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摘 要：通过对海上钻井平台电源环境的分析，研制适用于钻井平台的通信设备不间断电源。
关键词：隔离变压器;过零检测;CPU控制技术和SPWM技术
1 课题的提出
由于钻井平台电源的供电质量远低于国家电网标准，平台电源是由船用发电机提供的，平台负荷变化较大，而且采用60Hz频率，发电机的容量对负荷而言，设计冗余偏小，经常造成供电电压波动大，产生高次谐波，这对平台的钻井设备等强电设备影响不大，但对平台的无线通信设备这样的高精度弱电设备来讲，会造成相当大的影响。常规UPS的采样与跟踪系统无法正常跟踪电网参数，导致不能正常工作，常会出现以下情形：(1)UPS不能正确跟踪供电频率以及UPS电源工作时严重干扰短波通信等，更为严重的是UPS在使用中经常损坏，(2)造成通信设备寿命缩短，如卫星设备IDU的运行不稳定，ODU的经常性损害。这样就对正常的通信和安全保障工作造成了很大的威胁。为使平台上的通信设备有一个良好的电源环境，必须开发、改造一种专门针对海上钻井平台电源的UPS设备。
2 钻井平台供电环境的特点
钻井平台短波通信对电源有着特殊的要求，钻井平台短波通信系统对电源的要求除了一般指标以外，还有更高的要求：（1）要求干扰小，短波通信对环境的要求高是因为短波接收机的灵敏度高（1μv以下），接收频率相对其他通信设备更容易受到干扰；（2）空间小，通信设备的布局受空间限制，因为钻井平台的空间小，决定了所有的通信设备都必须集中在报务室内，不可能有足够的空间距离，所以对短波通信设备来说，必须解决电源的电磁兼容问题。
3 解决的方法与途径
针对以上存在的问题，分析普通陆用UPS和钻井平台的UPS工作环境，对比后发现：（1）陆上供电系统都有接地系统；（2）陆上供电频率是固定的而且较稳定；（3）普通UPS电磁兼容标准低，而且目前国内对EMI没有作为强制执行标准。在上述对比中发现，（1）、（2）两项是引起设备故障的主要原因。考虑到电源接地体制是与各项保护措施密切相关的，其中包括滤波器的平衡设计、过压保护、过零检测等环节，而在线式UPS的工作频率是与电网频率同步的，即跟踪电网频率，一般情况下跟踪的范围是一定的。
通过分析比较，在定型的UPS产品中选择适合钻井平台使用的UPS比较困难，必须针对上面的问题进行专门设计，而且必须满足以下要求：（1）充电器、逆变器和控制器：要求工作频率（50、60Hz可选）60Hz±10%；工作电压：额定输入电压220V±20%，额定输出电压220V±3%，且输出正弦波。（2）电路平衡设计：要求适应船舶供电环境即不接地系统。（3）电磁兼容设计：包括解耦设计、滤波器选择、屏蔽措施等，必要时使用双层金属外壳屏蔽。由于我们自己设计制造受到各种条件限制，不宜采用。所以必须选择合适的厂家，委托设计制造，样机出厂后进行实地运行考验。经过协商、考察，一家船舶电器厂有能力设计并生产适用于船舶环境应用的UPS电源。我们邀请船用电器有限公司的技术人员和我们一道住平台，对我公司平台的电源环境进行调研，船厂的技术人员测量各种即使指标。在原钻井平台UPS 基础上，经过几次的改造、调试，最后终于研制成功了适合我们公司平台UPS 稳压电源系统。
该厂生产的UPS其技术总原则是，封两端、罩中间、电路平衡以及船用标准防护。具体措施是：在UPS输入端加双级滤波器，以隔离电源干扰；在电池的输入端加单级滤波器，防止通过电池辐射；在UPS输出端加装4级滤波器，以减弱传导干扰；在UPS输出端加隔离变压器，在减弱高频干扰的同时可将负载与逆变器功率输出级隔离，安全可靠性增强；机壳对输入输出均隔离以保证机壳能与船台保护“地”有效连接；UPS总体采用平衡设计以适应船电无“0”线的电环境；机壳采用双层结构，实现双层屏蔽，用以减小辐射干扰；整机按船用标准设计，外壳防护等级为IP20。
4 工作原理
