工業(yè)用UPS的設(shè)計(jì)與選型要點(diǎn)

吳朝祥，周桂存

(中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司，江蘇儀征 211900)

UPS的供電原理是當(dāng)市電正常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將市電的交流電經(jīng)整流—逆變—整流后供負(fù)載使用，同時(shí)給蓄電池進(jìn)行浮充；一旦市電發(fā)生異常時(shí)，儲(chǔ)存于電池中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電供給負(fù)載，當(dāng)逆變器故障時(shí)，UPS可以切換到靜態(tài)旁通供電，使負(fù)載繼續(xù)得到電能。

1 工業(yè)級(jí)UPS與商業(yè)級(jí)UPS的選擇

在使用環(huán)境方面，工業(yè)級(jí)UPS因其使用環(huán)境差，現(xiàn)場(chǎng)或存在灰塵、高低溫、高海拔、潮濕等情況，其防護(hù)等級(jí)一般高于IP31，而商業(yè)級(jí)UPS防護(hù)等級(jí)一般低于IP20。在異常惡劣的環(huán)境中，工業(yè)級(jí)UPS散熱風(fēng)道與電氣部件隔離，防止灰塵落入電氣部件，關(guān)鍵部件經(jīng)過(guò)“三防”處理。

在設(shè)計(jì)方面，出于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載惡劣的考慮，工業(yè)級(jí)UPS在電氣材料選型時(shí)，耐受過(guò)電壓的能力一般設(shè)計(jì)為2～3倍額定電壓，耐受過(guò)電流的能力一般設(shè)計(jì)為2～2.5倍額定電流，能夠承受劇烈的負(fù)載波動(dòng)沖擊，抵御和消除各種電網(wǎng)電能質(zhì)量帶來(lái)的問(wèn)題。使用壽命8～10年，但是實(shí)際使用年限通常遠(yuǎn)高于此。

所以，在一般的化纖化工企業(yè)中，因負(fù)載小且感性負(fù)載相對(duì)較多，運(yùn)行環(huán)境較差，控制室無(wú)人值守?zé)o需考慮噪音等問(wèn)題，一旦負(fù)載失電會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和安全后果，建議選擇工業(yè)級(jí)UPS。但是隨著UPS技術(shù)的進(jìn)步，行業(yè)間隔的模糊，在許多領(lǐng)域工業(yè)級(jí)UPS和商業(yè)級(jí)UPS也有交叉使用的情況。

2 工頻機(jī)與高頻機(jī)的選擇

工頻機(jī)指整流-逆變后，再通過(guò)升壓(隔離)變壓器輸出，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。高頻機(jī)通常由IGBT高頻整流器，再通過(guò)直流升壓回路后再經(jīng)逆變器輸出，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 經(jīng)典工頻機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 高頻機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在功能及商業(yè)上，高頻機(jī)和工頻機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)。總體說(shuō)來(lái)，工頻機(jī)控制電路簡(jiǎn)潔高效，可靠性高，但體積大，重量大，噪音偏高，價(jià)格高。高頻機(jī)電路稍顯復(fù)雜，可靠性比工頻機(jī)低，單輸入功率因數(shù)高(省電)，體積小，重量輕，噪音小，價(jià)格便宜，一般化工化纖企業(yè)選擇工頻UPS較多，其詳細(xì)比較見(jiàn)表1。

