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　　在《UPS應(yīng)用》雜志上看到一篇文章,講述在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)UPS的應(yīng)用。文章詳細(xì)分析說明了各種UPS的供電電路,對使用UPS的工業(yè)領(lǐng)域很有意義,值得一讀。本人也曾接觸過工業(yè)領(lǐng)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?wù)勔恍┛捶ā?/p>

　　在上述文章所列舉的各種電路中都有一個(gè)特點(diǎn),那就是使用的UPS都帶有輸出隔離變壓器(所謂的工頻機(jī)),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(gè)。

　　工業(yè)用UPS從原則上來講,可以分成兩種:一種是為生產(chǎn)過程中的電氣設(shè)備供電的,這種UPS的選用要看具體的設(shè)備而定,而且UPS的容量都很大,有的就采用動態(tài)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(yè)自動化控制過程中所用設(shè)備、器件的電源使用UPS。如發(fā)電廠使用的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、重要的機(jī)、電、爐保護(hù)系統(tǒng)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(tǒng)(DCS)也是如此。那里有一些檢測壓力、溫度、流量等檢測儀表、調(diào)節(jié)儀表、控制閥和泵等執(zhí)行器件。對于此類設(shè)備、器件的電源的可靠性要求是很高的,否則會造成生產(chǎn)過程紊亂,甚至癱瘓。例如某石化工廠的DCS系統(tǒng)使用的UPS因市電電源中斷,而電池中有一塊電池?fù)p壞放不出電,DCS系統(tǒng)不能工作,造成生產(chǎn)過程癱瘓。一塊電池很容易更換,但生產(chǎn)過程設(shè)備的清理恢復(fù)卻用了三天時(shí)間,損失慘重。

　　這里討論的是在工業(yè)領(lǐng)域中第二種情況下使用的UPS。這一類UPS與普通數(shù)據(jù)中心使用的UPS有很多不同的特點(diǎn)。

　　這類UPS的第一個(gè)特點(diǎn)是負(fù)載與市電電源完全隔離。為了防止市電的任何*影響負(fù)載的穩(wěn)定工作,必須把負(fù)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(jīng)過一個(gè)隔離變壓器,以保證在旁路工作時(shí)也能與市電隔離。這樣,在負(fù)載側(cè)就形成了一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng),有自己的接地或者是不接地的懸浮系統(tǒng)。

　　從UPS來看,滿足這種負(fù)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(fù)載需要,那就要由用戶來確定了。

　　這類UPS的第二個(gè)特點(diǎn)是負(fù)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?yàn)樗�需UPS容量不大,常常是100kVA左右。但是對于旁路來說,就是一個(gè)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(fèi)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(cè)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(wěn)定或*較大時(shí),為了在旁路工作狀態(tài)下,對負(fù)載不產(chǎn)生*,需要在旁路隔離變壓器的后面,再加上穩(wěn)壓器,以保證負(fù)載可靠穩(wěn)定地工作。這也是常用的一種供電電路。

　　對于發(fā)電廠和變電站用的UPS,在直流環(huán)節(jié)還要有特殊的要求。因?yàn)榘l(fā)電廠中有強(qiáng)大的直流系統(tǒng),用來為繼電保護(hù)系統(tǒng)和高壓開關(guān)的驅(qū)動裝置提供電源。這個(gè)電源必須十分可靠,否則會造成系統(tǒng)的紊亂,釀成重大事故。因?yàn)橛辛诉@個(gè)直流電源,UPS就不需要單獨(dú)設(shè)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(gè)問題:一是UPS的直流電壓需適應(yīng)公共的直流電壓,一般發(fā)電廠的直流電源電壓是220V,因此UPS的直流電壓要與這個(gè)電壓相匹配。另一個(gè)問題是公共直流系統(tǒng)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(fā)電廠自己的直流系統(tǒng)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(gè)變壓器同時(shí)也為直流電壓所需數(shù)值提供了方便。平時(shí)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(shí),電池給UPS放電。這個(gè)電路如圖2所示。

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

　　從以上介紹可以看出,工業(yè)用UPS供電電路關(guān)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(gè)變壓器有三個(gè)功能:一是隔離,二是變壓,三是濾波。對于前兩個(gè)功能已經(jīng)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(diào)制(PWM)的調(diào)節(jié)方式工作。其輸出都必須有濾波環(huán)節(jié),這個(gè)濾波器應(yīng)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(gè)濾波電路是串聯(lián)電感和并聯(lián)電容組成的。但是有變壓器的UPS就不需要串聯(lián)電感,它是應(yīng)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(gè)繞組互相耦合實(shí)現(xiàn)變壓的,因?yàn)閮蓚�(gè)繞組都有各自的不互相耦合的漏磁,這就形成串聯(lián)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(shù)要求，必須滿足按照濾波要求的電抗數(shù)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?yàn)檫@樣可以消除3次及3的倍數(shù)次諧波,這是因?yàn)槿��?次諧波是同相的,它們在三角形繞組中可以環(huán)繞而消除,在副邊就不出現(xiàn)3次及3的倍數(shù)次諧波。對于整個(gè)濾波是有利的。

　　該變壓器還有一個(gè)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(gè)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(fù)載功率因數(shù)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(jì)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(gè)固定電容支路。也就是說這個(gè)電容是并聯(lián)在輸出電壓上的,正常時(shí)就有一個(gè)容性電流流過。它與負(fù)載電流共同由逆變器經(jīng)變壓器的電流承擔(dān),如圖5所示。

　　對于我們介紹的UPS來說,每個(gè)濾波電容是22μF,三相做三角形連接。每相電容的容抗為XCΦ。計(jì)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(fù)載電流為

　　逆變器經(jīng)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(dāng)然,在實(shí)際選擇時(shí),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(dāng)然,這是在額定情況下(如上例,IL=15.2A、cosφ=0.8),確定UPS內(nèi)部器件的參數(shù)。以此來選擇功率器件,制造UPS。在負(fù)載不是額定情況時(shí)(cosφ為其他數(shù)值),是以逆變器電流不超過確定數(shù)值(如上例,IINV=13A),來確定負(fù)載的大小(IL的數(shù)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(dāng)然變壓器的容量要多大,這與UPS的負(fù)載功率因數(shù)、脈寬調(diào)制頻率、濾波電容的大小以及UPS設(shè)計(jì)的輸出性能等因素有關(guān),而不是千篇一律的。但是這告訴我們一個(gè)事實(shí),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(chǎn)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(rèn)為是廠家以小替大、以次充好,而應(yīng)仔細(xì)分析。