工業用UPS的設計與選型要點

吳朝祥，周桂存

(中國石化儀征化纖有限責任公司，江蘇儀征 211900)

UPS的供電原理是當市電正常時，系統會將市電的交流電經整流—逆變—整流后供負載使用，同時給蓄電池進行浮充；一旦市電發生異常時，儲存于電池中的直流電轉換為交流電供給負載，當逆變器故障時，UPS可以切換到靜態旁通供電，使負載繼續得到電能。

1 工業級UPS與商業級UPS的選擇

在使用環境方面，工業級UPS因其使用環境差，現場或存在灰塵、高低溫、高海拔、潮濕等情況，其防護等級一般高于IP31，而商業級UPS防護等級一般低于IP20。在異常惡劣的環境中，工業級UPS散熱風道與電氣部件隔離，防止灰塵落入電氣部件，關鍵部件經過“三防”處理。

在設計方面，出于對現場負載惡劣的考慮，工業級UPS在電氣材料選型時，耐受過電壓的能力一般設計為2～3倍額定電壓，耐受過電流的能力一般設計為2～2.5倍額定電流，能夠承受劇烈的負載波動沖擊，抵御和消除各種電網電能質量帶來的問題。使用壽命8～10年，但是實際使用年限通常遠高于此。

所以，在一般的化纖化工企業中，因負載小且感性負載相對較多，運行環境較差，控制室無人值守無需考慮噪音等問題，一旦負載失電會造成嚴重的經濟和安全后果，建議選擇工業級UPS。但是隨著UPS技術的進步，行業間隔的模糊，在許多領域工業級UPS和商業級UPS也有交叉使用的情況。

2 工頻機與高頻機的選擇

工頻機指整流-逆變后，再通過升壓(隔離)變壓器輸出，其拓撲結構如圖1所示。高頻機通常由IGBT高頻整流器，再通過直流升壓回路后再經逆變器輸出，其拓撲結構如圖2所示。

圖1 經典工頻機拓撲結構

圖2 高頻機拓撲結構

在功能及商業上，高頻機和工頻機各有優缺點。總體說來，工頻機控制電路簡潔高效，可靠性高，但體積大，重量大，噪音偏高，價格高。高頻機電路稍顯復雜，可靠性比工頻機低，單輸入功率因數高(省電)，體積小，重量輕，噪音小，價格便宜，一般化工化纖企業選擇工頻UPS較多，其詳細比較見表1。

表1 工頻機與高頻機優缺點比較

3 UPS輸入輸出變壓器的配置

根據系統的不同需求，輸入輸出變壓器的設置位置不同，通常可在以下四個位置設置：旁路輸入端設置變壓器A，整流器輸入端設置變壓器B，逆變器輸出端設置變壓器C，UPS總輸出端設置變壓器D，詳見圖3。

圖3 UPS輸入輸出變壓器配置圖

3.1 變壓器A、B

變壓器A和變壓器B作為旁路側和主電源側的輸入變壓器，他們可抑制共模電壓干擾。在電源系統中，因三相不平衡使中性線通過電流而產生電壓降，導致N線和PE線間存在著電位差。部分電力電子設備和儀器儀表的信號電壓往往只有幾伏，過大的電壓降形成的壓差會導致相關設備無法工作，該電壓降稱為共模電壓干擾。輸入側變壓器將電源與UPS隔離，其二次繞組相當于新的電源給負載供電，則中性線與PE線間的電位差在此處又從0 V開始，可有效地降低共模電壓干擾。

同時，變壓器A、B還能抑制配電系統的3次諧波干擾。使用三角-星接法的隔離變壓器，可以抑制UPS負載中熒光燈、電動機等產生3次諧波較多的設備對上游配電系統的影響。一般情況下，UPS負荷相對市電容量很小，該影響可忽略不計。

3.2 變壓器C

變壓器C為逆變器輸出變壓器，在采用可控硅整流、IGBT逆變方式的UPS中，其主要作用為改變系統接地形式。由于全橋變換器經過逆變器后輸出回路不帶中性線，所以在UPS逆變器的輸出端增加“△-Y”隔離變壓器，便可在UPS輸出側增加中性線，改變系統的接地形式，以滿足負載要求。

該變壓器還有提升輸出電壓的作用。市電經整流器轉換為直流電源，采用SCR整流、IGBT逆變的UPS，400 V直流電源經PWM脈寬調制后，相電壓只有180 V。為滿足單相220 V負載要求，需增設變比為1∶1.22的輸出隔離變壓器。

3.3 變壓器D

UPS在逆變器及旁路的共同輸出端設置一個變壓器D，從原理上看，可以起到市電與UPS負載的電氣隔離作用。但實際上，由于該隔離變壓器沒有被旁路，當該隔離變壓器需維修時，系統不得不斷電，另外，變壓器的阻抗會影響到UPS對負載供電的穩定精度，因此降低了供電的可靠性。可以通過其他措施實現供電的電氣隔離。

4 變壓器的隔離作用

從UPS的原理圖中可以看出，UPS的供電回路由整流、逆變及旁路回路組成。只有將 UPS中的整流、逆變及旁路回路全部進行電氣隔離，才能完全做到UPS輸入與輸出的電氣隔離。

