the subway system's power supply, and achieve the expected goals. Key words: intelligent; off-line; early warning

　　0 引言

　　在地铁、医院、数据中心、银行等重要民生行业， 都需要稳定可靠的供电系统。作为制造业大国， 我国电 网及用电情况比较复杂， 设备建设相对滞后等因素造成 电网供电质量较差、电压波动范围大[1]。同时， 大量企 业工业设备会给电网带来电磁和谐波干扰， 破坏我国电 网 环 境 。 不 间 断 电 源 (Uninterruptable Power System， UPS) 是一种维持电力稳定供应装置， 系统主要由整流 器、逆变器、变压器、储能装置和开关等元器件构成， 当交流输入电源发生暂停、波动、缺相异常情况时， 继续保证关键负载电力供应的电源设备[2]。地铁系统作为 重要的民生工程， 涉及到人民的生命财产安全， 必须要 保证地铁系统电力的稳定供应[3-7]， 然而， 地铁运行环境 中的设备工作条件恶劣， 首先是环境温度高： 一是地铁 设备通常功率大、运行时间长， 设备发热量高; 二是由 于地铁运行环境相对封闭， 热量向外排放困难， 容易造 成热量积聚。其次是设备运行环境灰尘大： 同样由于地 铁运行环境的封闭性， 造成环境灰尘大， 灰尘的金属含 量非常高， 沾粘性强。高温容易造成供电系统电子元器 件的老化速度加快， 缩短元器件使用寿命， 元器件突发性故障的可能性增大; 金属含量高的灰尘容易导致电源 系统的绝缘间隙变小， 绝缘性能下降， 造成爬电或短路， 灰尘覆盖也会造成电子元器件散热不畅， 缩短设备元器 件的寿命[8- 11]。为了保障地铁 UPS 电源系统运行的稳定 性与可靠性， 延长系统的使用寿命， 需要实时监控 UPS 电源系统的运行状态， 在 UPS 系统出现故障前能进行 准确的预警， 以便提前采取措施， 保证 UPS 系统运行 的稳定。基于此， 本文设计了一套 UPS 智能监控技术 方案， 在系统运行的过程中， 采集系统关键部件的数 据， 运行相关数学模型， 推算这些关键元器件健康状 况、剩余使用寿命等信息， 并进行研制样机， 进行样 机测试验证。

　　1 数据监测方式方案

　　本文主要是通过对电源内部重点位置进行实时监测 以及对关键元器件进行工作寿命测算相结合的方式， 实 现整个电源系统的健康状况的智能监控。实时监测的重 点位置包括整流模块、逆变模块、电解电容组、变压器 组、电池组、散热器与开关等， 其中整流模块、逆变模 块、电解电容是影响电源系统的主要部件， 属于整个系 统的短板， 因此， 需要对这些部件的关键元器件进行寿 命测算， 具体包括 IGBT 与电解电容。

　　检测监控技术方案主要通过相关点的实时数据以及 实时工作状态来实现监控的目的， 在电源内部需要进行 监控的位置设置相应的传感器实时采集相应的关键数据， 对这些数据进行分析判断， 根据具体情况实时进行预警， 同时， 在电源内部一些特殊位置， 设置微型监控摄像头， 实时采集相关元器件的工作状态图像， 让工作人员实时 了解这些关键元器件的具体工作情况。

　　检测系统需要相应的传感器硬件， 设置在相应的位 置进行相关数据采集， 然后通过相关的算法对这些数据 进行分析处理， 进行判断健康状况。

　　监控功能主要是针对地铁系统等恶劣的运行环境， 提高电源的维护维修效率， 实现系统的智能监控、自主 维护维修。系统都具有很高的实时性， 性能稳定可靠。

　　2 监测点设置

　　2.1 整流模块监测点设置

　　整流模块数据监测/采集点包括整流控制板与整流电 源板两部分的监测点设置。

　　( 1 ) 整流控制板监测点设置

　　根据系统设计方案， 系统整流控制板设置如下 6 个 测试点： ①IGBT 温度监测点， 监测/采集 IGBT 外壳温度 变化范围; ②三相输入电压监测点， 监测/采集系统的输 入三相电压数据; ③控制板电源监测点， 监测/采集控制 板的工作电源数据; ④主控芯片监测点， 监测/采集主控芯片工作数据; ⑤输出直流电压监测点， 监测/采集输出 直流电压数据; ⑥输出直流电流监测点， 监测/采集输出 直流电流数据。

