摘要
一秒鐘不斷電系統合作開發與實際應用
早在2010初南科廠務提出一項構想，並與不斷電系統（以下稱UPS ; Uninterruptible Power Supply ）製造商研發團隊合作，在不改變機台之既有電力供應方式與保養時間的前提下，能有一套電壓調適設備，對無UPS保護之機台，提供短時間抗瞬降(升)保護；以免電池、免保養、非在線模式 (Off-line Mode)、體積小、易安裝以及容量剛好…等六大核心概念，由構想出發到一步一步完成研發並實際安裝應用於先進製程廠區的一秒鐘不斷電系統 (以下簡稱”1秒鐘UPS”)，說明整個專案執行過程。
前言
本文主要針對廠區內需使用UPS的機台附屬設備供電系統進行改良，在維持電力架構及減少使用空間的前提下，避免短暫壓降時造成機台損失; 目前已完成小容量(15KVA或7.5KVA) 的獨立1秒鐘UPS供電設備。將此產品開發/評估之始末，到產品發表成果，並將實際應用在先進製程廠區的實際經驗，提出供各位先進參考。
文獻回顧
先進製程廠區每年對於機台的不斷電系統都需要編列龐大的電池更換與維修預算，於是構想如何製造出不需使用電池與免保養，並能夠具備抗壓降功能的獨立且可抗壓降之UPS，期待可以逐步減少機台傳統式UPS的裝置量，逐年降低維修成本及更換電池的預算，達到省電及減廢的目的。 圖一為2010年的構想圖。
圖一、機台UPS 電力配置準則及建議方案
於是我們著手針對南科電壓驟降及品質進行監測，統計結果[1]如 圖二所示，監測期間自2004年01月01日至2010年12月31日止，95%壓降時間皆落在0.01~1.0秒之間。意味著在這種環境上使用之UPS保護機台不受壓降影響，只要能滿足1秒鐘放電時間即可。也因為電池潛在有老化、電池燃燒，維修時間較長等問題，評估採用十年期電容取代電池，並規劃設計容量為7~15kVA供廠區製程機台之附屬設備使用。當備用儲能元件改為電容後，可減少體積並可安裝在機櫃內或牆壁上，以提高生產設備區之空間利用率，同時亦要求效率提升，減少耗能，以期望降低營運成本。
圖二、南科電壓驟降及品質監測統計結果
與傳統UPS相比，放電時間規格以30分鐘或20分鐘為主，逐漸縮短為15分鐘或7分鐘，甚至要求低於5分鐘。針對要縮短放電時間原因分析，可歸納為：電池費用逐年增加、電力品質已有所改善。因此針對電力品質較好的廠區而言，設計可承受輸入電壓瞬斷1秒，且不影響負載運作之UPS系統，勢必會成為市場接受與期待的產品。
在2012年6月份，邀請UPS廠家研發技術團隊瞭解到這個需求後，評估市場上同類型產品，在市場規模、價格、銷售通路與未來應用趨勢等狀況分析，順利啟動專案，並將容量制定為7KVA/6KW & 15kVA/12kW，滿載放電時間為1秒鐘為UPS設計目標。
1秒鐘UPS專案啟始會議於2012年7月26日舉行，廠家之產品開發標準要求涵蓋EMI & EMC、品質、震動試驗及驗證執行標準等，逐一進行討論。同時要求產品符合牆掛安裝、輸出入配線簡易等要求。承蒙各廠區提供寶貴意見，由UPS專案開發團隊逐步彙整設計及修改完成，也由於良性互動與腦力激盪，讓1秒鐘UPS開發順利、成功。
計畫方法
首先1秒鐘UPS產品開發其實並非是無中生有的，而是UPS廠家根據既有20KVA三相機系列UPS修改而來的，此型UPS已實際運用在公司內攝影機系統及資料電腦機櫃多年，是相當成熟的產品。然而為避免需要電池更換產生的維護費用，本專案採用10年以上期望壽命的電容，以期降低電容更換頻率；使用上也能降低檢測困難且縮短維修時間，也讓1秒鐘UPS不僅可有效保護負載設備不受市電瞬斷的危害，同時還可降低長期運轉成本以及設備維修時間。在當前的環境下，先進廠房空間使用是寸土寸金、錙銖必較的，因此本產品還要求符合可採壁掛、直立或機架等多種安裝方式，以節省佔地空間、提升空間利用率。
本專案主要核心功能如下：
- 免電池 : 無電池設計，儲能電容可滿足1秒滿載放電。
- 免保養: 無風扇，免保養。(溫度異常告警方式設計)
- 非在線模式: 平常運轉旁路模式，電力有問題才轉成放電模式。
- 體積小 : 外觀尺寸為傳統UPS 的10%。
- 易安裝 : 壁掛/直立/機櫃式設計。
- 符合剛好的運轉容量。
- 電容壽命大於10年。
1秒鐘UPS主要設計，只需低度簡單維護保養，如需異常維修時，內部具有完整維護旁路可線上維修，另設計外部旁路開關選項，可在UPS異常時整機完全脫離，拉出檢查或更換，電容器下方設計托盤可防止電容液體漏出，減少設備異常危險。
1秒鐘UPS產品規格
1秒鐘UPS主要採用3相3線208V設計，其容量為15kVA/ 12kW，由電容放電模式轉換到正常模式，或由正常模式轉至電容放電模式時，其雙向轉換時間皆小於4ms；電容放電完畢後，只須60秒回充時間即可回復100%儲存電量，可滿足短時間連續壓降發生。正常使用溫度為0~40℃，外觀尺寸為800mm(H)×560mm(W)× 172mm(D)，體積小，適合壁掛與放置於機櫃內，產品設計目標如 表一。
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Block |
Item |
Specification |
|---|---|---|
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Input |
