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UPS交流稳压电源与ATS的合作运用经验之谈

数据中心、工厂、医院、轨道交通等用电场所对供电体系的牢靠性要求越来越高,除了在UPS交流稳压电源运用计划和选型上不断改变之外,传统的一路电源供电也逐步转化为两路电源乃至三路电源(比方两路市电一路油机)供电,那么这些电源怎么合理变换才干跟UPS交流稳压电源更好地匹配?本文就针对UPS交流稳压电源与ATS的合作运用问题打开论说,剖析存在的问题,并提出处理计划。

    

1 导言 

  从运用的视点看,UPS交流稳压电源功能的改变经历了三个阶段。榜首阶段是硬件保护,保护负载设备的硬件体系不会由于电力反常或供电俄然中止而损坏;第二阶段是数据保护,当市电中止时,保护负载设备的数据资料不会由于俄然停电而损毁或丢掉;第三阶段是体系可用性保护,在市电正常、反常,乃至中止状况下,都要确保后边的要害负载有高品质的电力供应。这三个阶段的改变都是随着社会发展和技术进步,人们对出产体系的需求不断提高而促进的。榜首阶段凸显在UPS交流稳压电源诞生不久的上世纪七、八十年代,第二阶段盛行于上世纪九十年代中期,第三阶段从上世纪九十年代后期开端变得越来越重要,直至今日体系可用性依然是数据中心、工厂、医院、轨道交通等用电场所对UPS交流稳压电源供电体系要求的最重要目标之一。  

  为了提高体系可用性,人们提出并实行了多种改进计划,比方在UPS交流稳压电源组合计划方面由单机到串联热备份,再到并联冗余、双总线、分布式冗余等等;在UPS交流稳压电源选型方面,由塔式一体机到各部分可热插拔更换的模块机;在配套的外围设备方面,选配更高功能的蓄电池,添加愈加智能和人性化的监控办理体系,引进多路电源并装备ATS(Automatic Transfer Switching E quipment自动变换开关)等等。其间UPS交流稳压电源跟ATS设备的合作运用现在比较遍及,而且也呈现过不少问题,本文首要针对这一运用进行论说。

  

  2 UPS交流稳压电源与ATS合作运用的计划及剖析  

  根据《供配电体系规划规范》(GB50052-2009)规则,契合下列状况之一时,应视为一级负荷:  

  ①中止供电将构成人身损伤时;  

  ②中止供电将在经济上构成重大损失时;  

  ③中止供电将影响重要用电单位的正常作业时[1]。  

  一级负荷应由两层电源供电,当一电源发作毛病时,另一电源不应一同受到损坏[2]。  

  所以数据中心、轨道交通、工厂、医院等一些重要的用电场所通常都具有一路市电和一路油机或许两路市电和一路油机供电,这时就呈现了UPS交流稳压电源与ATS合作运用的状况。 

  现在UPS交流稳压电源与ATS合作运用的计划(或许说是UPS交流稳压电源接入两路输入电源的计划)首要包含三大类:

  

  (1)不选用外置的ATS  

      图1中两路电源一路接UPS交流稳压电源的主输入,另一路接UPS交流稳压电源的旁路输入,这种计划在市场上的运用还比较多,但有逐步削减的趋势。它的实质是将UPS交流稳压电源内部的静态开关作为外部的ATS运用,长处是节省了ATS本钱,但缺陷也十分显着。若主输入电源中止时,UPS交流稳压电源就只能转电池作业,此刻即便另一路电源正常也不能运用,只要当电池放完或许反常时才干转到另一路电源供电,但此刻是走的UPS交流稳压电源旁路,没有通过UPS交流稳压电源的整流和逆变处理,若输入电源反常可能会导致负载不能正常作业乃至中止。若旁路输入电源中止,UPS交流稳压电源将作业在没有旁路的告警状况下,一旦UPS交流稳压电源本身呈现反常可能会直接导致负载中止。一同,还必须考虑两路电源的零线处理问题,处理欠好可能会导致UPS交流稳压电源或负载莫名其妙地呈现告警或毛病。总归这种计划没有充分发挥两路电源的效用,而且改变了UPS交流稳压电源设备本身的规划初衷,不主张运用。