表1 工頻機(jī)與高頻機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)比較

3 UPS輸入輸出變壓器的配置

根據(jù)系統(tǒng)的不同需求，輸入輸出變壓器的設(shè)置位置不同，通常可在以下四個(gè)位置設(shè)置：旁路輸入端設(shè)置變壓器A，整流器輸入端設(shè)置變壓器B，逆變器輸出端設(shè)置變壓器C，UPS總輸出端設(shè)置變壓器D，詳見(jiàn)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(cè)和主電源側(cè)的輸入變壓器，他們可抑制共模電壓干擾。在電源系統(tǒng)中，因三相不平衡使中性線通過(guò)電流而產(chǎn)生電壓降，導(dǎo)致N線和PE線間存在著電位差。部分電力電子設(shè)備和儀器儀表的信號(hào)電壓往往只有幾伏，過(guò)大的電壓降形成的壓差會(huì)導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備無(wú)法工作，該電壓降稱為共模電壓干擾。輸入側(cè)變壓器將電源與UPS隔離，其二次繞組相當(dāng)于新的電源給負(fù)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(shí)，變壓器A、B還能抑制配電系統(tǒng)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(fù)載中熒光燈、電動(dòng)機(jī)等產(chǎn)生3次諧波較多的設(shè)備對(duì)上游配電系統(tǒng)的影響。一般情況下，UPS負(fù)荷相對(duì)市電容量很小，該影響可忽略不計(jì)。

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(tǒng)接地形式。由于全橋變換器經(jīng)過(guò)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(cè)增加中性線，改變系統(tǒng)的接地形式，以滿足負(fù)載要求。

該變壓器還有提升輸出電壓的作用。市電經(jīng)整流器轉(zhuǎn)換為直流電源，采用SCR整流、IGBT逆變的UPS，400 V直流電源經(jīng)PWM脈寬調(diào)制后，相電壓只有180 V。為滿足單相220 V負(fù)載要求，需增設(shè)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(shè)置一個(gè)變壓器D，從原理上看，可以起到市電與UPS負(fù)載的電氣隔離作用。但實(shí)際上，由于該隔離變壓器沒(méi)有被旁路，當(dāng)該隔離變壓器需維修時(shí)，系統(tǒng)不得不斷電，另外，變壓器的阻抗會(huì)影響到UPS對(duì)負(fù)載供電的穩(wěn)定精度，因此降低了供電的可靠性。可以通過(guò)其他措施實(shí)現(xiàn)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(jìn)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(shè)置原因和要求已經(jīng)在前文敘述，且該變壓器必須緊隨逆變器設(shè)置。另外，還可在旁路輸入端設(shè)置隔離變壓器，以達(dá)到旁路回路電氣隔離的目的。其中，對(duì)于旁路輸入端設(shè)置的隔離變壓器，要做到靜態(tài)旁路及手動(dòng)旁路同時(shí)隔離，則需在其共同的輸入端設(shè)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(shè)置A、C變壓器起到隔離作用的接線圖

對(duì)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(huán)節(jié)，故輸出側(cè)無(wú)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(duì)負(fù)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(guò)隔離N線來(lái)實(shí)現(xiàn)。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(dāng)UPS轉(zhuǎn)靜態(tài)旁路、維護(hù)旁路時(shí)，在此過(guò)程中不能斷N線，所以當(dāng)旁路電源沒(méi)有隔離變壓器時(shí)，系統(tǒng)N線與負(fù)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(shè)置旁通隔離變壓器接線圖

參考DL/T 5136—2012《火力發(fā)電廠變電所二次設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》10.2.15條規(guī)定：UPS輸入、輸出側(cè)應(yīng)裝設(shè)隔離變壓器，對(duì)應(yīng)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(yōu)點(diǎn)，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(shè)備允許值時(shí)(一般“零地電壓”應(yīng)小于2 V)，應(yīng)采取措施。

輸出為TN系統(tǒng)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(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》8.1.10：當(dāng)輸出端中性線與PE線之間的電位差不能滿足電子信息設(shè)備使用要求時(shí)，宜配備隔離變壓器。對(duì)應(yīng)圖3中的變壓器C或者D。