Wiring |
208V, 3Ø3W with PE |
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Voltage |
208V ± 10% |
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Frequency |
60Hz ± 4Hz |
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Output |
Capacity |
15KVA/12KW & 7.5KVA/ 6KW |
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Efficiency |
>98% (load >50%) |
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Transfer time |
< 4ms |
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Frequency range |
±0.1% at backup mode |
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THDV |
<5% at linear load |
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Overload |
Alarm if load is in excess of ratings |
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Charger capability |
Charge time |
60S, after 1S full rated power discharge |
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Discharge time |
1S at rated load |
1秒鐘UPS產品特色
1秒鐘UPS與傳統UPS比較效益分析，可二個層面做比較：
- 購置成本：1秒鐘UPS產品因使用十年期高壽命電容關係，市售與一般型15kVA UPS價格相當。
- 在使用空間：由於1秒鐘UPS產品設計可採壁掛、直立及機架方式固定與安裝，除安裝地點非常具彈性外，另亦可增加空間利用率，以利於安排生產設施或加裝其他設備與裝置。
綜合上述分析與比較如 圖三發現，以十年使用費用合計後，1秒鐘UPS每kVA營運費用為傳統UPS每kVA營運費用之1/3，故選擇長期使用1秒鐘UPS，在整體營運成本相對比較低廉的。不過目前此1秒UPS之運用只限於小容量的獨立機台抗壓降使用，對於大型且以多機台共用的匯流排形式供應的UPS電力，則無法適用。
圖三
1秒鐘UPS設備結構與單線圖
1秒鐘UPS結構簡圖如 圖四，包含輸入開關(Input Breaker)、充電器組(SPS & Charger)、逆變器(Inverter)、電容組與電驛轉換開關(NC Line relay)及維修旁路開關(Maintenance switch)所組成，充電器主要功能提供電容充電，以期電容能儲存足夠能量，當市電中斷時，能經由逆變器(Inverter) 提供穩定之交流電力供應負載緊急使用。
圖四、1秒鐘UPS 產品設備簡圖
電驛轉換開關(NC Line relay & NO INV Relay)動作原理，當UPS有任何元件故障或異常，如充電器(Charger)、逆變器 (Inverter)或電容組故障時，電驛轉換開關動作(NC Line relay閉合& NO INV Relay打開)，將轉由旁路運作，此段轉換時間皆小於4ms以下，故不會造成負載端停電或跳脫。
當維護人員抵達維修時，僅需將維修旁路開關(Maintenance switch)開啟，負載端電力即由旁路開關供應，人員可在無電狀況下安全的進行維修作業。
圖五為正常UPS開啟模式，經由Bypass relay（旁路電驛）提供負載電力（藍色指示）示意圖； 圖六為當市電斷電時或異常時，電容器放電模式狀態（藍色指示）示意圖。
圖五、 正常模式
圖六、電容放電模式
當電容放電模式狀態終止，則電力轉由正常供電示，將回到 圖五架構。 圖七為當UPS故障或零件異常時，可開啟維修旁路開關(Maintenance switch)，此時負載電力全由市電供電 (藍色指示)。
圖七、維修旁路模式
另外輸入、輸出及外部維修旁路開關為現場安裝時要求之配電盤設施，主要目的是便於架設與隔離，當UPS故障或異常，需進行維修作業時，可將外部旁路(Maintenance NFB，選配)開啟，將整機脫離以方便更換整組設備，如 圖八架構（藍色指示）。
圖八、外部旁路模式（選配）
1秒鐘UPS產品驗證－切換測試
為降低使用風險與衝擊，與提高UPS可靠度與穩定度，在產品驗證上UPS廠商設計及制定設計確認測試(DVT; Design Verification Test)，主要內容分別為硬體測試、系統測試、軟體測試、機構測試、法規標準測試等項目。驗證規格依據各個項目要求，分別驗證。各項驗證內容結果皆符合規格要求，並提供UPS驗證報告給予我們核對。
