在《UPS应用》杂志上看到一篇文章,讲述在工业领域内UPS的应用。文章详细分析说明了各种UPS的供电电路,对使用UPS的工业领域很有意义,值得一读。本人也曾接触过工业领域使用UPS以及使用过程中的某些问题,对这些问题也很有兴趣,在此谈谈一些看法。
　　
　　在上述文章所列举的各种电路中都有一个特点,那就是使用的UPS都带有输出隔离变压器(所谓的工频机),而旁路也都装有隔离变压器。我们就可以从这里说起。
　　
　　图1就是该文中所示电路中的最简单的一个。
　　
　　工业用UPS从原则上来讲,可以分成两种:一种是为生产过程中的电气设备供电的,这种UPS的选用要看具体的设备而定,而且UPS的容量都很大,有的就采用动态UPS,对这一种使用UPS的情况此处不做分析。另一种则是在工业自动化控制过程中所用设备、器件的电源使用UPS。如发电厂使用的计算机监控系统、数据采集系统、重要的机、电、炉保护系统等就需要使用UPS。又如在石化工厂常常使用的分布控制系统(DCS)也是如此。那里有一些检测压力、温度、流量等检测仪表、调节仪表、控制阀和泵等执行器件。对于此类设备、器件的电源的可靠性要求是很高的,否则会造成生产过程紊乱,甚至瘫痪。例如某石化工厂的DCS系统使用的UPS因市电电源中断,而电池中有一块电池损坏放不出电,DCS系统不能工作,造成生产过程瘫痪。一块电池很容易更换,但生产过程设备的清理恢复却用了三天时间,损失惨重。
　　
　　这里讨论的是在工业领域中第二种情况下使用的UPS。这一类UPS与普通数据中心使用的UPS有很多不同的特点。
　　
　　这类UPS的第一个特点是负载与市电电源完全隔离。为了防止市电的任何干扰影响负载的稳定工作,必须把负载与市电完全隔离。这就需要UPS有输出隔离变压器,而且旁路输入也需要经过一个隔离变压器,以保证在旁路工作时也能与市电隔离。这样,在负载侧就形成了一个独立的系统,有自己的接地或者是不接地的悬浮系统。
　　
　　从UPS来看,满足这种负载的要求,输出隔离变压器是必须的,而不是额外的。如果采用不带输出隔离变压器的UPS,就需要外加输出隔离变压器,是否能满足负载需要,那就要由用户来确定了。
　　
　　这类UPS的第二个特点是负载常常要求单相电源供电,需要选用三相输入/单相输出型的UPS。这对UPS来说问题不大,因为所需UPS容量不大,常常是100kVA左右。但是对于旁路来说,就是一个值得探讨的问题了。旁路隔离变压器用什么样的呢?用三相输入/三相输出,显然是不合理的,只单相带载,既浪费又极不平衡。用单相220V输入/单相220V输出,也很不平衡。比较好的办法是用单相380V输入/单相220V输出。这样在电源侧的平衡程度要好一些。变压器的容量可以按UPS容量来选择。电源的容量需要按两相有电流的大小来考虑。此外还有双变压器方案、Scott变压器方案、三相五柱变压器方案等,但都不如单相380V输入/单相220V输出的方案简单。
　　
　　而在市电电压很不稳定或干扰较大时,为了在旁路工作状态下,对负载不产生干扰,需要在旁路隔离变压器的后面,再加上稳压器,以保证负载可靠稳定地工作。这也是常用的一种供电电路。
　　
　　对于发电厂和变电站用的UPS,在直流环节还要有特殊的要求。因为发电厂中有强大的直流系统,用来为继电保护系统和高压开关的驱动装置提供电源。这个电源必须十分可靠,否则会造成系统的紊乱,酿成重大事故。因为有了这个直流电源,UPS就不需要单独设立自己的直流电源,而是使用公共的直流电源。这样就带来两个问题:一是UPS的直流电压需适应公共的直流电压,一般发电厂的直流电源电压是220V,因此UPS的直流电压要与这个电压相匹配。另一个问题是公共直流系统容量很大,有自己的充电电源,不需要UPS充电,电池只为UPS放电用。所以在电池与UPS直流母线之间要增加防反二极管。发电厂自己的直流系统非常重要,专门有对地绝缘要求,因此要求UPS直流与交流电源之间必须隔离。这样就在UPS的交流输入端增加隔离变压器。这个变压器同时也为直流电压所需数值提供了方便。平时UPS的直流电压略高于电池组的电压,电池对UPS不能放电。
　　
　　UPS失去交流输入时,电池给UPS放电。这个电路如图2所示。