同時(shí)注意，選擇隔離變壓器的保護(hù)開關(guān)時(shí)，應(yīng)考慮隔離變壓器投入時(shí)的勵(lì)磁涌流。

5 UPS整體更新方案

如圖3所示的UPS系統(tǒng)圖，當(dāng)UPS發(fā)生故障或者需要整體更新時(shí)，許多重要負(fù)載無(wú)法得到供電保證，給生產(chǎn)穩(wěn)定帶來(lái)影響。有專門文章在針對(duì)此類UPS整體更新時(shí)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(xiàn)，技術(shù)人員進(jìn)行不斷探討，提出的外加“檢修脫機(jī)旁路”的UPS系統(tǒng)，如圖6所示。該UPS的特點(diǎn)是可以通過(guò)檢修脫機(jī)旁路開關(guān)1Q12將UPS整體脫開，進(jìn)行檢修或者更新，給生產(chǎn)穩(wěn)定帶來(lái)重要保障。

圖6 有檢修脫機(jī)旁路的UPS系統(tǒng)

6 UPS中性點(diǎn)接地問(wèn)題

相關(guān)規(guī)范規(guī)定，配電系統(tǒng)既可采用接地方式，也可以采用不接地方式，根據(jù)負(fù)載對(duì)電源要求確定。不接地系統(tǒng)可以提高負(fù)載的供電可靠性，接地系統(tǒng)可以滿足特殊負(fù)載廠家對(duì)電源接地的要求，同時(shí)降低零地電壓。UPS主電路為接地方式時(shí)：(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(tǒng)連接，UPS之后仍為接地系統(tǒng)；(2)旁路無(wú)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(tǒng)。[2]

部分DCS廠家對(duì)220V電源有接地要求，如ABB、FOXBORO公司。當(dāng)DCS電源需要零線接地時(shí)，可以將UPS配電系統(tǒng)零線接地或在DCS增加隔離變壓器，在隔離變壓器二次側(cè)實(shí)現(xiàn)接地。

采用IT系統(tǒng)可提高供電可靠性，如國(guó)內(nèi)CPR1000堆型核電廠明確UPS采用不接地系統(tǒng)，并設(shè)置絕緣監(jiān)察裝置在一點(diǎn)接地時(shí)報(bào)警。當(dāng)熱工電源為一路不接地、一路保安電源接地時(shí)，某些快速電源切換回路，不能正確監(jiān)測(cè)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(yīng)根據(jù)UPS的接線形式、可靠性等選擇，并綜合考慮熱工系統(tǒng)對(duì)電源的要求確定。

當(dāng)UPS負(fù)載為單相220 V交流負(fù)載時(shí)，三相輸出的UPS就不能采用IT系統(tǒng)。當(dāng)三相輸出UPS采用IT系統(tǒng)時(shí)，正常情況下，只要中性點(diǎn)即N線的電位不超標(biāo)，UPS的220 V負(fù)載能夠正常運(yùn)行。但是，當(dāng)發(fā)生一相如A相接地故障時(shí)，非故障的B、C相對(duì)N線的線電壓升高為380 V，此時(shí)接在B-N和C-N的220 V負(fù)載全部燒毀。如圖7所示。[3]

圖7 IT系統(tǒng)配出中性線后呈現(xiàn)的各種電壓

ICE強(qiáng)烈建議電源變壓器中性點(diǎn)不接地，或通過(guò)高阻抗接地系統(tǒng)(IT系統(tǒng))不配出中性線，然而輸出380/220 V的IT系統(tǒng)如不配出中性線，將無(wú)法取得220 V電源。IT系統(tǒng)一旦配出中性線，中性線發(fā)生接地，但又不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，變成電源變壓器中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)(TT系統(tǒng))，非常危險(xiǎn)。

7 結(jié) 語(yǔ)

介紹了工業(yè)級(jí)UPS的主要特點(diǎn)和分類，從如何做好UPS的電源隔離以及接地等方面，對(duì)其設(shè)計(jì)和選型提出方案，建議化工化纖行業(yè)選擇工業(yè)級(jí)UPS，對(duì)技術(shù)人員有指導(dǎo)意義。