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工业行业UPS电源解决方案

发布时间:2020-3-25

一 工业UPS应用
目前由于UPS系统在电源供电质量和不间断等方面的优势,各行各业的重要负载都大量使用UPS,尤其是UPS在工业领域中的应用得到了高度的关注。
1 机型的选择
3/1(三单)就是三相输入,单相输出,即通常说的380V进220V出,一般容量在60kVA以下使用,它的优点是输出配线方便。3/3(三三)就是三相输入,三相输出,即通常说的380V进380V出,它的优点是可以减少三次谐波的产生,在容量大于60kVA时使用。
2 安全标准
在工业领域应用的UPS,必须是VFI-SS-111类型,即双变换式。
必须满足电磁兼容性EMC)的要求。
保护等级为P31,能更好地适应工业领域的运行环境。
3 环境要求
操作温度为0~40℃,相对湿度为0%~95%都能正常工作,但在使用时要注意,UPS是有电池系统的,温度太高或太低对电池的寿命和正常工作都有很大的影响,所以在有UPS的机房里,用户大都会加装空调以保持温度和湿度的适中,从而保证UPS的使用寿命。对于在工业领域中运行的UPS,音频噪声肯定会比商用的要大一些,这主要是在设计散热方案时,要更多的考虑用电环境和散热效果。
4 输入电气特征
对输入功率因数和THDI,很多行业都提出了强制规定,这主要是顺应节能减排和绿色环保的新趋势,各行各业都真正的重视了。比如在中华人民共和国通信行业标准,《通信用不间断电源——UPS》里,就把UPS分成1,∏,I相对应的输入功率因数为≥0.95,≥0.90,≥0.85。输入电流谐波成分为<5%,<15%,<25%(指YD/T1095-2000)。而又只有类是达到节能减排的绿色要求的。因为根据IEC61000的标准要求输入功率因数大于0.92,输入THD小于8%,这是绿色电源的基本要求。
与之相对应的整流技术方案为:如果要达到节能减排的绿色要求,只有IGBT整流才能达到,12脉冲整流需加l1次无源滤波器,6脉冲整流需加有源滤波器才能达到。
另外,宽裕的输入电压范围400V±20%(高达-35%,70%额定负载)和输入频率范围50/60Hz±10%,可使UPS在恶劣的电网环境中正常工作所谓谐波含量,就是各次谐波的平方和再开方。
5 输出电气特征
输出电气特征的电压畸变是:UPS输出在带负载时,负载电流所引起的UPS输出电压正弦波形的畸变。在电路分析中,引入纯电阻负载、纯电感负载、纯电容负载三大类,这三大类负载在现实中基本没有,又称理想负载。通常人们把电流随电压线性变化的负载叫线性负载,反之叫非线性负载。非线性负载电流会引起UPS输出电压正弦波形的较大畸变。
国标GB/T7260-3中对线性负载有明确的定义:“3.2.6线性负载(linear load):当施加可变正弦电压时,其负载阻抗参数(Z)恒定为常数的那种负载。”线性负载根据电压和电流的相位关系又可分为电阻性(如电阻、电炉、白炽灯等)、电感性如感应电动机、变压器等)、电容性(如电容器等)负载。
国标GB/T7260-3中对非线性负载也有明确的定义:“3.2.7非线性负载(non- -linear load):
负载阻抗参数(Z)不总为恒定常数,随着电压或时间等其它参数而变化的那种负载。”电压和电流之间是非线性关系的负载。在负载投人、运行过程中,电压、电流关系是经常变化的,其波形也不是正弦交流波,而是含有不光滑的畸变波形,根据数学的方法可以分解为基波和一系列的高次谐波,主要是5次、7次奇次谐波。
也可以简单的说:二者都施加正弦电压时,线性负载的电流是正弦的,非线性负载的电流是非正弦的。
这就是要强调UPS输入功率因数、输入电流谐波成分的原因,因为对于电网(市电)来说,UPS就是电网的负载,它的输入功率因数高、输入电流谐波成分小,对电网就是线性负载,就不会对电网造成污染,也就不会影响电网和电网上其它设备的安全运行。
6 内置输出隔离变压器
内置或外置1:1输出隔离变压器,是有很大区别的,内置1:1输出隔离变压器的运行状态,完全是UPS主机一部分,它为UPS主机的控制板所控制。而外置1:1输出隔离变压器,则达不到这样的效果。
对于不带内置输出隔离变压器的UPS来说,UPS所输出的交流电源中,通常包含较大的直
流分量,且当因故致使UPS中逆变器的IGBT管被击穿短路时,来自直流总线的直流高压就可能会直接送到用户的负载上,从而对设备硬件的安全运行带来严重的威胁。而内置输出隔离变压器的UPS,是一个再生的TN-S系统,它能产生新的中性线隔离输人和输出之间的电气连接,有效地降低输出的零地电压。
7 防腐标准
在一些工业领域,对UPS提出了防腐标准,要求UPS内部电子元器件、印制电路板、母线、导体及主回路连接端子等采取有效的防止化工气体腐蚀的措施,元器件、印制电路板采用不少于两层防腐涂层处理。
二 工业UPS常用方案
1 单机系统的应用
单机系统是能源行业应用多的解决方案,根据UPS的设计,单机运行UPS主机本体可以进行系统不停电维护。
(1)UPS单机供电方案四种工作状态
单机运行供电方案的各点交流负载独立地由一台UPS提供动力保护,不停电维护是通过切换到手动维修旁路退出运行当中的UPS主机,进行不停电维护的。手动维修旁路的切换,可以进行无中断的“先通后断”切换过程,不会引起负载中断供电的问题。实现主机、旁路之间的无间断切换过程。如图1所示,UPS单机供电方案四种工作状态所对应的开关操作顺序为:

①正常工作
Q1、Q2、Q4、Q5、BATMCB在接通位置,Q3闭锁在断开位置。UPS通过整流器、逆变器、逆变静态开关向负载供电,同时向电池进行充电管理。
② 主电源消失或者整流器故障转直流电池组工作
Q1、Q2、Q4、Q5、BATMCB在接通位置,Q3闭锁在断开位置,所有开关位置不发生变化。UPS直流母线电压低于电池电压时,将自动把负载切换到电池系统上。UPS电池系统经逆变器、逆变静态开关向负载供电。
此时若主电源恢复或者整流器故障消失,UPS逻辑判断无误时,UPS可自动恢复至正常工作状态。
③逆变器电源消失或逆变器故障转旁路工作
Q1、Q2、Q4、Q5、BATMCB在接通位置,Q3闭锁在断开位置,所有开关位置不发生变化。UPS通过逻辑检测,根据直流母线情况和逆变器的情况,会自动将负载通过逆变静态开关无扰动的切换到旁路系统上。UPS旁路系统经旁路静态开关向负载供电。
此时若逆变器电源恢复或逆变器故障故障消失,UPS逻辑判断无误时,UPS可自动恢复至正常工作状态。
④维修供电方式
维修供电方式需要人工操作才能完成,首先在逆变器与旁路的同步情况下,人工操作将UPS负载切换到静态切换开关旁路,此时的工作状态由1或2切换到了3;在此情况下,先合上Q3开关,再断开Q2开关,再断开Q4开关,通过先通后断的切换,就实现了UPS退出运行时对负载的连续供电。所有负载的供电,由旁路系统实现。
当然,此时的供电可靠性,由旁路电源决定。因此,不建议在生产装置运行时对单机运行的UPS进行检修和维护。
上述方案实现了UPS系统的典型应用,但也有不利于维护的一些缺点。在此基础上,实践采用的单机系统解决方案做了一些优化,主要有下面几种应用:
(2)旁路带备用开关的单机供电方案

如图2所示,旁路带备用开关的单机供电方案是典型的应用方案。UPS系统的上游可以分别来自两个独立的不同接地点电气系统(或者不接地系统),所有负载系统通过两个隔离变压器与上游完全隔离,负载侧既可以采用TN-S系统,也可以采用IT系统。QF3备用开关用于紧急情况下的旁路直通,也可用于并机系统的扩容,或者构成双输出系统使用。

(3)脱机旁路柜方式单机供电方案
“脱机旁路柜”方式单机供电方案在实现典型单机应用方案的基础上,重点考虑了维护的安全性。尽管各个厂家提供了无扰动退出UPS主机的切换方案,但由于UPS维修旁路输入和总输出的端子排、UPS内部采样回路仍然带电,给维修工作带来安全隐患。因此在实践应用中,有时也采用如图3所示:“脱机旁路柜”设计方式。

UPS系统正常运行时,UPS主机内部Q1、Q2、Q4合上,Q3断开且挂锁;旁路柜中QF1、QF2、QF4、QF5合上,QF3断开且挂锁。
当UPS主机需要W维护时,先将UPS从逆变器输出切换为静态旁路输出(断开逆变器静态开关,合上旁路静态开关),再合上Q3到UPS主机维修旁路,然后将Q2、Q4断开,切断逆变器、静态开关和输出负载之间的联系,再通过等电位的操作,将“脱机旁路柜”QF3合上,QF2、QF4断开,就可以通过旁路隔离变压器、QF3、QF5向所有负载供电了。
此时,切断UPS的上游整流器电源和电池开关,则可使UPS内部完全停电,安全检修了。
(4)双输出方式单机供电方案
如图4所示,双输出方式单机供电方案能够在投资有限的情况下,为双电源负载提供两路独立的电源供电。一路由UPS提供稳定的电压,另一路由旁路系统提供经过电气隔离的电网电源。这种方案在实现典型单机应用方案的基础上,可以提供双路交流输出给下游的相关专业,也是一种给双电源负载供电的优秀的解决方案。
    
