關于UPS 配電方案的研究

代豪杰 楊勇偉 商九坤

1河南綠色礦山工程有限公司（450002） 2 河南陸創工程設計有限公司（450002）3 河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

20 世紀60 年代末誕生了第一代UPS，這種UPS 基于可控硅整流技術，國際上稱之為有變壓器的UPS，國內通常稱之為工頻機。而到了21 世紀初，各大UPS 廠商紛紛推出了基于IGBT 整流技術的UPS，國際上稱之為無變壓器的UPS，國內通常稱之高頻機。高頻機相對工頻機沒有內置輸出隔離變壓器，體積和重量大幅減小，輸入功率因數也提高到了0.99 以上，輸入諧波一般控制在3%以內。同時，高頻機相對工頻機在效率上也有了一定的提升，因此高頻UPS 順應著整個時代的發展，綠色環保，被越來越多的客戶所接受。

高頻機和工頻機在內部結構及電路上有所變化，所以不能簡單延用工頻機UPS 的配電方式給高頻機UPS 配電，文章將從UPS 電源輸入，輸出，旁路設置等角度分析相應的配電方案。

1 UPS 電源輸入

1.1 UPS 的分類

UPS 主要有電池后備式和電池在線式，后備式UPS 正常工作的時候，設備直接使用的是市電，同時整流器和電壓轉換器為蓄電池充電，逆變器處于非工作狀態。當市電電壓異常或斷電時，切換開關會自動切換并連通蓄電池和逆變器，此時蓄電池和逆變器開始工作供電，切換時間一般是幾毫秒到十毫秒，對于計算機類設備幾乎沒有影響，但切換初期的輸出波形是方波而不是正弦波，所以對于一些供電質量要求比較高的設備可能會有些影響。在線式UPS 是將市電經過整流器整流后變成直流電，一部分給蓄電池充電，另一部分則直接送到了逆變器并逆變輸出交流電，當市電出現問題時，蓄電池會向逆變器提供電力，保證電力的持續輸出，不存在轉換時間。

1.2 負荷分級及供電要求

根據《供配電設計規范》GB 50052—2009，用電負荷應根據供電可靠性及中斷供電所造成的損失或影響的程度，分為一級負荷、二級負荷及三級負荷，其中一級負荷應由兩個電源供電，二級負荷的供電系統，宜由兩回線路供電，三級負荷可按約定供電，一般為單電源供電[1]。

1.3 雙電源自動切換裝置的選擇

當負荷等級為三級時，UPS 僅有一路電源供電，供電形式簡單，因此不再討論。

當負荷等級為一二級時，UPS 有兩路供電，此時UPS 進線端需要配置雙電源自動切換裝置（ATSE）。

《民用建筑電氣設計規范》GB 51348—2019 規定:

1）當采用PC 級自動轉換開關電器時，應能耐受回路的預期短路電流，且ATSE 的額定電流不應小于回路計算電流的125%。

2）當采用CB 級ATSE 為消防負荷供電時，所選用的ATSE 應具有短路保護和過負荷報警功能，其保護選擇性應與上下級保護電器相配合。

3）宜選用具有檢修隔離功能的ATSE, 當ATSE不具備檢修隔離功能時，設計時應采取隔離措施。

經查閱ABB 和施耐德等相關雙電源切換產品樣本技術參數，PC 級的轉換時間一般不大于1.5 s，CB 級的轉換時間一般不大于3 s。可無論是PC 級還是CB 級的ATSE，其切換時間均遠遠大于UPS的轉換時間，所以UPS 雙電源自動切換裝置的選擇應僅考慮是否需要短路和過載保護即可。

另外，在軌道交通行業鐵路信號設計規范中，要求聯鎖的主副電源切換時間不得大于0.15 s，無論PC 級還是CB 級的ATSE 都不能滿足該切換要求，此時通常需使用接觸器控制兩路電源的切換，接觸器的動作時間一般是ms 級的。

1.4 UPS 輸入隔離變壓器

絕大部分UPS 廠家在產品設計時都要求N 線保持導通才能保證UPS 的正常工作。而根據《民用建筑電氣設計規范》GB51348—2019 規定，TN-C-S、TN-S 系統中的電源轉換開關，應采用切斷相導體和中性導體的四級開關。因此在雙電源自動切換的短暫的時間內，N 線會短暫斷開，從而使整個UPS失去參考中性點，此時，如果三相UPS 所帶負載各項不均衡，會造成零線電位嚴重漂移，從而引起UPS 報故障并停機。

