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摘要：本文主要针对UPS容量选择及配电设计展开了探讨，详细阐述了UPS的基本概念和工作特性等方面，并对UPS容量及输入、输出配电系统的相关计算方法作了系统分析，以期能为有关方面的需要提供参考借鉴。
关键词：UPS；容量选择；设计
0 引言
所谓的UPS（Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply），即不间断电源，是将蓄电池与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。而由于UPS供电设备的工作性质均为重要负荷，影响重大，所以我们必须要做好UPS容量选择及配电设计的工作。基于此，本文就UPS容量选择及配电设计进行了探讨，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。
1 UPS的基本概念和工作特性
1.1 峰值因数的概念
峰值因数是指UPS输出电流的瞬时值峰值与其有效值的比值，用来描述冲击电流的强度，是UPS的一个特性参数。如果供电设备的峰值因数越高，表明设备抗冲击能力越强。
对于某些特殊负载（如小型控制电机等），在起动或工作过程中会产生很强的冲击电流，负载容量瞬间升高数倍（高达6倍）。UPS装机容量在上述基础上还应进一步加大，以防止UPS自保退出，影响负荷工作。
不同负载的主要特性如表1所示。
表1 不同负载的主要特性
逆变器后的等效电容值C出厂已确定，无功功率为
Q=2πfCU2
UPS输出功率因数为cosφ=P/S。所以，UPS安装完毕，其输出功率因数也就确定了。
对于单值输出功率因数UPS，当其所带设备的负载功率因数和输出功率因数匹配时，UPS输出最大容量；当其不匹配时，由于无功电流的影响，UPS实际输出有功功率将减小。
当单值输出功率因数UPS所带设备为线性负载时，其输出有功功率会减少得更多。传统UPS向线性负载的供电原理图如图2所示。
目前，市场上的UPS多为单值输出功率因数UPS。
大多数传统的计算机、通信设备、控制系统等精密设备均采用开关电源作为主电源。根据负载性质的分析，计算机设备的输入功率因数为0.7。因此，多数UPS设计均采用输出功率因数匹配为0.7～0.8的参数，从而最大限度地发挥UPS的带载能力。在功率因数匹配的情况下，即计算机负载的输入功率因数为0.7，而UPS标定的输出功率因数也为0.7时，负载的VA数与UPS的VA数比值为1：1。也就是说，1VA容量的UPS在不考虑冲击、增容等余量因素时可带1VA的此类负载。
需要指出的是，部分UPS厂家宣称UPS输出功率因数为0～1，实际上这是片面的，例如交互式UPS以及带有在线补偿功能的三端口式UPS，当有市电供电时可直接将负载通过变压器供电或通过补偿匹配UPS负载，此时可以匹配其他功率因数的负载；而当市电停电时，UPS失去补偿功能，UPS输出功率因数匹配只能是一个数值，绝大多数厂家将该匹配点选在0.7左右。如果此时所带负载功率因数超出UPS带载能力范围，UPS将过载停机或出现更加严重的故障。因此，UPS在负载选择上需要考虑功率因数匹配的问题。
2 UPS容量选择
计算UPS装机容量时，应根据其自身特性考虑负荷冲击余量、功率因数匹配所需裕量等，同时根据所带负荷的运行要求适当考虑备用余量，其一般为应需装机容量的1.2～1.3倍。对于阻性或感性的负载，应适当增大UPS容量。
3 UPS装置配电容量确定
对于配电系统，UPS装置配电线路的功率因数为UPS自身的输入功率因数，一般为0.80～0.99。在实际工程设计中，配电容量一般根据负荷总容量计算，应考虑UPS的功率因数匹配特性、效率、备用余量等因素。
4 计算实例
