代豪杰 杨勇伟 商九坤

1河南绿色矿山工程有限公司（450002） 2 河南陆创工程设计有限公司（450002）3 河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

20 世纪60 年代末诞生了第一代UPS，这种UPS 基于可控硅整流技术，国际上称之为有变压器的UPS，国内通常称之为工频机。而到了21 世纪初，各大UPS 厂商纷纷推出了基于IGBT 整流技术的UPS，国际上称之为无变压器的UPS，国内通常称之高频机。高频机相对工频机没有内置输出隔离变压器，体积和重量大幅减小，输入功率因数也提高到了0.99 以上，输入谐波一般控制在3%以内。同时，高频机相对工频机在效率上也有了一定的提升，因此高频UPS 顺应着整个时代的发展，绿色环保，被越来越多的客户所接受。

高频机和工频机在内部结构及电路上有所变化，所以不能简单延用工频机UPS 的配电方式给高频机UPS 配电，文章将从UPS 电源输入，输出，旁路设置等角度分析相应的配电方案。

1 UPS 电源输入

1.1 UPS 的分类

UPS 主要有电池后备式和电池在线式，后备式UPS 正常工作的时候，设备直接使用的是市电，同时整流器和电压转换器为蓄电池充电，逆变器处于非工作状态。当市电电压异常或断电时，切换开关会自动切换并连通蓄电池和逆变器，此时蓄电池和逆变器开始工作供电，切换时间一般是几毫秒到十毫秒，对于计算机类设备几乎没有影响，但切换初期的输出波形是方波而不是正弦波，所以对于一些供电质量要求比较高的设备可能会有些影响。在线式UPS 是将市电经过整流器整流后变成直流电，一部分给蓄电池充电，另一部分则直接送到了逆变器并逆变输出交流电，当市电出现问题时，蓄电池会向逆变器提供电力，保证电力的持续输出，不存在转换时间。

1.2 负荷分级及供电要求

根据《供配电设计规范》GB 50052—2009，用电负荷应根据供电可靠性及中断供电所造成的损失或影响的程度，分为一级负荷、二级负荷及三级负荷，其中一级负荷应由两个电源供电，二级负荷的供电系统，宜由两回线路供电，三级负荷可按约定供电，一般为单电源供电[1]。

1.3 双电源自动切换装置的选择

当负荷等级为三级时，UPS 仅有一路电源供电，供电形式简单，因此不再讨论。

当负荷等级为一二级时，UPS 有两路供电，此时UPS 进线端需要配置双电源自动切换装置（ATSE）。

《民用建筑电气设计规范》GB 51348—2019 规定:

1）当采用PC 级自动转换开关电器时，应能耐受回路的预期短路电流，且ATSE 的额定电流不应小于回路计算电流的125%。

2）当采用CB 级ATSE 为消防负荷供电时，所选用的ATSE 应具有短路保护和过负荷报警功能，其保护选择性应与上下级保护电器相配合。

3）宜选用具有检修隔离功能的ATSE, 当ATSE不具备检修隔离功能时，设计时应采取隔离措施。

经查阅ABB 和施耐德等相关双电源切换产品样本技术参数，PC 级的转换时间一般不大于1.5 s，CB 级的转换时间一般不大于3 s。可无论是PC 级还是CB 级的ATSE，其切换时间均远远大于UPS的转换时间，所以UPS 双电源自动切换装置的选择应仅考虑是否需要短路和过载保护即可。

另外，在轨道交通行业铁路信号设计规范中，要求联锁的主副电源切换时间不得大于0.15 s，无论PC 级还是CB 级的ATSE 都不能满足该切换要求，此时通常需使用接触器控制两路电源的切换，接触器的动作时间一般是ms 级的。

1.4 UPS 输入隔离变压器

绝大部分UPS 厂家在产品设计时都要求N 线保持导通才能保证UPS 的正常工作。而根据《民用建筑电气设计规范》GB51348—2019 规定，TN-C-S、TN-S 系统中的电源转换开关，应采用切断相导体和中性导体的四级开关。因此在双电源自动切换的短暂的时间内，N 线会短暂断开，从而使整个UPS失去参考中性点，此时，如果三相UPS 所带负载各项不均衡，会造成零线电位严重漂移，从而引起UPS 报故障并停机。