鑒于此種情況，應在UPS 進線側既雙電源自動切換裝置出線側配置一臺隔離變壓器，隔離變壓器中性點直接接地，產生獨立的配電系統，UPS 和終端配電箱的N 線均取自該隔離變壓器中性點，從而保證不管是ATSE 切換亦或是旁路維修，均能保證UPS 正常運行，具體如圖1 所示。

圖1 隔離變電器

綜上所述，在給UPS 配電時，應根據需求選擇合適的雙電源轉換裝置，并在UPS 之前配置隔離變壓器，以免在雙電源切換過程中造成零點漂移，從而引起設備宕機。

2 UPS 電源輸出

工頻機和高頻機最大的區別在于高頻機輸出端沒有逆變隔離變壓器，而且由于工頻機已經誕生幾十年，很多用戶對高頻機產生懷疑，認為高頻機沒有隔離變壓器會導致無法降低零地電壓，無法實現故障隔離，抗干擾能力差，無法抑制低頻的3n 次諧波等問題，下面就從這4 個方面分別進行闡述:

圖2 工頻機

1）零地電壓。從內部接線來看，無論是工頻機還是高頻機，其工作的N 線均是與市電零線短接，其本身對降低零地電壓均無作用，另外，零地電壓是個頗具爭議性的問題，人們一直認為夸大零地電壓的危害是不科學的。

2）故障隔離。變壓器本身具有交流變壓、隔離等優點，但無論工頻機還是高頻機，其旁路都是直通負載的，真正的隔離只能通過整流逆變雙變換來實現，而不是變壓器。另外，變壓器本身就是是產生溫升的主要器件，而效率就是UPS 最大的可靠性，變壓器不但不能提高可靠性，反而會使可靠性降低。

3）抗干擾能力。UPS 是一種開關電源，需要在輸出端加LC 濾波器，以降低輸出電壓的諧波。高頻機在輸出端有額外的電感，該電感與輸出濾波電容一起，組成LC 濾波器。在實際的隔離變壓器中，原邊磁通并不能全部耦合到副邊，這部分磁通就形成了漏感，大部分工頻機均沒有輸出濾波電感，僅利用隔離變壓器的漏感，當作輸出濾波器中的感抗，用于濾波。不同的是高頻機有獨立電感，而工頻機是利用了隔離變壓器的漏感，兩者沒有本質區別。

4）抗諧波能力。諧波作為衡量輸出電壓質量的指標，需要計算2～50 次（100 Hz～2.5 kHz）的諧波，這部分諧波越大，電壓諧波總畸變率（THDV）越高，UPS 輸出電壓質量越差。目前絕大部分工頻機的逆變都是用I GBT，開關頻率在1～3 kHz，而市電的頻率是50 Hz，即開關頻率是市電頻率的20～60 倍，這種較低的開關頻率，會產生大量的低次諧波（50 Hz、100 Hz、150 Hz）。原邊為三角形輸入的隔離變壓器，由于輸入沒有中性線，三次諧波無法通過，這樣就可以降低諧波。而高頻機的開關頻率普遍在15 K以上，是市電頻率的300 倍以上，如此高的開關頻率下，輸出電壓低次諧波含量極低，即使沒有隔離變壓器，THDV 也可以做得很低。可見，對于開關頻率很高的高頻機，本身就具備調制低頻諧波的能力，不需要隔離變壓器也可以實現低THDV。

3 UPS 維修旁路

對于小容量的UPS，生產廠家一般會內置檢修旁路，但該維修旁路僅能實現對UPS 內部部分元器件進行隔離，整個UPS 柜仍處于帶電狀態，對檢修人員仍會有一定的人身危險，而且如果UPS 出現較為嚴重的故障時，無法對其進行不斷電換機維修，因此應對UPS 設置專門的外置維修旁路，且該維修旁路開關應與終端配電箱進線開關做機械連鎖。

4 結論

隨著電路技術和半導體器件的發展和創新，UPS 電路技術經歷了由多輸出變壓器到單輸出變壓器再到零輸出變壓器的變化過程，當前的器件和電路技術決定了帶輸出變壓器的工頻機和不帶輸出變壓器的高頻機的可靠性都達到了很高的水平，而無變壓器的高頻UPS 在效率、體積、重量、輸入功率因數等指標的優勢被越來越多的客戶接受。

因此在UPS 進行配電時，只有根據不同產品的自身特點進行認真分析，選擇合適的配電方案，才能使UPS 成為真正意義上的不間斷電源。