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    也談工業用UPS  

      在《UPS應用》雜志上看到一篇文章,講述在工業領域內UPS的應用。文章詳細分析說明了各種UPS的供電電路,對使用UPS的工業領域很有意義,值得一讀。本人也曾接觸過工業領域使用UPS以及使用過程中的某些問題,對這些問題也很有興趣,在此談談一些看法。

      在上述文章所列舉的各種電路中都有一個特點,那就是使用的UPS都帶有輸出隔離變壓器(所謂的工頻機),而旁路也都裝有隔離變壓器。我們就可以從這里說起。

      圖1就是該文中所示電路中的最簡單的一個。

      

     

      工業用UPS從原則上來講,可以分成兩種:一種是為生產過程中的電氣設備供電的,這種UPS的選用要看具體的設備而定,而且UPS的容量都很大,有的就采用動態UPS,對這一種使用UPS的情況此處不做分析。另一種則是在工業自動化控制過程中所用設備、器件的電源使用UPS。如發電廠使用的計算機監控系統、數據采集系統、重要的機、電、爐保護系統等就需要使用UPS。又如在石化工廠常常使用的分布控制系統(DCS)也是如此。那里有一些檢測壓力、溫度、流量等檢測儀表、調節儀表、控制閥和泵等執行器件。對于此類設備、器件的電源的可靠性要求是很高的,否則會造成生產過程紊亂,甚至癱瘓。例如某石化工廠的DCS系統使用的UPS因市電電源中斷,而電池中有一塊電池損壞放不出電,DCS系統不能工作,造成生產過程癱瘓。一塊電池很容易更換,但生產過程設備的清理恢復卻用了三天時間,損失慘重。

      這里討論的是在工業領域中第二種情況下使用的UPS。這一類UPS與普通數據中心使用的UPS有很多不同的特點。

      這類UPS的第一個特點是負載與市電電源完全隔離。為了防止市電的任何*影響負載的穩定工作,必須把負載與市電完全隔離。這就需要UPS有輸出隔離變壓器,而且旁路輸入也需要經過一個隔離變壓器,以保證在旁路工作時也能與市電隔離。這樣,在負載側就形成了一個獨立的系統,有自己的接地或者是不接地的懸浮系統。

      從UPS來看,滿足這種負載的要求,輸出隔離變壓器是必須的,而不是額外的。如果采用不帶輸出隔離變壓器的UPS,就需要外加輸出隔離變壓器,是否能滿足負載需要,那就要由用戶來確定了。

      這類UPS的第二個特點是負載常常要求單相電源供電,需要選用三相輸入/單相輸出型的UPS。這對UPS來說問題不大,因為所需UPS容量不大,常常是100kVA左右。但是對于旁路來說,就是一個值得探討的問題了。旁路隔離變壓器用什么樣的呢?用三相輸入/三相輸出,顯然是不合理的,只單相帶載,既浪費又極不平衡。用單相220V輸入/單相220V輸出,也很不平衡。比較好的辦法是用單相380V輸入/單相220V輸出。這樣在電源側的平衡程度要好一些。變壓器的容量可以按UPS容量來選擇。電源的容量需要按兩相有電流的大小來考慮。此外還有雙變壓器方案、Scott變壓器方案、三相五柱變壓器方案等,但都不如單相380V輸入/單相220V輸出的方案簡單。

      而在市電電壓很不穩定或*較大時,為了在旁路工作狀態下,對負載不產生*,需要在旁路隔離變壓器的后面,再加上穩壓器,以保證負載可靠穩定地工作。這也是常用的一種供電電路。

      對于發電廠和變電站用的UPS,在直流環節還要有特殊的要求。因為發電廠中有強大的直流系統,用來為繼電保護系統和高壓開關的驅動裝置提供電源。這個電源必須十分可靠,否則會造成系統的紊亂,釀成重大事故。因為有了這個直流電源,UPS就不需要單獨設立自己的直流電源,而是使用公共的直流電源。這樣就帶來兩個問題:一是UPS的直流電壓需適應公共的直流電壓,一般發電廠的直流電源電壓是220V,因此UPS的直流電壓要與這個電壓相匹配。另一個問題是公共直流系統容量很大,有自己的充電電源,不需要UPS充電,電池只為UPS放電用。所以在電池與UPS直流母線之間要增加防反二極管。發電廠自己的直流系統非常重要,專門有對地絕緣要求,因此要求UPS直流與交流電源之間必須隔離。這樣就在UPS的交流輸入端增加隔離變壓器。這個變壓器同時也為直流電壓所需數值提供了方便。平時UPS的直流電壓略高于電池組的電壓,電池對UPS不能放電。