采用SCR整流、IGBT逆變方式的UPS，其變壓器C的設置原因和要求已經在前文敘述，且該變壓器必須緊隨逆變器設置。另外，還可在旁路輸入端設置隔離變壓器，以達到旁路回路電氣隔離的目的。其中，對于旁路輸入端設置的隔離變壓器，要做到靜態旁路及手動旁路同時隔離，則需在其共同的輸入端設置隔離變壓器A，該隔離變壓器的變比為1∶1。接線方式如圖4所示。

圖4 設置A、C變壓器起到隔離作用的接線圖

對于整流裝置及逆變裝置都為IGBT元器件的高頻UPS，其已有DC/DC升壓環節，故輸出側無須加裝升壓變壓器。采用了雙IGBT的UPS，逆變器輸出端已帶有中性線，可以滿足對負載供電的要求，故隔離變壓器C也可選配。

如前文所述，為了抑制共模電壓的影響，可以通過隔離N線來實現。為了輸出線電壓380 V、相電壓220 V，工頻UPS必須安裝變壓器C，但是當UPS轉靜態旁路、維護旁路時，在此過程中不能斷N線，所以當旁路電源沒有隔離變壓器時，系統N線與負載N線連在一起，輸出隔離變壓器起不到隔離作用。接線方式如圖5所示。

圖5 未設置旁通隔離變壓器接線圖

參考DL/T 5136—2012《火力發電廠變電所二次設計技術規程》10.2.15條規定：UPS輸入、輸出側應裝設隔離變壓器，對應圖3中的變壓器A、B、C。另外，該條文解釋介紹了四條輸入輸出變壓器的優點，可供同行參閱。

N線與PE線之間的電位差稱為“零地電壓”。“零地電壓”高于電子信息設備允許值時(一般“零地電壓”應小于2 V)，應采取措施。

輸出為TN系統的UPS配備隔離變壓器D，可有效降低“零地電壓”。原GB 50174—2008《電子信息系統機房設計規范》8.1.10：當輸出端中性線與PE線之間的電位差不能滿足電子信息設備使用要求時，宜配備隔離變壓器。對應圖3中的變壓器C或者D。

同時注意，選擇隔離變壓器的保護開關時，應考慮隔離變壓器投入時的勵磁涌流。

5 UPS整體更新方案

如圖3所示的UPS系統圖，當UPS發生故障或者需要整體更新時，許多重要負載無法得到供電保證，給生產穩定帶來影響。有專門文章在針對此類UPS整體更新時提出的“倒送電”方案，比較可行，不再贅述。[1]

隨著近年UPS故障的出現，技術人員進行不斷探討，提出的外加“檢修脫機旁路”的UPS系統，如圖6所示。該UPS的特點是可以通過檢修脫機旁路開關1Q12將UPS整體脫開，進行檢修或者更新，給生產穩定帶來重要保障。

圖6 有檢修脫機旁路的UPS系統

6 UPS中性點接地問題

相關規范規定，配電系統既可采用接地方式，也可以采用不接地方式，根據負載對電源要求確定。不接地系統可以提高負載的供電可靠性，接地系統可以滿足特殊負載廠家對電源接地的要求，同時降低零地電壓。UPS主電路為接地方式時：(1)旁路帶隔離，UPS輸出N線與市電N線電氣隔離，因此輸出N線與PE線連接，并與共用接地系統連接，UPS之后仍為接地系統；(2)旁路無隔離，UPS輸出N線與市電N線直連，UPS輸出N線不再接地，UPS之后仍為接地系統。[2]

部分DCS廠家對220V電源有接地要求，如ABB、FOXBORO公司。當DCS電源需要零線接地時，可以將UPS配電系統零線接地或在DCS增加隔離變壓器，在隔離變壓器二次側實現接地。

采用IT系統可提高供電可靠性，如國內CPR1000堆型核電廠明確UPS采用不接地系統，并設置絕緣監察裝置在一點接地時報警。當熱工電源為一路不接地、一路保安電源接地時，某些快速電源切換回路，不能正確監測電壓造成切換失敗，這種情況可考慮采用接地方式。

綜上，UPS輸出N線是否需要接地，應根據UPS的接線形式、可靠性等選擇，并綜合考慮熱工系統對電源的要求確定。

當UPS負載為單相220 V交流負載時，三相輸出的UPS就不能采用IT系統。當三相輸出UPS采用IT系統時，正常情況下，只要中性點即N線的電位不超標，UPS的220 V負載能夠正常運行。但是，當發生一相如A相接地故障時，非故障的B、C相對N線的線電壓升高為380 V，此時接在B-N和C-N的220 V負載全部燒毀。如圖7所示。[3]

圖7 IT系統配出中性線后呈現的各種電壓

ICE強烈建議電源變壓器中性點不接地，或通過高阻抗接地系統(IT系統)不配出中性線，然而輸出380/220 V的IT系統如不配出中性線，將無法取得220 V電源。IT系統一旦配出中性線，中性線發生接地，但又不能及時發現，變成電源變壓器中性點直接接地系統(TT系統)，非常危險。

7 結 語

介紹了工業級UPS的主要特點和分類，從如何做好UPS的電源隔離以及接地等方面，對其設計和選型提出方案，建議化工化纖行業選擇工業級UPS，對技術人員有指導意義。