驗證市電輸入諧波失真，切換時間須於4ms內，驗證結果如 表二所示，不論系統由電容放電模式轉正常模式或切換到電容放電模式，亦或是電容放電模式切換到正常模式，不論滿載或輕載任何狀態下轉換皆能符合小於4ms要求。
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項目 |
說明 |
測試結果 |
|---|---|---|
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1 |
模擬市電輸入異常或斷電下切換測試 市電R/S/T相電壓降時，紀錄由正常模式切換到電容放電模式的時間 |
3ms < 4ms |
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2 |
在1秒鐘的基礎上快速恢復市電R/S/T相電壓，紀錄由電容放電模式切換到正常模式的時間 |
3.3ms < 4ms |
1秒鐘UPS切換測試
模擬市電輸入異常或斷電下切換測試驗證波形如 圖九，輸入斷電時轉入電容放電模式使用，當市電恢復後83.5ms自動回復至正常模式，其轉換期間時間，如 圖十、圖十一所示，都小於4ms。
圖九、模擬市電輸入異常或斷電下切換測試
圖十、由正常模式切換到電容放電模式轉換時間約為3ms < 4ms
圖十一、由電容放電模式切換到正常轉換時間約為3.3ms < 4ms
經過多種驗證及測試結果，1秒鐘UPS產品通過交付標的之標準，主要在放電時間部分滿載時>1sec以及整機效率>99%，且任何行為之轉換時間小於4ms，依據規格書與期望值，符合我們的需求。
實際應用
根據統計，南科2015已發生8次大於10%壓降之記錄，如 圖十二，其中已有2件B類及2件C類的異常壓降記錄。尤其在1月23日下午1點發生南科161KV架空線連接站接地事故，4秒內連續發生兩次C類的電壓深度驟降（時間80ms，驟降-61.8%；時間70ms，驟降-99.5%），造成多處使用市電機台受到影響，此次影響最為嚴重的是廠內V型機台的“輔助設備”。
圖十二、2015 年1 月至8 月南科電壓驟降品質監測統計
裝設實例應用與探討
圖十三在機台電源盤(AC Box)與V機台輔助設備之供電路徑上裝設1秒UPS，對於機台改善方式影響最小，且於每一台輔助設備提供一台容量7.5kVA 1秒鐘UPS，利用於設備保養時間安裝，在保養完成後即可立即復歸並改善完成。如此可節省停機時間且不影響產線。目前廠內加裝之1秒鐘UPS皆可安裝於輔助設備旁邊。
圖十三、V 機台每組4 台1 秒鐘UPS 皆可安置相鄰於輔助設備旁邊
實機驗收測試
1秒鐘UPS功能在於承受瞬間壓降，因此在設計時應考量瞬間的不斷電的電力銜接以及能夠承受壓降的次數，以不至於使波形失真；另外避免於連續壓降造成供電不足而需要在短時間內復歸。因此使用的狀態著重於波形不斷電的能力及放電能力與復歸能力。
在切換功能上，正常模式切至電容放電模式之內部切換，依據UL 1778不斷電系統標準轉換時間需要有小於4mS時間的切換能力。 圖十四所示，上方波形為縮小後的觸發波形圖，在中間模擬觸發壓降發生時的狀況，於下方波形為放大後的波形轉換狀態，得知瞬間平常模式切至電容放電模式切換僅需2.32mS，符合切換標準，對於下游負載可獲得良好的不斷電供電品質。
圖十四、平常模式切至電容放電模式之切換波形
壓降所承受的時間通常會在幾十毫秒(mS)以內，1秒鐘UPS須持續提供的時間要至少大於壓降時間以上，才能使下游不受負載影響。如圖十五所示，連續放電三次的滿載測試波形，需考量UPS本體快速充放能力，於短時間內能應付市電不穩定時出現的下一次壓降；測試條件為放電小於1秒，充電60秒的方式連續作動三次，其嚴苛條件仍能符合需求。（因1秒鐘UPS在放電模式下，僅由電容提供能量，因此只要求在60秒內將電容充飽即可。）
圖十五、連續充放電三次的滿載測試波形
目前南科先進製程廠區安裝1秒鐘UPS提供V型機台輔助設備電源數量約近數百台，已在2015年1月23日以後之6次台電壓降驗證，並未再有V型機台輔助設備發生無法運作的問題，顯示小容量1秒鐘UPS可大幅降低V型機台的壓降停機風險。
結論
以目前廠內整體的不斷電系統來看，1秒鐘UPS具備體積小且維修容易的優點，看起來像是簡易型的綠色UPS，可任意安裝在現場各處無法承受短暫壓降設備周邊，對於廠內UPS後期修改是最適合的一種解決方案。
雖說1秒鐘UPS是為機台需求而開發，但由於在這段時間我們所提供許多寶貴建議，讓這款UPS更臻符合先進廠區的需求。我們期望1秒UPS的推出，能提供各廠區更多樣的選擇與使用。
參考文獻
- 李昇修，UPS (Uninterruptible Power System) Application in Semi-conduction Fab., 2010/11/23. http://iacc.kuas.edu.tw/uploadfiles/ckfinder/files/1301302077294635179. pdf
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