UPS保養健檢強化-落實PM有效性實務分享

前言

不斷電系統UPS(Uninterruptible Power System)^[1]主要的目的為提供穩定電源，供給生產機台與重要負載使用，以防止在電源品質不良的情況下，造成重要生產影響。影響電力品質的因素包括電壓過高或過低、突波及雜訊、電壓閃爍、三相不平衡、諧波失真、頻率異常及市電中斷^[2]。南科近年5共發生35次(壓降幅度>10%)台電電力壓降，必須維持UPS良好的供電品質，避免壓降造成微電腦自動控制設備造成不可預期的傷害，使得生產中斷，故智能化監控的管理與落實保養為穩定運轉的重要議題。

本文第二節將對於三相UPS架構進行討論，介紹UPS組成及工作模式，第三節對於監控項目進行探討，列舉現有監控項目與未來期望，第四節研究保養有效性並強化PM，第五節為結論。

系統架構

UPS以工作型態來分類的話，如 圖1~圖3所示，可以分成離線式(Off Line UPS)，在線互動式(Line-Interactive UPS)及在線式(On Line UPS)^[3]。離線式UPS在正常情況下，負載由市電直接輸出(Line Mode)，市電中斷時，負載則由電池透過逆變器供給(Battery mode)。在線互動式UPS與離線式UPS的主要差別為 : 在線互動式UPS在輸入電壓不穩定時，能透過電壓調整(AVR)，提供負載一穩定之輸出，若市電中斷或頻率異常，再由電池供電。在線式UPS透過雙級轉換，使得UPS輸出不受輸入電壓的品質影響，穩定地提供負載一純淨的電源。當市電中斷，在線式UPS亦藉由電池供電給負載。這三種工作型態的UPS，若以效率來區分的話，則離線式UPS>在線互動式UPS>在線式UPS；若以供應負載的電源品質來區分的話，則在線式UPS>在線互動式UPS>離線式UPS。

圖1、離線式(Off Line UPS)

圖2、在線互動式(Line-Interactive UPS)

圖3、在線式(On Line UPS)

目前市場上之三相UPS主要為在線式UPS，因此以下再針對三相在線式UPS的基本架構作一簡單介紹。三相UPS的基本架構^[4]主要包括：靜態旁路開關(Bypass static switch, Bypass STS)，功率因數校正電路(Power factor correction circuit, PFC)，逆變器(Inverter, INV)，逆變器靜態開關(Inverterstatic switch, INV STS)以及充電器(Charger)所組成，如 圖4所示。UPS在正常情況下，主要透過市電→功率因數校正電路→逆變器→負載的路徑輸出，以確保供電的品質，並同時對電池充電。當市電中斷時，則UPS會轉由電池供電，逆變器負責將此直流電壓轉換成純淨的交流弦波電壓，提供給負載使用；若市電恢復，則UPS轉由市電供電。如果逆變器出現異常故障，則UPS轉由旁路供電。因此，UPS能提供機台一個穩定且不間斷之電源，使工廠不因為市電中斷，而造成生產損失。

圖4、台達電NT系列UPS架構圖

監控項目

如 圖5所示為F14P5 NT系列SCADA監控圖控，分為警報、測量值與健檢系統(含風扇/電池/AC CAP)，進行on-line監控。除必要狀態監控外，後續將呈現藉由回傳數值產出自動報表，就由趨勢觀察來分析原監是否已老化，提前進行更換達預防保養功效。

圖5、F14P5 NT系列SCADA監控圖控

3.1 PFC整流器均流

現階段ECO下無法得知整流器的健康狀態，建立ECO整流器均流機制如 圖6所示，利用內建4組CT監控(R1、R2、T1、T2)，觀察電流趨勢觀察，(R1, T1)、(R2, T2)均流相差<2A內，超過觸發告警機，制建立均流Auto trend chart如 圖7 圖8所示，找出整流器SCR老化前兆，及時安排更換，防禦UPS異常機會。

圖6、ECO整流器均流機制

圖7、ECO下，整流器空載無法均流

圖8、電流進入均流機制內，觀察趨勢變化

3.2 AC CAP電流

強化元件預警能力，利用AC CAP回傳電流值產出盒鬚圖如 圖9所示，依每週變化量訂定更換條件(最小值<92%安排更換/最小值<85%立即更換)達到及早預防機制。

圖9、AC CAP盒鬚圖

3.3 波形紀錄器

針對台電壓降增設UPS波形記錄功能(波形紀錄觸發條件>6%)，紀錄Output壓降最大深度、持續時間，具資料存取功能，可量測輸入電壓、輸出電壓與輸出電流如 圖10所示，以利廠務壓降數據分析並釐清問題。

