UPS不间断电源的选择与配置-

1、水温度的目的。为此锅炉电机转速控制需采用交流调速技术。模糊控制器的输出为交流调速装置的控制电压。六、结束语本文介绍了小型热水锅炉温度模糊控制系统,可用于北方冬季局部供暖的单位或住宅小区小型供暖热水锅炉的温度控制。可使居室温度基本保持稳定,节省能源。用于一台或多台锅炉的温度控制。该系统硬件电路、软件程序简单易于实现。参考文献1 孙茂松 单片机在小型热水锅炉温度控制中的应用J设备管理与维修 2001 (1:21 232 余永权 单片机模糊逻辑控制M 北京:航空航天大学出版社 1996 121 1323 李华等 单片机实用接口技术M 北京:航空航天大学出版社 2000(收稿日期:2001-02-26

2、UPS不间断电源的选择与配置北京机械工程学院 吴其雨一、概 述随着科学技术的不断发展,UPS不间断电源(以下简称UPS电源越来越广泛地应用到我国国民经济的各行各业中。在通讯事业、金融管理、办公自动化、航空航天技术、计算机网络、工业自动化等领域中已成为不可缺少的电源设备。选取一个(一组理想、实用、经济、可靠的UPS 电源已成为用户十分关注的问题。UPS电源本身也是一种涉及到数模电路、数字通讯、电力电子技术、微处理器以及软件编程等多学科的技术密集型的电子产品。因此,UPS电源的选取应从技术性、可靠性、使用寿命和实用性等诸多方面综合考虑。UPS电源按其类型可以分为旋转式(即以油机 电动机 发电机实现

3、电能转换、静态式(由整流 蓄电池 逆变器 电子线路构成。静态式中又分为后备式和在线式,在线式中我们推荐完全在线式。该类产品具有可靠性强、动态性能好、扩展功能强,能适应较宽的市电范围和频率跟踪范围等一系列优点。静态时UPS电源是当今发展应用的主流,本文针对此类产品的选型与配置加以论述。一般讲,一台设计良好的UPS电源应包括以下部分:(1交流输入滤波电路及整流电路;(2蓄电池及充电电路;(3PW M脉宽调制型逆变器;(4各种保护(过流、限流、过压、空载、电池极性等电路及相应指标;(5交流市电供电与UPS逆变器供电之间的自动切换装置及与之相配套的锁相同步电路和静态开关装置;(6逻辑控制电路。利用微处

4、理芯片作UPS电源中关键部件的工作状态的监控控制系统等。图1为在线式UPS 电源工作简图。图1 在线式UPS电源工作简图二、UPS功率和容量的估算和选择1 决定UPS功率和容量的因素(1负载的性质和负载的功率是决定UPS功率和容量的两个重要因素,负载功率越大UPS的容量也越大,这是无可置疑的。而描述负载性质的参数 是负载功率因数。众所周知负载分为线性负载和非线性负载,线性负载是纯阻性负载,而非线性负载包括阻性、感性、容性负载及它们的组合。UPS 的标称功率UPS 的标称功率是指视在功率,其单位kVA,而负载功率一般是指有功功率,其单位为kW 。视在功率等于有功功率与无功功率矢量之和,如图2。

5、图2P s=P +P w(1其中:P s:视在功率 P r:有功功率 P w:无功功率有功功率 P r=P s !cos (2视在功率 P s=P r/cos(3由(3式可见,UPS 电源的标称功率与负载功率成正比,与负载功率因数成反比,显然在负载相同的情况下,功率因数越低UPS 标称功率就越大。UPS 功率因数UPS 功率因数在国际电工委员会标准和国家标准中均规定为0 8,也就是讲,一台200kVA 的UPS 担负0 8功率因数的负载时,其输出最大有功功率为200!0 8=160kVAUPS 实际所带负载大多为计算机,功率因数很低,一般只有0 6而且是容性的,因此一台200kVA 的UPS

6、带这样的负载,它能输出的有功功率,根据(2式计算为:P r=P s !cos =200!0 6=120kW(2非线性负载对UPS 功率和容量的影响当UPS 带线性负载时,逆变器输出电流波形为正弦波,且与输出电压同频、同相,如图3。当UPS 带非线性负载时,逆变器输出电流波形发生畸变,如图3。其输出电流峰值i p-P 非是带等功率线性负载输出电流峰值i p-P 线的28倍,UPS 逆变输出电流有效值I 非是带等功率线性负载输出电流有效值I 线的1 52倍,负载的非线性程度越大,其输出电流峰值i p-P 非越大,输出电流有效值I 非也越大。图3 UPS 输出电流波形图UPS 逆变功率模块结点的热效

7、应与电流有效值的平方成正比,因此当UPS 带非线性负载时,其功率模块结点的发热量为正常等功率线性负载的24倍,如果环境温度较高,UPS 工作时间较长,功率模块会因过热而烧坏。另外,由于i p-P 非是i p-P 线的几倍,当负载较重时,功率模块因峰值电流超过极限而烧坏。因此,为了使UPS 可靠工作,在带非线性负载时,尤其是功率因数较低的非线性负载时,必须大大地降低UPS 的功率利用率。根据UPS 专家的分析和计算结果表明,UPS 最佳功率利用率为3040%(在实际工作中已得到证实。(3负载启动电流对UPS 功率容量的影响如果UPS 后级负载为变压器、电动机等感性负载,当这些负载突然加到UPS