　　
　　此外,工业用UPS在保护等级的要求上与一般UPS也有所不同。一般的UPS所处环境比较好,温度、湿度、尘埃度都能满足UPS的需要。因此保护等级多为IP20。而工业用UPS所处的环境往往是比较差的。因而对UPS来说,它的保护等级就要高一些。有的甚至要防水滴、通风口要加过滤网等。
　　
　　从以上介绍可以看出,工业用UPS供电电路关键是需要与市电电源隔离,而对UPS来说就要有输出隔离变压器。这个变压器有三个功能:一是隔离,二是变压,三是滤波。对于前两个功能已经介绍过,不再赘述,下面说明其滤波功能。
　　
　　无论是带变压器的全波逆变,还是不带变压器的半波逆变,其基本工作原理是一样的。都是采用IGBT功率器件,以脉冲宽度调制(PWM)的调节方式工作。其输出都必须有滤波环节,这个滤波器应该是低通滤波器。图3和图4分别是这两类UPS的部分电路图。
　　
　　

从图3可以看出这个滤波电路是串联电感和并联电容组成的。但是有变压器的UPS就不需要串联电感,它是应用变压器的漏磁电抗完成的,再外加电容组成滤波电路,如图4所示。变压器是两个绕组互相耦合实现变压的,因为两个绕组都有各自的不互相耦合的漏磁,这就形成串联在电路中的漏磁电抗，这恰恰是滤波的需要。该变压器的参数要求，必须满足按照滤波要求的电抗数值，这就与普通的变压器不同了。
　　
　　对于三相变压器,其绕组一般采用Δ/Y接线,其原边采用三角形接线,是因为这样可以消除3次及3的倍数次谐波,这是因为三相3次谐波是同相的,它们在三角形绕组中可以环绕而消除,在副边就不出现3次及3的倍数次谐波。对于整个滤波是有利的。
　　
　　该变压器还有一个容量问题,这似乎不是问题,只要满足UPS输出容量要求即可。但是,笔者却见到过两个不同厂家,同一容量的UPS却有着不同容量的输出变压器。同一台10kVA的三相输出的UPS。输出电压为380V,负载功率因数为0.8。有一厂家是采用10kVA的变压器,另一家却不是10kVA。变压器容量可按照下列计算求得。
　　
　　我们知道变压器后面有滤波电容,它可滤掉高频脉冲,对于50Hz频率来说是一个固定电容支路。也就是说这个电容是并联在输出电压上的,正常时就有一个容性电流流过。它与负载电流共同由逆变器经变压器的电流承担,如图5所示。
　　
　　对于我们介绍的UPS来说,每个滤波电容是22μF,三相做三角形连接。每相电容的容抗为XCΦ。计算得XCΦ=144.8Ω。每相电容电流为ICф=380/144.8=2.6A。电容电流IC=1.73×2.6=4.5A。
　　
　　UPS额定负载电流为
　　
　　图6是简化电路图,图7是其相量图。
　　

　　逆变器经变压器的输出电流是
　　
　　变压器容量为ST=1.73×380×13=8.6kVA。也就是说用一台8.6kVA的变压器就可以满足UPS输出10kVA的需要。当然,在实际选择时,还须考虑高频电流、过载能力等问题。笔者就曾见过一台100kVA的UPS的输出变压器铭牌的容量是88kVA。
　　
　　当然,这是在额定情况下(如上例,IL=15.2A、cosφ=0.8),确定UPS内部器件的参数。以此来选择功率器件,制造UPS。在负载不是额定情况时(cosφ为其他数值),是以逆变器电流不超过确定数值(如上例,IINV=13A),来确定负载的大小(IL的数值),即UPS的带载能力与额定值会有不同。
　　
　　笔者见过一家厂商用10kVA的变压器,另一家用小容量的变压器,后来用大容量变压器厂家也改为用小容量的了。当然变压器的容量要多大,这与UPS的负载功率因数、脉宽调制频率、滤波电容的大小以及UPS设计的输出性能等因素有关,而不是千篇一律的。但是这告诉我们一个事实,那就是用最小的投入以取得最大的收益是厂家的制造理念。这样的事例在UPS产品中还是多处可见。我们不能一见到这种好像不合理的情况,就简单地认为是厂家以小替大、以次充好,而应仔细分析。
　　
　　上面是研讨工业用UPS时,分析了UPS的输出变压器。当然这对于非工业用的UPS也是适用的。
　　
　　作者简介
　　
　　王鸿藻,中国石油勘探开发研究院高级工程师,本刊编委。
　　
　　编辑：Harris