圖10、波形紀綠器Trigger數據資料

PM強化

UPS精進PM專案研究年保有效性，部分數據讀值皆已回傳SCADA，強化PM落實。

4.1 PM參數自動比對

UPS PM年保時進行參數校正有 : ①軟體FW ②面板 ③健檢盒，發現需肉眼確認多筆資料，若發生設定錯誤將使UPS判斷機制改變，造成潛在危險如 表1所示，以電腦代替人力比對，落實PM參數設定正確性針。比對FW參數14項，面板參數8項。制訂參數比對檔(Spec)合理範圍。透過RS232將FW與面板參數傳給系統S/W暫存，給軟體(EEP)作存取，其流程如 圖11所示。

表1、UPS PM參數設定錯誤風險分析

UPS PM參數設定錯誤風險分析
		回授訊號判斷機制改變，UPS動作不確實，影響系統安全。
		電壓參考基準定錯誤，UPS動作不確實，影響系統安全。
		HCS校正基準偏差，影響廠務監控控判斷，無影響系統。

圖11、UPS參數比對流程圖

4.2 UPS元件小訊號量測

強化年保檢查UPS元件能力(19項→29項)，精進PM手法，APM使用示波器 與電錶輔助量測訊號如 圖12所示，及早發現控制板元件異常。量測參數如 表2所示，分為深一層(回授訊號 : 5項)，包含I-peak、bypass、O/P與Inverter的控制板回授訊號，以及深二層(整流/INV訊號 : 5項)，包含CT阻值^[5]、PWM與整流器觸發訊號。

圖12、示波器量測UPS元件小訊號

表2、示波器量測UPS元件小訊號

工具	基本層 基礎保養(19項)	深一層 回授訊號(5項)	深二層 整流/INV訊號(5項)
	輸入電壓電流校正 輸出電壓電流校正 DC offset電壓量測 鎖相電壓校正 AC cap電流量測 風扇全速運轉電流量測 輸入變壓器電流量測 輸出變壓器電流量測	NA	6. CT阻值檢測(30Ω~42Ω) Inverter I-peak CT Output CT 整流器CT 7. EPO測試(<30V)
	三角波量測(11.5~12.5V/5.0KHz) 同步信號量測(4.5~5.5/60Hz) 參考正弦波量測(21.5~22.5V/60Hz)	I-Peak回授訊號(2.35V~2.41V) Bypass回授訊號(2.5Vrms±0.5V) O/P回授訊號(2.5Vrms±0.5V) 變壓器溫度sensor (0V±0.2V) INV回授訊號 (2.5Vrms±0.5V)	8. PWM訊號(8.6V±0.2V) 9. 轉態波形量測(不可中斷) 10. INV整流器觸發訊號(5.0V±1V)
Other	UPS盤體清潔 PCB接點檢查&清潔 電池組工作環境溫度檢測(20~30度C) 控制版韌體更健檢盒系統調教(HCS-V03) 風扇檢查 電池自動放電測試 UPS異常噪音檢查	NA	NA

4.3 客制化DC電容內室鏡檢測

PM發現部分DC電容有劣化現象，造成洩壓閥漏液、結晶與凸起，影響系統穩定度^[6]，目視檢查DC電容狀態須拆除UPS IGBT模組後才可卸下DC電容，如 圖13所示。

圖13、需卸下六抽IGBT並拆除DC電容支架後才可目視檢查洩壓閥是否異常

且容值與劣化現象無相關性，無法透過監控追蹤，只可肉眼觀看，廠內有2種DC電容廠牌(Nichicon、NCC)，發現Nichicon不良率很高(17%)，導入內視鏡捕捉異常機會點。故開發客製四鏡頭內視鏡頭棒搭配LED如 圖14所示，不須拆解即可目視檢驗DC電容健康度，其操作流程如 圖15~17所示，可大幅提升PM效率。

圖14、客製四鏡頭內視鏡頭棒搭配LED

圖15、藉由DC電容下方盛漏盒空間進行檢測

圖16、隨UPS PM進行檢測

圖17、客製四鏡頭內視鏡頭棒檢測畫面

結論

UPS為廠務電力課重要運轉設備，與生產機台供電有直接的相關，落實保養有效性為強化UPS健康度重要課題。UPS本體已10年期為設計，隨著運轉年限的增加，元件老化故障與可靠度隨著浴盆曲線已進入磨耗期，異常機率大大提升，雖然在異常狀況下UPS仍有自我保護機制進行預防，確保機台端供電正常，但持續維護系統的妥善率也非常重要，非PM週期內的Trend chart監測以及PM中的好用工具輔助，皆能有效幫助維護保養品質。

本文所提出之各種方案不但要管的到，更要眼見為憑(四鏡頭內視鏡)，目視檢查需全方位檢驗，不能以單一角度進行檢查，且藉由電腦輔助來減少人為失誤(參數比對)，並紀錄每台UPS歷年參數母檔，方便調閱歷史變更。故在此提出實務經驗分享，希望能與各廠進行交流，確保廠務供電品質穩定。