MRP2001-3-50/60T型UPS电路结构见原理图所示，工频电源经输入开关（MCB1）控制，输入滤波器（EMI1）滤波，加至隔离变压器（T1）变压，变压后的电压经二极管（D1）整流，变为直流，加至由单相可控硅（V1）和缓冲电阻（R2）组成的直流缓冲电路，加电时，先由电阻（R2）向电容（C1）预充电（约10秒），待电容（C1）上的电压充满后再触发导通可控硅（V1），使得输入电路和输出电路都不会因突然加电而受到冲击。经过电容（C1）滤波后的平滑的直流电加至功率板（PCB2），经功率模块逆变产生脉冲宽度按正弦波规率变化的调制高频脉冲波（SPWM调制波），经高频滤波电感（L1），变压器（T2）隔离，滤波电容（C3）滤除高频载频并变压后，就得到失真极小的基频正弦波电压，这就是我们想要得到正弦波电压，然后经输出滤波器（EMI2）滤波提高电磁兼容性，至输出开关（MCB3）输出。
另一路由开关电源（DC1、DC2）组成充电器对电池充电。
开关（SB1）为UPS启动开关。开关（SB1）接通，逆变控制板（PCB1）得电以控制逆变输出。
指示灯板（PCB3）是指示UPS中逆变器工作状态的，其中电压指示灯（LED2绿色）指示板内工作电源是否正常。过载时，过载灯（LED4红色）会亮，其中过载在125％以内时，过载灯（红色）常亮，过载大于125％以上或输出短路时，过载灯（红色）闪亮，提醒使用者查出过载原因，此时过载报警会自动关闭UPS输出，要重新起动，应断开启动开关，查出过载原因并消除后才能重新启动。欠压指示灯（LED5黄色）是指示机内直流电压的情况，当电池电压低于81V时，欠压灯（黄色）点亮，并关闭输出，以保护电池避免过放电，若直流电压恢复正常，变频器会自动恢复输出，无须重新起动。
5 现场使用效果
综上所述，公司海上钻井平台通信特种UPS的使用彻底改善了钻井平台通信用电质量。今年上半年陆续为公司的八条钻井平台安装了这款MRP-3KT UPS设备，经过下半年的现场使用，报房内UPS和通讯设备的电磁兼容问题得到了根本解决，同时也使系统的可靠性有了保证，尤其在卫星通信设备的使用效果方面，彻底解决了长期以来卫星电话自振铃现象，保障了平台的卫星网络的畅通，为平台的网络办公及数据传输工作创建一个稳定的通信平台，彻底解决了困扰我们多年来的通信设备的电源问题。
参考文献
［1］易龙强,戴瑜兴.UPS逆变器数字控制技术［J］.低压电器,2006,(2).
［2］满卫芳,王志君.船用UPS技术现状及其发展方向［J］.机电设备,2005,(1).
关键词：隔离变压器;过零检测;CPU控制技术和SPWM技术
1 课题的提出
由于钻井平台电源的供电质量远低于国家电网标准，平台电源是由船用发电机提供的，平台负荷变化较大，而且采用60Hz频率，发电机的容量对负荷而言，设计冗余偏小，经常造成供电电压波动大，产生高次谐波，这对平台的钻井设备等强电设备影响不大，但对平台的无线通信设备这样的高精度弱电设备来讲，会造成相当大的影响。常规UPS的采样与跟踪系统无法正常跟踪电网参数，导致不能正常工作，常会出现以下情形：(1)UPS不能正确跟踪供电频率以及UPS电源工作时严重干扰短波通信等，更为严重的是UPS在使用中经常损坏，(2)造成通信设备寿命缩短，如卫星设备IDU的运行不稳定，ODU的经常性损害。这样就对正常的通信和安全保障工作造成了很大的威胁。为使平台上的通信设备有一个良好的电源环境，必须开发、改造一种专门针对海上钻井平台电源的UPS设备。
2 钻井平台供电环境的特点
钻井平台短波通信对电源有着特殊的要求，钻井平台短波通信系统对电源的要求除了一般指标以外，还有更高的要求：（1）要求干扰小，短波通信对环境的要求高是因为短波接收机的灵敏度高（1μv以下），接收频率相对其他通信设备更容易受到干扰；（2）空间小，通信设备的布局受空间限制，因为钻井平台的空间小，决定了所有的通信设备都必须集中在报务室内，不可能有足够的空间距离，所以对短波通信设备来说，必须解决电源的电磁兼容问题。
3 解决的方法与途径
针对以上存在的问题，分析普通陆用UPS和钻井平台的UPS工作环境，对比后发现：（1）陆上供电系统都有接地系统；（2）陆上供电频率是固定的而且较稳定；（3）普通UPS电磁兼容标准低，而且目前国内对EMI没有作为强制执行标准。在上述对比中发现，（1）、（2）两项是引起设备故障的主要原因。考虑到电源接地体制是与各项保护措施密切相关的，其中包括滤波器的平衡设计、过压保护、过零检测等环节，而在线式UPS的工作频率是与电网频率同步的，即跟踪电网频率，一般情况下跟踪的范围是一定的。