鉴于此种情况，应在UPS 进线侧既双电源自动切换装置出线侧配置一台隔离变压器，隔离变压器中性点直接接地，产生独立的配电系统，UPS 和终端配电箱的N 线均取自该隔离变压器中性点，从而保证不管是ATSE 切换亦或是旁路维修，均能保证UPS 正常运行，具体如图1 所示。

图1 隔离变电器

综上所述，在给UPS 配电时，应根据需求选择合适的双电源转换装置，并在UPS 之前配置隔离变压器，以免在双电源切换过程中造成零点漂移，从而引起设备宕机。

2 UPS 电源输出

工频机和高频机最大的区别在于高频机输出端没有逆变隔离变压器，而且由于工频机已经诞生几十年，很多用户对高频机产生怀疑，认为高频机没有隔离变压器会导致无法降低零地电压，无法实现故障隔离，抗干扰能力差，无法抑制低频的3n 次谐波等问题，下面就从这4 个方面分别进行阐述:

图2 工频机

1）零地电压。从内部接线来看，无论是工频机还是高频机，其工作的N 线均是与市电零线短接，其本身对降低零地电压均无作用，另外，零地电压是个颇具争议性的问题，人们一直认为夸大零地电压的危害是不科学的。

2）故障隔离。变压器本身具有交流变压、隔离等优点，但无论工频机还是高频机，其旁路都是直通负载的，真正的隔离只能通过整流逆变双变换来实现，而不是变压器。另外，变压器本身就是是产生温升的主要器件，而效率就是UPS 最大的可靠性，变压器不但不能提高可靠性，反而会使可靠性降低。

3）抗干扰能力。UPS 是一种开关电源，需要在输出端加LC 滤波器，以降低输出电压的谐波。高频机在输出端有额外的电感，该电感与输出滤波电容一起，组成LC 滤波器。在实际的隔离变压器中，原边磁通并不能全部耦合到副边，这部分磁通就形成了漏感，大部分工频机均没有输出滤波电感，仅利用隔离变压器的漏感，当作输出滤波器中的感抗，用于滤波。不同的是高频机有独立电感，而工频机是利用了隔离变压器的漏感，两者没有本质区别。

4）抗谐波能力。谐波作为衡量输出电压质量的指标，需要计算2～50 次（100 Hz～2.5 kHz）的谐波，这部分谐波越大，电压谐波总畸变率（THDV）越高，UPS 输出电压质量越差。目前绝大部分工频机的逆变都是用I GBT，开关频率在1～3 kHz，而市电的频率是50 Hz，即开关频率是市电频率的20～60 倍，这种较低的开关频率，会产生大量的低次谐波（50 Hz、100 Hz、150 Hz）。原边为三角形输入的隔离变压器，由于输入没有中性线，三次谐波无法通过，这样就可以降低谐波。而高频机的开关频率普遍在15 K以上，是市电频率的300 倍以上，如此高的开关频率下，输出电压低次谐波含量极低，即使没有隔离变压器，THDV 也可以做得很低。可见，对于开关频率很高的高频机，本身就具备调制低频谐波的能力，不需要隔离变压器也可以实现低THDV。

3 UPS 维修旁路

对于小容量的UPS，生产厂家一般会内置检修旁路，但该维修旁路仅能实现对UPS 内部部分元器件进行隔离，整个UPS 柜仍处于带电状态，对检修人员仍会有一定的人身危险，而且如果UPS 出现较为严重的故障时，无法对其进行不断电换机维修，因此应对UPS 设置专门的外置维修旁路，且该维修旁路开关应与终端配电箱进线开关做机械连锁。

4 结论

随着电路技术和半导体器件的发展和创新，UPS 电路技术经历了由多输出变压器到单输出变压器再到零输出变压器的变化过程，当前的器件和电路技术决定了带输出变压器的工频机和不带输出变压器的高频机的可靠性都达到了很高的水平，而无变压器的高频UPS 在效率、体积、重量、输入功率因数等指标的优势被越来越多的客户接受。

因此在UPS 进行配电时，只有根据不同产品的自身特点进行认真分析，选择合适的配电方案，才能使UPS 成为真正意义上的不间断电源。