 UPS交流稳压电源与ATS的合作运用经验之谈    

  图2中两路电源别离进入UPS交流稳压电源双总线供电体系的一条总线,互相没有关联。这种计划尽管不存在零线处理和改变UPS交流稳压电源规划初衷的问题,但也仅限于运用在后端没有通过STS(Static Transfer Switch静态变换开关)供电的单电源设备状况下,而且当任一路输入电源中止时,体系都将运转于单总线供电状况,使体系作业牢靠性大受影响,除非电池装备的满意多。

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  (2)选用单一的ATS

  

  该计划是指将两路电源经ATS变换成一路供应后边的UPS交流稳压电源设备或许体系(如图3所示)。关于UPS交流稳压电源单机或许并机体系来说该计划是合理的,也比较常用,关于双总线体系来说该计划就显得比较单薄,存在ATS单点毛病风险,此刻最好选用ATS组合计划。

   

  (3)选用ATS组合  

     选用ATS组合的计划有多种,不同的组合计划终究的作业牢靠性和本钱可能会有很大的差异。图4是传统的ATS组合UPS交流稳压电源双总线接线示意图,图中有三路电源输入,通过两个ATS组合转化成一路供应UPS交流稳压电源体系,由于后边有通过STS供电的单电源负载,所以在两条总线的UPS交流稳压电源之间加装了LBS(Load Bus Synchronizer负载同步操控器)。开始看来这个计划是比较合理的,但跟图5比较就会发现其显着的缺乏,最首要的就是图4具有太多的单点毛病点和相依性,作业牢靠性显着不如图5。图5添加了ATS3和输入配电柜2,并将会集STS设备更改为涣散的机架式ATS,根据机架式ATS的特性取消了LBS操控器,然后成为一套彻底阻隔的双总线体系,一条总线跟另一条总线彼此冗余,而且彻底阻隔,作业牢靠性得到了极大的提高。在本钱出资上,图5中的设备量尽管添加了,但添加的设备相对比较廉价,与取消的会集式STS设备和LBS设备比较,整体本钱未必会有添加。

      UPS交流稳压电源与ATS的合作运用经验之谈

  3 ATS的类型选用及差异剖析

    在上述的UPS交流稳压电源与ATS合作运用的计划中,其实还存在一个问题,那就是ATS类型的选用,首要是指3极ATS和4极ATS的选用问题。具体来分4极ATS的变换又包含三种:

  ①零线与相线一同断开和一同导通型;

  ②零线比相线后断开,比相线先导通型;

  ③零线先通后断,一直不中止型。

  关于3极ATS来说,零线一直是接牢的,不会断开,选用这类ATS只需处理好两路电源的零线衔接问题即可,不能强制短接,也不能构成不规范的多点接地。 

  零线与相线一同断开和一同导通型的4极ATS不存在将两路电源的零线直接短接问题,但会存在零线中止的现象,乃至在变换过程中呈现零线电压扰动,将问题甩给后边的UPS交流稳压电源和负载。一同也很难确保四路触点彻底同步,如果零线在相线之前断开,可能会在零线上发生瞬变高压和电弧,腐蚀触点。

 零线比相线后断开,先导通型的4极ATS不存在零线触点拉弧现象,但仍存在零线闪断,乃至零线扰动的状况。

    零线先通后断型的ATS需求处理好两路电源的零线间不要存在压差,在接通瞬间不会发生电流即可。  

  从上面的比较能够看出,各类型ATS的差异就在于零线要不要一同变换,怎么变换!关于3P3W+PE不需求接零线的UPS交流稳压电源体系天然没有影响,但关于3P4W+PE,需求采纳TN-S接线体系的UPS交流稳压电源体系来说,这个问题就十分要害,有的用户没有处理好这一点就发作了问题。

UPS交流稳压电源与ATS的合作运用经验之谈  

  (1)零线在UPS交流稳压电源设备中的效果及断开后的风险


 在UPS交流稳压电源设备内部,零线的效果会随UPS交流稳压电源的结构不同而有所差异。

    