　　( 2 ) 整流电源板监测点设置

　　根据系统设计方案， 系统整流电源板设置如下 2 个监测点： ①三相输入电压监测点， 监测/采集输入三 相电压数据; ②输出电压监测点， 监测/采集输出电压 数据。

　　2.2 逆变模块监测点设置

　　逆变模块数据监测/采集点包括逆变控制板与逆变电 源板两部分的监测点设置。

　　( 1 ) 逆变控制板监测点设置

　　根据系统设计方案， 系统逆变控制板设置如下 6 个 监测点： ①输入直流电压监测点， 监测/采集输入的直 流电压数据; ②主控芯片监测点， 监测/采集主控芯片 运行数据; ③输出电压监测点， 监测/采集输出电压数 据; ④控制板电源监测点， 监测/采集控制板的工作电源 数据; ⑤并机通信连接监测点， 监测/采集并机线数据; ⑥载频信号监测点， 监测/采集逆变输出载频数据。

　　( 2 ) 逆变电源板监测点设置

　　根据系统设计方案， 系统逆变电源板设置如下 2 个 测试点： ①三相输入电压监测/采集输入三相电压数据; ②输出电压监测/采集输出电压数据。

　　通过采集模块采集整流模块、逆变模块相关监测点 数据， 基于这些监测数据， 根据元器件的寿命和衰减曲 线， 通过线性回归算法， 算出元器件的剩余寿命， 并以 此为依据， 作出是否更换指示和报警指示。

　　2.3 其他监测点设置

　　( 1) 电解电容组

　　根据预先设定的电解电容寿命和衰减曲线， 根据线 性回归算法， 得出电解电容的剩余寿命， 通过高精度 AD 采样， 测试直流电压的纹波范围， 也能大概率判断出电 解电容的好坏， 通过采集板进行数据反馈给显示屏。

　　( 2) 变压器组

　　变压器设置两个温度测试点： ①铁心温度监测点， 监测/采集铁心温度， 根据铁心的材质温升曲线， 判断铁 心是否异常; ②外绕组温度监测点， 监测/采集铁心温 度， 根据外绕组的材质温升曲线， 判断外绕组是否异常。

　　( 3 ) 散热器与风扇

　　散热器监测点根据不同的负载， 设置相应的温升范 围， 并且在空气的流动区域设有小型风速测试器， 根据 风速和温度的曲线， 判断散热器是否出现异常; 风扇根 据不同的负载进行调速， 并且有风扇故障检测， 当内部 的温度异常但风速正常时， 会作出预报警。

　　( 4) 开关

　　开关数据主要根据开关的干接点反馈信号， 与开关 后端的电压采样， 判断开关的好与坏， 根据开关的干接 点信号， 统计开关的闭合次数， 从而推断出开关的使用 寿命， 次数达 10 000 次后， 开关应进行更换。

　　( 5) 电池组

　　电池组的电池采用先进的电池检测仪， 对每个单体 电池的电压、温度、内阻进行监测/采集， 根据已有的内 阻和电压推断出电池的剩余容量和剩余寿命。

　　3 数据分析

　　3.1 电解电容

　　跟很多电子元器件一样， 电解电容器使用寿命有限， 使用寿命受工作温度、纹波电流、浪涌电压、环境湿度 等因素的影响。因制造工艺原因， 电容难以做到 100% 密封， 氧气容易从电容封口位置进入电容器内部， 造成 导电性高分子的氧化老化， 因电容的工作环境温度、自 发热等因素， 也容易造成导电性高分子的热老化， 影响 电解电容器的寿命[12- 15]。电容的氧气渗入速度和电容内 的电解液蒸发速度都跟温度密切相关， 通常用阿雷尼厄 斯定律表示其关系。

　　影响电解电容寿命的主要因素是工作时周围温度， 包括周围环境温度和受纹波电流的导致自身温度的变化， 基于温度的电解电容寿命推算式用如式 (1) 表示：

　　式中： Lx 为电容的寿命， 即在实际使用条件中推算的 寿命， h; Lo 为允许的工作温度最高值时， 施加额定电 压寿命 (由电容厂家给出)， h; To 为制品的上限工作 温度， ℃， 40 ℃以下时， 按 40 ℃来推算， 超过 40 ℃由 温度传感器测出; Tx 为实际使用时的周围温度 (由温 度传感器测出)， ℃; ΔT 为叠加纹波电流时的温升变 化， ℃ 。

