工业用UPS的设计与选型要点

2021-06-09吴朝祥周桂存

合成技术及应用 2021年1期

吴朝祥，周桂存

(中国石化仪征化纤有限责任公司，江苏仪征 211900)

UPS的供电原理是当市电正常时，系统会将市电的交流电经整流—逆变—整流后供负载使用，同时给蓄电池进行浮充；一旦市电发生异常时，储存于电池中的直流电转换为交流电供给负载，当逆变器故障时，UPS可以切换到静态旁通供电，使负载继续得到电能。

1 工业级UPS与商业级UPS的选择

在使用环境方面，工业级UPS因其使用环境差，现场或存在灰尘、高低温、高海拔、潮湿等情况，其防护等级一般高于IP31，而商业级UPS防护等级一般低于IP20。在异常恶劣的环境中，工业级UPS散热风道与电气部件隔离，防止灰尘落入电气部件，关键部件经过“三防”处理。

在设计方面，出于对现场负载恶劣的考虑，工业级UPS在电气材料选型时，耐受过电压的能力一般设计为2～3倍额定电压，耐受过电流的能力一般设计为2～2.5倍额定电流，能够承受剧烈的负载波动冲击，抵御和消除各种电网电能质量带来的问题。使用寿命8～10年，但是实际使用年限通常远高于此。

所以，在一般的化纤化工企业中，因负载小且感性负载相对较多，运行环境较差，控制室无人值守无需考虑噪音等问题，一旦负载失电会造成严重的经济和安全后果，建议选择工业级UPS。但是随着UPS技术的进步，行业间隔的模糊，在许多领域工业级UPS和商业级UPS也有交叉使用的情况。

2 工频机与高频机的选择

工频机指整流-逆变后，再通过升压(隔离)变压器输出，其拓扑结构如图1所示。高频机通常由IGBT高频整流器，再通过直流升压回路后再经逆变器输出，其拓扑结构如图2所示。

图1 经典工频机拓扑结构

图2 高频机拓扑结构

在功能及商业上，高频机和工频机各有优缺点。总体说来，工频机控制电路简洁高效，可靠性高，但体积大，重量大，噪音偏高，价格高。高频机电路稍显复杂，可靠性比工频机低，单输入功率因数高(省电)，体积小，重量轻，噪音小，价格便宜，一般化工化纤企业选择工频UPS较多，其详细比较见表1。

表1 工频机与高频机优缺点比较

3 UPS输入输出变压器的配置

根据系统的不同需求，输入输出变压器的设置位置不同，通常可在以下四个位置设置：旁路输入端设置变压器A，整流器输入端设置变压器B，逆变器输出端设置变压器C，UPS总输出端设置变压器D，详见图3。

图3 UPS输入输出变压器配置图

3.1 变压器A、B

变压器A和变压器B作为旁路侧和主电源侧的输入变压器，他们可抑制共模电压干扰。在电源系统中，因三相不平衡使中性线通过电流而产生电压降，导致N线和PE线间存在着电位差。部分电力电子设备和仪器仪表的信号电压往往只有几伏，过大的电压降形成的压差会导致相关设备无法工作，该电压降称为共模电压干扰。输入侧变压器将电源与UPS隔离，其二次绕组相当于新的电源给负载供电，则中性线与PE线间的电位差在此处又从0 V开始，可有效地降低共模电压干扰。

同时，变压器A、B还能抑制配电系统的3次谐波干扰。使用三角-星接法的隔离变压器，可以抑制UPS负载中荧光灯、电动机等产生3次谐波较多的设备对上游配电系统的影响。一般情况下，UPS负荷相对市电容量很小，该影响可忽略不计。

3.2 变压器C

变压器C为逆变器输出变压器，在采用可控硅整流、IGBT逆变方式的UPS中，其主要作用为改变系统接地形式。由于全桥变换器经过逆变器后输出回路不带中性线，所以在UPS逆变器的输出端增加“△-Y”隔离变压器，便可在UPS输出侧增加中性线，改变系统的接地形式，以满足负载要求。

该变压器还有提升输出电压的作用。市电经整流器转换为直流电源，采用SCR整流、IGBT逆变的UPS，400 V直流电源经PWM脉宽调制后，相电压只有180 V。为满足单相220 V负载要求，需增设变比为1∶1.22的输出隔离变压器。

3.3 变压器D

UPS在逆变器及旁路的共同输出端设置一个变压器D，从原理上看，可以起到市电与UPS负载的电气隔离作用。但实际上，由于该隔离变压器没有被旁路，当该隔离变压器需维修时，系统不得不断电，另外，变压器的阻抗会影响到UPS对负载供电的稳定精度，因此降低了供电的可靠性。可以通过其他措施实现供电的电气隔离。