某计算机设备安装总容量为10kW，cosφ=0.7，UPS的输入功率因数为0.9，输出功率因数为0.7。按匹配特性，UPS容量为
S=10/0.7=14.286kVA
考虑UPS效率取0.85，备用余量取1.2，则UPS容量为
S=10×1.2/（0.7×0.85）=20.17kVA
UPS输出电流为
I2=S/错误！未找到引用源。U=20.17/1.32×0.38=30.65A
所以，UPS交流输出（380V）断路器电流可选取40A或50A。
UPS输入电流I1=（1.3～1.5）I2，可取
I1=1.35I2=1.35×30.65=41A
因此，UPS交流输入（380V）断路器电流可选取50A或63A。
因UPS所带负载（计算机开关电源是整流型负载）为微感性的负载，其起动电流较大，所以断路器的脱扣曲线应选择D类（10～20倍额定电流脱扣），其极数为四极。如果使用负荷隔离开关或带熔断器的负荷隔离开关，在选取开关和熔断器时，其额定电流也要大于最大输入电流和最大输出电流。为消除共模干扰，UPS内部中性线、相线对地之间都增加了滤波电容，开机时电容的充电电流较大且直通大地，中性线、相线对地都有电流。所以，UPS前级及负载回路均不设剩余电流保护断路器。
断路器的额定运行分断能力需求：一般小型UPS为6kA或10kA，大、中型UPS在30kA以上。
UPS输入、输出导线的选取应考虑设备中3次谐波电流的影响，均采用五芯电缆，其中输入导线选择WL-YJY-4×35+1×16电缆；输出导线选择WL-YJY-4×25+1×16电缆。UPS电源引入端应在UPS配电间内设置专用双电源自投配电箱，其负载侧应单独设置UPS专用配电盘，以方便对UPS及其保护的负载集中、可靠地进行控制。其出线断路器均采用三相四极、单相二极。
5 UPS工作方式
UPS工作方式一般分为后备式、在线式和在线互动式。一般采用UPS配电的设备对供电连续性均有很高的要求。在线式UPS的价格和运行维护费用虽然较高，但仍然是设计主选。
对于重要的负荷，应采用多台UPS主从并联热备份方式。从UPS的输出连接到主UPS的静态旁路开关，正常情况下主UPS承担100%负载，当主UPS故障或市电停电且电池放完时，自动切换到从UPS。该方式供电可靠、系统构成简单、维护方便，缺点是主、从UPS须定期轮换使用，一次投资额较大。
6 UPS电源电池容量的选择
UPS电池容量、放电时间可根据设备的使用需要合理确定。一般业主直接对供货商提出具体参数要求，由供货商配套，且参数均大于相关规范的要求。
7 复值输出功率因数UPS的发展
随着电子技术的发展、环境保护法的逐步推广，非线性的负载将逐步向线性化发展。单值输出功率因数UPS适应负载特性的能力差，用户很难做到负载与UPS的匹配。复值输出功率因数UPS解决这一问题。复值输出功率因数UPS供电原理图如图3所示。
图3中，逆变器作为电流通道，不但通过有功电流也通过无功电流。只要逆变器输入端有足够的无功容量，就可满足有功功率为有效功率的输出要求，能极好地适应负载的变化，匹配负载特性。复值输出功率因数UPS的输出功率因数为0.6～1.0。
图3 复值输出功率因数UPS供电原理图
8 结语
综上所述，UPS作为如今多种行业都需要应用的系统，我们必须要做好UPS容量选择及配电设计的工作，以保障其安全稳定的运行。本文对UPS容量的选择及配电的设计作了详细的探讨，旨在能为类似的工作提供帮助。
参考文献：
[1]邓珺.工业UPS系统的选择与设计[J].现代建筑电气.2015（06）.
[2]王勇、杨蕾蕾.UPS蓄电池容量的选择方法[J].智能建筑电气技术.2014（02）.
论文作者:冯岩
论文发表刊物:《基层建设》2016年8期
论文发表时间:2016/7/15
标签：功率因数论文; 负载论文; 电流论文; 容量论文; 特性论文; 设备论文; 余量论文; 《基层建设》2016年8期论文;