　　由式 (1) 可以看出， 电容器周围温度与工作时的 纹波电流造成的温度变化是影响电容器寿命的主要因 素， 因此， 通过降低电容器周围温度， 减小电容器实 际 使 用 的 纹 波 电 流 造 成 的 温 升， 延 长 电 容 器 的 使 用 寿命。式中叠加纹波电流温升 ∆T 大致可以用式 (2) 算出：

　　式中： ΔTo 为叠加额定纹波电流时的温度变化， 取值如 表 1所示; lx 为电容器工作时的纹波电流 (Arms) 值; lo 为电容器工作在允许的上限温度时， 利用频率系数修正 后的额定纹波电流 (Arms) 值。

　　由于在实际使用时， 该叠加纹波电流时的温度变化 ∆ T值较小， 为简化计算， 本文采用如下的简化公式来预 测电解电容的寿命：

　　3.2 IGBT 模块

　　温度也是影响 IGBT 寿命的主要因素， 由于 IGBT 是 UPS 中关键元器件， 因此， IGBT 的健康状况决定着整个 UPS 系统工作状况， IGBT 的寿命关系到整个 UPS 系统的 寿命。

　　3.2.1 温度对 IGBT 健康的影响

　　通 常 IGBT 模 块 结 构 是 由 不 同 材 料 封 装 在 一 起 而 成[16]， 如图 1 所示， 由于封装材料不同， 导致各部分的 热膨胀系数不一样， 不同材料受到的挤压应力或拉伸应 力大小不一致。这种应力差异将引起模块的连接部分开 裂、变形， 进而使 IGBT 模块失效。另一方面， IGBT 工 作时， 模块的通态损耗和开关损耗引起模块的结温上升， 而且输出功率不同， 损耗功率也不一样， 致使 IGBT 模块 不 断 地 经 历 温 度 循 环 过 程， 严 重 影 响 IGBT 的 使 用 寿 命[17- 18]。

　　当前， 预测 IGBT 模块的使用寿命的方法， 通常通过 加 速 IGBT 模 块 的 老 化 实 验 即 模 块 的 功 率 循 环 试 验 数 据来建立该模块循环寿命的模型， 预测 IGBT 模块寿命 的模型的种类很多， 主要有 Coffin-Manson 模型、 Norris- Landzberg 模型、 Lesit 模型 Bayerer 模型等。其中 Coffin- Manson 模型、 Lesit 模型是基于 IGBT 模块结温的寿命预 测模型， 由于该模型结构简单， 运算效率高， 使用较多; Bayerer 模型、 Norris-Landzberg 模型则是基于多变量的 IGBT 模块寿命预测模型， 除了需要重点考虑结温波动 外， 基于多变量的寿命预测模型还需要考虑的额外变量 更多， 情况更复杂， 因此应用较少。图 2 所示为基于温 度的 Coffin-Manson 模型 IGBT 寿命曲线[19]。

　　3.2.2 电压对 IGBT 健康的影响

　　除了 IGBT 的工作温度， 模块的驱动电压， 也会影响 IGBT 模块的使用寿命， 对于 IGBT 模块的栅极驱动电压， 不仅要保证有足够的驱动电压， 而且还要保证该驱动电 压不能超过击穿电压， 如果栅极驱动电压不足， IGBT 模 块会工作在主动区， 将产生大量的热损耗， 严重时会烧 毁 IGBT 模块。 IGBT 模块在关断时， 也要保证有足够的 负压， 负压既能保证 IGBT 模块的完全关断， 也能加快模 块的关断速度， 还能在 IGBT 模块截止状态下， 防止模块 的集电极— 发射极间出现 dv/dt 噪声， 引起模块误开通。 因此， 实时监测 IGBT 模块的工作电压， 据此可以判断 IGBT 的健康状况。

　　3.2.3 IGBT 健康状态判断算法模型

　　对 IGBT 模块的剩余使用寿命进行预测评估是提高模 块工作可靠性与稳定性的一种重要途径。基于模块的寿 命评估数据， 既可以在 UPS 电源系统设计阶段， 按照项 目的可靠性需求、投入成本， 设计和选择合适的系统结 构、模块型号参数等， 又可以在 UPS 电源系统运行过程 中， 实现对 IGBT 模块进行实时状态监测， 提升运行稳定 性与可靠性[20]。本文通过对 IGBT 的寿命评估结果， 实时 监测器件运行过程中的健康状况， 进而对整个 UPS 的运 行状态进行寿命评估， 保证系统运行的稳定性。另一方 面， 对 IGBT 模块的剩余使用寿命提前进行预测， 可为 IGBT 模块的维护、维修等健康管理过程提供技术参考， 有效减少系统的计划外维修， 减少检查检查次数， 降低 检查成本和停机时间， 实现状态修为主、计划修为辅的 全生命周期健康与维修成本维护管理模式， 用户可以掌 握 UPS 电源系统及其功能性部件的质量状况和未来质量发展趋势， 精准制定维修计划， 既能保障设备的运行安 全， 又能避免维修资源浪费， 节约维修成本。