    图6是工频UPS交流稳压电源的架构示意图,从中能够看出,零线只是在旁路和输出变压器的次级才会有,在整个UPS交流稳压电源的内部主线路中都不会用到零线,输入输出的零线是直通的。这是由于工频UPS交流稳压电源的整流器用的是三相SCR天然换相整流,即相控整流,不需求零线,整流后的直流母排电压只要一组,也没有中心抽头,逆变器是全桥逆变,依然不需求零线。在UPS交流稳压电源旁路和输出变压器的次级引进零线的效果就是为了给后边的负载供给作业零线,不然单相负载将无法作业。

   

  其实在工频UPS交流稳压电源内部仍是有用到零线的当地的,那就是辅佐电源的取电及逻辑电路的基准点。UPS交流稳压电源通常是取自单相电源(L和N),经变换后构成辅佐电源供给应整流、逆变、静态开关的操控电路,以及DSP(或许CPU)、电扇等用电。一同UPS交流稳压电源的逻辑电路也是以零线电位为参阅点的,以确保检测电路的准确无误。

  

  图7是一种高频UPS交流稳压电源的架构示意图,从中能够看出,高频UPS交流稳压电源中零线的用处会比工频UPS交流稳压电源多许多。这是由于高频UPS交流稳压电源的整流器多是选用IGBT整流,而且加装PFC电路,该作业方式是将输入交流电源的正半周和负半周别离处理,所以会用到零线。整流后的直流母排电压也是有正负两组,在零线和正负极之间别离跨接直流电容,作为滤波和续流之用。高频UPS交流稳压电源的逆变器选用的是半桥逆变器,将正负两组直流电压别离逆变成交流输出的正负半周。高频UPS交流稳压电源内部早年到后一直离不开零线,但输入输出间的零线也只是通过了高频滤波器的电感线圈后直通的。

   

  关于三相电源来讲,零线中止将使电压重新分配,如图8所示,如果三相电源中每两相之间的电压是380V,单相负载1和负载2别离接在三相电源的单相上,正常状况下如图8(a),每路负载的输入电压都是交流220V,互不影响,负载能够正常作业。如果零线中止,将会构成图8(b)的状况,380V的交流电压一同加在负载1和负载2上,负载1和负载2别离分管的电压是: 

UPS交流稳压电源与ATS的合作运用经验之谈  

  此刻如果负载1和负载2的阻抗持平,则每路负载分管的电压是:380V/2=190V。

  

  如果负载1的阻抗是5Ω,负载2的阻抗是1Ω,那么负载1上分得的电压将是317V,负载2上分得的电压将是63V,二者都不能正常作业,乃至还有可能会焚毁!

    在UPS交流稳压电源供电体系中,UPS交流稳压电源是下流负载的电源,也是上游电源的负载,当上游电源体系的零线中止时,UPS交流稳压电源相同面对380V电压重新分配的问题,尽管不像UPS交流稳压电源后边的负载那样可能存在严峻的三相不平衡,但也会对UPS交流稳压电源发生必定的影响,究竟上游的电源不会像UPS交流稳压电源输出的电源那样稳定和规范。 

  输入电源的零线中止或扰动会直接威胁到UPS交流稳压电源的EMI电路中X电容和MOV,使其失去成效乃至迸裂,一同也可能会影响到UPS交流稳压电源整流、逆变、PFC等电路的操控反常,以及逻辑电路的基准点违背,然后发生误侦测、误告警。  

  输入电源的零线中止或扰动也会对UPS交流稳压电源后边的负载发生影响,由于不论是传统的工频机仍是高频机,输入输出零线都是相通的,UPS交流稳压电源和这以后边的负载都是以上游电源的零线作为参阅基准点。当输入电源的零线中止或扰动时UPS交流稳压电源能够转电池作业,持续给后边的负载供电,但此刻的零地电压可能会很高或许发生动摇,有些负载对零地电压很灵敏,可能会由于参阅基准点的违背而告警、误动作、不能正常作业,乃至焚毁,这些结果的发生都是由上游的电源零线反常导致的,不是UPS交流稳压电源量力而行改进的!