2 并机系统的应用
随着大型控制系统在能源工业领域的应用,UPS并机系统得到了大量和广泛的应用。这种方案考虑到了装置长周期的运行中对UPS主机进行维护,相比单机系统的应用方案有很大的优越性。并机系统应用有以下几种典型设计:
(1)标准并机供电方案
如图5所示,正常运行时,1+1并机运行供电方案的全部交流负载由2台UPS平均分担,任何一台UPS均可以带100%负载长期工作。因此,1+1并机运行供电方案可以完全退出1台UPS主机进行维护。
这种典型并机方案应用非常广泛。正常运行时,除每台UPS主机的旁路维修开关Q3断开且挂锁外,其余开关均正常闭合。当需要检修或者维护其中的一台UPS时,断开旁路柜及输出配电柜的对应开关,就能将所要退出的UPS主机设备完全隔离。

(2)输出配电系统与UPS不同室的并机供电方案
由于UPS的负载分散性以及跨专业管理等多种原因,会存在UPS的负载分配柜与UPS不同室,或者距离UPS较远的情况,导致图5标准UPS并机供电方案中,UPS出口点到电气并机点的距离超出UPS控制范围,无法有效实现并机控制的情况。因此出现了如图6所示输出配电系统与UPS不同室的并机供电方案。
这种应用方案有效解决了输出配电系统与UPS不同室的问题。其检修和维护时的操作,与标准并机供电方案相同。用户可根据下游专业的需要,可提供单根电缆供电,或者冗余双路电缆供电。

(3)旁路隔离变压器及输出配电合一的并机供电方案
如图7所示,某些用户由于场地或者维护管理方面的原因,要求将配电输出部分和旁路隔离变压器合并设计,这种并机应用方案的实用性颇受用户肯定。
正常运行时,除每台UPS主机的旁路维修开关Q3断开且挂锁,旁路隔离变压器及输出配电柜中的QF2断开且挂锁外,其余开关均正常闭合(输出配电部分根据实际运行要求确定)。当需要检修或者维护其中的一台UPS时,直接将需要维修的UPS设备停机,再断开旁路隔离变压器及输出配电柜中的对应开关,就能将所要退出的UPS主机设备完全隔离进行维修;当两台UPS同时需要检修或者维护时,先将两台UPS同时切换到旁路静态开关状态,再将每台UPS的Q3合上,在等电位的情况下,闭合旁路隔离变压器及输出配电柜中QF2开关,再断开闭合断开旁路隔离变压器及输出配电柜的对应开关,就能将两台UPS主机设备完全隔离进行维修,此时负载仍能够由旁路直通电源供电。

3 2N(双母线)供电系统的应用
2N系统应用是近年开始应用的一种交流不间断电源UPS解决方案,结合负载为如图8所示双电源的特点,UPS系统为负载提供完全独立的两路UPS电源。此种供电解决方案,解决了UPS输出端与终负载端之间发生“单点瓶颈”故障隐患。

2N系统应用方案典型设计有以下几种:
(1)一台UPS单机与一路市电构成双路供电方案
如图9所示,某些用户由于场地或者费用预算方面的原因,采用1台UPS单机与1路市电构成双路供电方案。这种并机应用方案成本低,相比普通单机来说是一个比较大的进步。
正常情况下,UPS输出和另1路市电输出为双电源负载提供两路电源,UPS为单电源负载提供不间断电源;当UPS输出母线故障或需要维护操作时,对于图8所示双电源负载,在UPS切换到旁路后,仍有UPS旁路和另1路市电输出母线供电,避免了单机UPS输出母线为单点故障的隐患的问题,(此时系统的安全性起决于UPS旁路及另1路市电的可靠性);对于单电源负载,在UPS切换到旁路后,可暂时由UPS旁路输出为负载继续供电,直至UPS输出正常。

(2)两台独立UPS双路输出构成双路供电方案
如图10所示,两台UPS双路输出构成双路供电方案,是目前典型的2N应用方案,其每套UPS单机系统都是一套完整的单机运行方式,带来的维护、管理也是独立的。
正常情况下,两台UPS独立输出为双电源负载提供两路电源;即使有1台UPS处于旁路检修状态下,依然能保证1路UPS输出和另1路UPS旁路输出为双电源负载提供两路电源;当其中一台UPS输出母线故障或其他原因需要完全停机维护(含UPS旁路),对于图8所示双电源负载,继续由另一台UPS输出母线供电,避免了单机UPS输出母线为单点故障隐患的问题;对于单电源负载,在UPS切换到旁路后,可通过人工切换下游开关至另1台UPS输出母线为负载继续供电,直至退出运行的UPS恢复正常;或者在每个单电源负载群前端高速静态切换开关STS,由静态开关STS进行电源自动切换,保证电电源负载的双路供电保护。

三 结束语
工业环境用UPS大的特点是满足不同客户的用电环境及负载的情况下,提供定制化的交流不间断电源UPS解决方案。即没有适用于所有场所的方案,也没有不涉及负载和电网情况的解决方案。所有UPS供电方案的设计和选择,核心是满足UPS负载的要求和UPS设备的管理维护。

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