通过分析比较，在定型的UPS产品中选择适合钻井平台使用的UPS比较困难，必须针对上面的问题进行专门设计，而且必须满足以下要求：（1）充电器、逆变器和控制器：要求工作频率（50、60Hz可选）60Hz±10%；工作电压：额定输入电压220V±20%，额定输出电压220V±3%，且输出正弦波。（2）电路平衡设计：要求适应船舶供电环境即不接地系统。（3）电磁兼容设计：包括解耦设计、滤波器选择、屏蔽措施等，必要时使用双层金属外壳屏蔽。由于我们自己设计制造受到各种条件限制，不宜采用。所以必须选择合适的厂家，委托设计制造，样机出厂后进行实地运行考验。经过协商、考察，一家船舶电器厂有能力设计并生产适用于船舶环境应用的UPS电源。我们邀请船用电器有限公司的技术人员和我们一道住平台，对我公司平台的电源环境进行调研，船厂的技术人员测量各种即使指标。在原钻井平台UPS 基础上，经过几次的改造、调试，最后终于研制成功了适合我们公司平台UPS 稳压电源系统。
该厂生产的UPS其技术总原则是，封两端、罩中间、电路平衡以及船用标准防护。具体措施是：在UPS输入端加双级滤波器，以隔离电源干扰；在电池的输入端加单级滤波器，防止通过电池辐射；在UPS输出端加装4级滤波器，以减弱传导干扰；在UPS输出端加隔离变压器，在减弱高频干扰的同时可将负载与逆变器功率输出级隔离，安全可靠性增强；机壳对输入输出均隔离以保证机壳能与船台保护“地”有效连接；UPS总体采用平衡设计以适应船电无“0”线的电环境；机壳采用双层结构，实现双层屏蔽，用以减小辐射干扰；整机按船用标准设计，外壳防护等级为IP20。
4 工作原理
MRP2001-3-50/60T型UPS电路结构见原理图所示，工频电源经输入开关（MCB1）控制，输入滤波器（EMI1）滤波，加至隔离变压器（T1）变压，变压后的电压经二极管（D1）整流，变为直流，加至由单相可控硅（V1）和缓冲电阻（R2）组成的直流缓冲电路，加电时，先由电阻（R2）向电容（C1）预充电（约10秒），待电容（C1）上的电压充满后再触发导通可控硅（V1），使得输入电路和输出电路都不会因突然加电而受到冲击。经过电容（C1）滤波后的平滑的直流电加至功率板（PCB2），经功率模块逆变产生脉冲宽度按正弦波规率变化的调制高频脉冲波（SPWM调制波），经高频滤波电感（L1），变压器（T2）隔离，滤波电容（C3）滤除高频载频并变压后，就得到失真极小的基频正弦波电压，这就是我们想要得到正弦波电压，然后经输出滤波器（EMI2）滤波提高电磁兼容性，至输出开关（MCB3）输出。
另一路由开关电源（DC1、DC2）组成充电器对电池充电。
开关（SB1）为UPS启动开关。开关（SB1）接通，逆变控制板（PCB1）得电以控制逆变输出。
指示灯板（PCB3）是指示UPS中逆变器工作状态的，其中电压指示灯（LED2绿色）指示板内工作电源是否正常。过载时，过载灯（LED4红色）会亮，其中过载在125％以内时，过载灯（红色）常亮，过载大于125％以上或输出短路时，过载灯（红色）闪亮，提醒使用者查出过载原因，此时过载报警会自动关闭UPS输出，要重新起动，应断开启动开关，查出过载原因并消除后才能重新启动。欠压指示灯（LED5黄色）是指示机内直流电压的情况，当电池电压低于81V时，欠压灯（黄色）点亮，并关闭输出，以保护电池避免过放电，若直流电压恢复正常，变频器会自动恢复输出，无须重新起动。
5 现场使用效果
综上所述，公司海上钻井平台通信特种UPS的使用彻底改善了钻井平台通信用电质量。今年上半年陆续为公司的八条钻井平台安装了这款MRP-3KT UPS设备，经过下半年的现场使用，报房内UPS和通讯设备的电磁兼容问题得到了根本解决，同时也使系统的可靠性有了保证，尤其在卫星通信设备的使用效果方面，彻底解决了长期以来卫星电话自振铃现象，保障了平台的卫星网络的畅通，为平台的网络办公及数据传输工作创建一个稳定的通信平台，彻底解决了困扰我们多年来的通信设备的电源问题。
参考文献
［1］易龙强,戴瑜兴.UPS逆变器数字控制技术［J］.低压电器,2006,(2).
［2］满卫芳,王志君.船用UPS技术现状及其发展方向［J］.机电设备,2005,(1).