4 变压器的隔离作用

从UPS的原理图中可以看出，UPS的供电回路由整流、逆变及旁路回路组成。只有将 UPS中的整流、逆变及旁路回路全部进行电气隔离，才能完全做到UPS输入与输出的电气隔离。

采用SCR整流、IGBT逆变方式的UPS，其变压器C的设置原因和要求已经在前文叙述，且该变压器必须紧随逆变器设置。另外，还可在旁路输入端设置隔离变压器，以达到旁路回路电气隔离的目的。其中，对于旁路输入端设置的隔离变压器，要做到静态旁路及手动旁路同时隔离，则需在其共同的输入端设置隔离变压器A，该隔离变压器的变比为1∶1。接线方式如图4所示。

图4 设置A、C变压器起到隔离作用的接线图

对于整流装置及逆变装置都为IGBT元器件的高频UPS，其已有DC/DC升压环节，故输出侧无须加装升压变压器。采用了双IGBT的UPS，逆变器输出端已带有中性线，可以满足对负载供电的要求，故隔离变压器C也可选配。

如前文所述，为了抑制共模电压的影响，可以通过隔离N线来实现。为了输出线电压380 V、相电压220 V，工频UPS必须安装变压器C，但是当UPS转静态旁路、维护旁路时，在此过程中不能断N线，所以当旁路电源没有隔离变压器时，系统N线与负载N线连在一起，输出隔离变压器起不到隔离作用。接线方式如图5所示。

图5 未设置旁通隔离变压器接线图

参考DL/T 5136—2012《火力发电厂变电所二次设计技术规程》10.2.15条规定：UPS输入、输出侧应装设隔离变压器，对应图3中的变压器A、B、C。另外，该条文解释介绍了四条输入输出变压器的优点，可供同行参阅。

N线与PE线之间的电位差称为“零地电压”。“零地电压”高于电子信息设备允许值时(一般“零地电压”应小于2 V)，应采取措施。

输出为TN系统的UPS配备隔离变压器D，可有效降低“零地电压”。原GB 50174—2008《电子信息系统机房设计规范》8.1.10：当输出端中性线与PE线之间的电位差不能满足电子信息设备使用要求时，宜配备隔离变压器。对应图3中的变压器C或者D。

同时注意，选择隔离变压器的保护开关时，应考虑隔离变压器投入时的励磁涌流。

5 UPS整体更新方案

如图3所示的UPS系统图，当UPS发生故障或者需要整体更新时，许多重要负载无法得到供电保证，给生产稳定带来影响。有专门文章在针对此类UPS整体更新时提出的“倒送电”方案，比较可行，不再赘述。[1]

随着近年UPS故障的出现，技术人员进行不断探讨，提出的外加“检修脱机旁路”的UPS系统，如图6所示。该UPS的特点是可以通过检修脱机旁路开关1Q12将UPS整体脱开，进行检修或者更新，给生产稳定带来重要保障。

图6 有检修脱机旁路的UPS系统

6 UPS中性点接地问题

相关规范规定，配电系统既可采用接地方式，也可以采用不接地方式，根据负载对电源要求确定。不接地系统可以提高负载的供电可靠性，接地系统可以满足特殊负载厂家对电源接地的要求，同时降低零地电压。UPS主电路为接地方式时：(1)旁路带隔离，UPS输出N线与市电N线电气隔离，因此输出N线与PE线连接，并与共用接地系统连接，UPS之后仍为接地系统；(2)旁路无隔离，UPS输出N线与市电N线直连，UPS输出N线不再接地，UPS之后仍为接地系统。[2]

部分DCS厂家对220V电源有接地要求，如ABB、FOXBORO公司。当DCS电源需要零线接地时，可以将UPS配电系统零线接地或在DCS增加隔离变压器，在隔离变压器二次侧实现接地。

采用IT系统可提高供电可靠性，如国内CPR1000堆型核电厂明确UPS采用不接地系统，并设置绝缘监察装置在一点接地时报警。当热工电源为一路不接地、一路保安电源接地时，某些快速电源切换回路，不能正确监测电压造成切换失败，这种情况可考虑采用接地方式。

综上，UPS输出N线是否需要接地，应根据UPS的接线形式、可靠性等选择，并综合考虑热工系统对电源的要求确定。

当UPS负载为单相220 V交流负载时，三相输出的UPS就不能采用IT系统。当三相输出UPS采用IT系统时，正常情况下，只要中性点即N线的电位不超标，UPS的220 V负载能够正常运行。但是，当发生一相如A相接地故障时，非故障的B、C相对N线的线电压升高为380 V，此时接在B-N和C-N的220 V负载全部烧毁。如图7所示。[3]