  

  (2)对ATS类型选用的主张  

  IEC62040-1-2和GB7260.4中有清晰阐明:UPS交流稳压电源的输出中性线依赖于输入电源或供电体系的中性线时,如果电源的外部阻隔/变换等会引起风险,则装置阐明书中应给出满意信息,防止该中性线缺失[3]。  

  CEMEP(欧洲电机和电力电子制造商委员会)European UPS交流稳压电源 Guide也清晰提出:许多UPS交流稳压电源体系选用输入电源的中性线作为UPS交流稳压电源输出中性线的基准,当对UPS交流稳压电源上游电源选用多电源阻隔或变换时,应特别留意要确保输入电源中性线基准在UPS交流稳压电源运转期间不会断开[4]。 

  由上述两条可知,UPS交流稳压电源输出零线依赖于输入电源或供电体系的零线是有规范根据的,而且市面上常用的UPS交流稳压电源也都是这样规划的。一同这类UPS交流稳压电源对其上游所选用的ATS的要求也是十分清晰,那就是零线不能中止!能满意这种要求的ATS类型只要两种:3极ATS和零线先通后断、一直不会中止的4极ATS。  

  关于少量3P3W+PE不需求接零线的UPS交流稳压电源来说,选用3极ATS天然也能够满意。

  

  4 UPS交流稳压电源与ATS合作运用的主张计划  

  由前面的《2.UPS交流稳压电源与ATS合作运用的计划及剖析》可知,在UPS交流稳压电源与ATS合作运用的计划上,单机或并机体系合适选用单一ATS计划(如图3所示)。该计划结构简略,本钱较低,装备和保护比较方便,牢靠性也能满意要求,如果ATS毛病能够人为打到旁路或许让UPS交流稳压电源运转于电池状况下进行保护。  

  关于双总线或许更杂乱的UPS交流稳压电源供电体系主张选用ATS组合计划(如图5所示)。由于杂乱的供电体系预示着更高的作业牢靠性要求和更多的本钱投入,添加一台ATS能够消除体系单点毛病点然后提高整个体系的牢靠性是十分值得的!(留意:ATS是不能直接并联的,不然切换不同步时会导致两路电源直接短路!)  

  针对上述两种计划的ATS选型,必定要挑选3极ATS或许零线先通后断的4极ATS。这两种ATS的零线都是能够直接相衔接的,一个是一直连在一同,一个是用届时连在一同,但是在衔接之前必定要发明可衔接的条件,衔接时不能有零线环流发生。具体办法能够有两种。

 

    榜首种办法是净化零线体系。首要从下面几个方面下手  

  ①确保上游变压器到ATS端的两条零线都是给UPS交流稳压电源体系专用的,没有另外接不平衡负载或许易发生3次谐波的设备; 

  ②变压器到ATS的两条零线线径够粗,接地电阻满意小; 

  ③ATS后边的零线不做重复接地。  

  确保了这几点在ATS端测量到两路电源的零地电压通常会接近于零,尤其是ATS离上游两台变压器比较近的状况下,这样在ATS前端的两条零线能够随时衔接到一同。这种办法既适用于3极ATS也适用于零线先通后断的4极ATS。  

  第二种办法是加装阻隔变压器。 

  如果榜首种办法无法满意,就需求加装离变压器来完成。关于3极ATS来说,能够在接近ATS端给其间一路输入电源加装阻隔变压器,并将阻隔变压器二次侧的零线跟另一路输入电源的零线接到一同,这样就处理了两路输入电源的零线短接问题(如图9所示,灰色线为N线)。关于零线先通后断的4极ATS来说,需求在接近ATS端给两路输入电源别离加装阻隔变压器,并将阻隔变压器二次侧的零线独立接地,然后满意榜首种办法的条件(如图10所示,灰色线为N线)。

UPS交流稳压电源与ATS的合作运用经验之谈

  5 总结

  体系作业可用性是当今UPS交流稳压电源供电体系追寻的重要目标之一,为此许多单位都具备了两路电源乃至三路电源,怎么把这些输入电源跟UPS交流稳压电源供电体系很好地结合起来,首要就体现在UPS交流稳压电源与ATS合作运用的计划上面,处理欠好就会呈现这样或许那样的问题。单机或并机体系合适选用单一ATS计划,关于双总线或许更杂乱的供电体系合适选用ATS组合计划,但是对应的ATS类型怎么选用,零线怎么处理也都是关系到计划胜败的要害!

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