      UPS失去交流輸入時,電池給UPS放電。這個電路如圖2所示。

      

     

      此外,工業用UPS在保護等級的要求上與一般UPS也有所不同。一般的UPS所處環境比較好,溫度、濕度、塵埃度都能滿足UPS的需要。因此保護等級多為IP20。而工業用UPS所處的環境往往是比較差的。因而對UPS來說,它的保護等級就要高一些。有的甚至要防水滴、通風口要加過濾網等。

      從以上介紹可以看出,工業用UPS供電電路關鍵是需要與市電電源隔離,而對UPS來說就要有輸出隔離變壓器。這個變壓器有三個功能:一是隔離,二是變壓,三是濾波。對于前兩個功能已經介紹過,不再贅述,下面說明其濾波功能。

      無論是帶變壓器的全波逆變,還是不帶變壓器的半波逆變,其基本工作原理是一樣的。都是采用IGBT功率器件,以脈沖寬度調制(PWM)的調節方式工作。其輸出都必須有濾波環節,這個濾波器應該是低通濾波器。圖3和圖4分別是這兩類UPS的部分電路圖。

      

     

      

     

      從圖3可以看出這個濾波電路是串聯電感和并聯電容組成的。但是有變壓器的UPS就不需要串聯電感,它是應用變壓器的漏磁電抗完成的,再外加電容組成濾波電路,如圖4所示。變壓器是兩個繞組互相耦合實現變壓的,因為兩個繞組都有各自的不互相耦合的漏磁,這就形成串聯在電路中的漏磁電抗,這恰恰是濾波的需要。該變壓器的參數要求,必須滿足按照濾波要求的電抗數值,這就與普通的變壓器不同了。

      對于三相變壓器,其繞組一般采用Δ/Y接線,其原邊采用三角形接線,是因為這樣可以消除3次及3的倍數次諧波,這是因為三相3次諧波是同相的,它們在三角形繞組中可以環繞而消除,在副邊就不出現3次及3的倍數次諧波。對于整個濾波是有利的。

      該變壓器還有一個容量問題,這似乎不是問題,只要滿足UPS輸出容量要求即可。但是,筆者卻見到過兩個不同廠家,同一容量的UPS卻有著不同容量的輸出變壓器。同一臺10kVA的三相輸出的UPS。輸出電壓為380V,負載功率因數為0.8。有一廠家是采用10kVA的變壓器,另一家卻不是10kVA。變壓器容量可按照下列計算求得。

      我們知道變壓器后面有濾波電容,它可濾掉高頻脈沖,對于50Hz頻率來說是一個固定電容支路。也就是說這個電容是并聯在輸出電壓上的,正常時就有一個容性電流流過。它與負載電流共同由逆變器經變壓器的電流承擔,如圖5所示。

     

      對于我們介紹的UPS來說,每個濾波電容是22μF,三相做三角形連接。每相電容的容抗為XCΦ。計算得XCΦ=144.8Ω。每相電容電流為ICф=380/144.8=2.6A。電容電流IC=1.73×2.6=4.5A。

      UPS額定負載電流為

     

     

      逆變器經變壓器的輸出電流是

     

      變壓器容量為ST=1.73×380×13=8.6kVA。也就是說用一臺8.6kVA的變壓器就可以滿足UPS輸出10kVA的需要。當然,在實際選擇時,還須考慮高頻電流、過載能力等問題。筆者就曾見過一臺100kVA的UPS的輸出變壓器銘牌的容量是88kVA。

      當然,這是在額定情況下(如上例,IL=15.2A、cosφ=0.8),確定UPS內部器件的參數。以此來選擇功率器件,制造UPS。在負載不是額定情況時(cosφ為其他數值),是以逆變器電流不超過確定數值(如上例,IINV=13A),來確定負載的大小(IL的數值),即UPS的帶載能力與額定值會有不同。

      筆者見過一家廠商用10kVA的變壓器,另一家用小容量的變壓器,后來用大容量變壓器廠家也改為用小容量的了。當然變壓器的容量要多大,這與UPS的負載功率因數、脈寬調制頻率、濾波電容的大小以及UPS設計的輸出性能等因素有關,而不是千篇一律的。但是這告訴我們一個事實,那就是用最小的投入以取得最大的收益是廠家的制造理念。這樣的事例在UPS產品中還是多處可見。我們不能一見到這種好像不合理的情況,就簡單地認為是廠家以小替大、以次充好,而應仔細分析。

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