　　考虑到温度是 IGBT 模块寿命的主要影响因素， 为简 化计算， 保证精度， 本文采用如下改进的 Coffin-Manson

　　参数由厂家给出; ΔTC 为模块的温度变化， 由安装在模 块底部的温度传感器实时采集; ΔTC/ton 为温度变化速率; IC 为加速寿命试验中模块的加热电流， 这里取模块的工 作电流， 由电流传感器实时测得。

　　4 样机研制与试验验证

　　根据设计方案， 本文研制了如图 3 所示的样机， 为 了满足本文设计目标， 提高 UPS 电源系统的维护维修效 率， 便于对容易故障的电子类器件进行离线检修， 同时 降低维修人员的专业技能要求， 为自主维修创造有利条 件， 样机采用模块化设计方案， 维修周期短、故障率高 的电子类器件采用 19 inch 机架模块式设计 (如板卡、电 阻、电容、保险、功率元器件)， 模块与机架采用插拔式 连接， 考虑到单模块的体积和重量便于操作， 根据 UPS 工作原理分为逆变模块和整流模块; 不容易故障的部件 采用传统 UPS 塔式设计 (如变压器、电感、开关、连接 线等)， 安装于机架内。

　　另一方面， 为了适应地铁恶劣的运行环境， 减少粉 尘的进入， 影响 UPS 电源系统中的电子元器件、电路板 等部件的稳定性与使用寿命， 样机采用防尘设计， 整机 防尘通过机箱结构设计实现。内部模块防尘通过优化内 部布局， 模块散热采用涵道式设计， 杜绝灰尘进入模块 内部。散热器将模块分为密封舱室和散热舱室， 散热片 处于散热舱室， 而所有电子类元器件则处于密封舱室， 冷空气从模块的散热舱室直进直出。

　　样机及运行状况如图 4 所示。图4 ( a ) 为根据样机 设计方案设计的样机外观 (样机正在调试运行阶段)， 根 据对样机各项电气性能检验验证， 该模块化设计具有安 全可靠、模块接口匹配良好、电气性能稳定等优点。由 于 UPS 采用全金属外壳， 整机防尘和模块防尘设计效果 良好， 工作稳定， 散热良好， 完全满足要求。图 4 (b) 为正常运行时的主界面， 主要显示系统主要信息， 如系统信号、机内温度、系统运行时间、逆变器运行时间等， 经检验， 显示数据完全准确。图 4 ( c ) 为运行中显示 UPS 各主要部件的寿命数据， 主要包括 IGBT 模块、 DC 电容、 AC 电容、变压器、电池等寿命， 经运行统计， 寿 命数据符合实际情况， 满足设计要求。当测试人员人为 制造高温环境时， 系统能及时进行预警， 提醒用户注意 高温情况， 当测试人员人为增大工作电流达 IGBT 工作电 流峰值， 或者人为制造较大的冲击电流时， IGBT 剩余使 用寿命有明显的变化， 从样机运行的情况来看， 输出数 据正常， 实现了设计的目标。

　　5 结束语

　　针对地铁系统中的 UPS 应用环境复杂、潮湿、多粉 尘、易出问题、难以维护等特点， 本文研究了 UPS 智能 监控系统， 对 UPS 系统中的主要部件 IGBT 模块、电解电 容、变压器等进行实时监控， 特别对决定 UPS 工作健康 状况的关键部件 IGBT、电解电容提前进行剩余使用寿命 预测， 为器件维护、维修等提供技术参考， 使用户掌握 UPS 电源系统及其功能性部件的质量状况和未来质量发 展趋势， 精准制定维修计划， 保障设备的运行安全， 提 高 UPS 系统的维护维修效率， 降低维护维修成本。根据 本文方案研制的样机工作状况良好， 实现预期目标， 样 机后续运行的稳定性与可靠性， 尚需进一步的运行测试。

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