8、上时,励磁电流非常大,一般为正常运行的420倍。如果UPS 后级负载为低功率因数的容性负载,其启动电流将更大。如果把UPS 功率利用率选在60%以上,负载启动时UPS 严重超载而切换到旁路,这种瞬间严重超载的冲击极易损坏UPS 。(4负载的重要性与UPS 功率容量的关系对于特别重要的负载,如卫星发射中心、证券交易中心、石油化工生产、金融、军事和邮电通讯系统,一旦UPS 发生故障,就会造成巨大的经济损失和政治影响。UPS 功率容量应按照下列公式选取:UPS 标称功率(kVA=负载功率/(3040%有些场合还应采用双机热备份工作方式或双机并联冗余工作方式,以确保UPS 供电系统的万无一失(高可靠性

9、。对于一般性重要负载,UPS 功率容量为:UPS 标称功率(kVA=负载功率/(5060% 考虑今后发展的需要,在UPS 功率容量选取时,应留有一定的余量。三、UPS 后备时间及电池型号的选择1 UPS 后备时间的选取目前在UPS 不间断电源中,广泛使用蓄电池作为储存电能的装置,蓄电池需先用直流电源对其充电,将电能转化为化学能而储存起来。当市电供应中断时,UPS 电源将依靠蓄电池中的能量维持逆变器的正常工作。现今在中小型UPS 电源中被广泛使用的是无须维护的封闭式铅酸蓄电池,他的价格很贵(一般占UPS 电源总成本的1/42/5,因此科学合理地选择UPS 的后备时间是很重要的。后备时间长了投资太

10、大,还会影响蓄电池的使用寿命,造成浪费。短了又失去了配置UPS 的意义,造成不必要的事故和经济损失。后备时间的选取原则如下:(1确定UPS 后备时间的主要因素; 本地区的供电情况;供电系统故障排除能力及速度; 本单位的自发电设备情况; 实际负载功率大小; 负载的重要性;如果本地区供电情况良好,供电系统故障排除速度快,有自备发电机,负载不大又不十分重要,UPS 后备时间可选得短一些,反之要选得长一点。在UPS 后备时间确定之前,应对本单位近几年来供电记录,故障及修理记录进行统计分析,一般情况选用2060分钟的电池即可。(2对重要用户,UPS 后备时间不能选得太短如若UPS 后备时间选得太短,会出

11、现以下三个问题:市电尚未恢复,电池已放完造成停电;#如果出现间隔时间很短的连续两次停电,UPS 就无法再维持原来的后备时间,因为第一次停电后电池的能量已放得差不多了,当市电恢复供电后要对电池进行充电,电池充电是需要时间的,一般充电1216小时,可达到额定容量的90%以上。若两次停电间隔只有几个小时,那么第二次停电后UPS 后备时间只有原来后备时间的几分之一电池有效容量与使用年限的关系曲线如图4所示。图4 电池有效容量与使用年限的关系曲线由图4可知,电池在开始使用的头23年内(对10年型电池而言容量在增加,三年以后有效容量逐年减少,有效容量的减少意味着UPS 的后备时间在缩短,如果原设计后备时间

12、为30分钟,到七年以后的后备时间只有原来的80%或更少。因此在选择后备时间时,必须考虑电池几年后的变化,留有一定的余地。%从利用率与经济性综合效果考虑后备时间选择例如,一套160kVA 后备时间30min 的UPS 电源与一套200kVA 后备时间20min 的UPS 电源作如下比较,见表1。表1UPS标称功率后备时间(满负载时电池总容量价格对实际负载的后备时间160kVA 30min 180Ah34节2组131 7万元>40min 200kVA20min180Ah34节2组133 9万元>40min由表1显而易见,除了200kV A 的UPS 比160kV A 的UPS 功率大4

13、0kVA 之外,电池总容量一样,对实际负载的后备时间一样,价格也基本相同。而一台160kVA 与一台200kVA 的UPS 价格只相差2 2万元。如果购买一台160kVA 的UPS 后,发现功率容量不够而再增加一台40kVA 的UPS,就要化几十万元。而现在只要多花23万元就能增加40kVA 功率容量,从总体方案讲是十分合算的。2 蓄电池型号的选择目前,较好的金属密封免维护铅酸蓄电池采用优质钨锑合金极板,自放电率极低,它装有高灵敏低压气阀,不会出现渗漏和鼓胀现象,它采用凝胶电解质,电解质浓度大,酸的浓度低,适合于高温环境下工作,使用寿命长。浮充电流小,无热损耗,内部有过放自我保护装置,电池有效

14、容量在使用的头几年中逐渐上升,几年后电池容量下降缓慢。表2列出德国阳光电池的几种型号。表2 几种型号的德国阳光电池 型号单节电压(V容量范围(Ah使用寿命(年A200125 72005A5001221157A400121218010F4002、6、123040010A7002380143012A6002200300020建议用户选用阳光A200、A500和A400三种。大多数情况下选用A400,因为在相同容量情况下,A400的价格是A200价格的120%左右,而使用寿命增加一倍,从经济上讲是合算的。最便宜的电池是美国&大力神,使用寿命35年,如果费用较紧张,可选大力神电池,但从长远考虑

15、是不合算的。四、UPS 工作方式的选择UPS 按其工作方式可以分为单机、双机并联和双机热备份三种。1 单机工作方式单机工作方式是UPS 电源最长见的和最基本的工作方式,其基本原理如框图5。(1当UPS 正常工作时Q1、Q2、Q3、Q4、K1合,Q2、K2分,UPS 向负载供电。(2当UPS 故障时K1关,K2合,UPS 切换到静态旁路,负载由第二路供电。图5 单机工作方式电原理图2 双机并联工作方式两台UPS 并联的必要条件是同频、同相、等幅,因此必须有一个并联控制器。它主要完成同步、锁相、均流及并联管理功能。UPS 电源并联的目的是为了大大提高供电系统的可靠性,它往往使用于特别重要的场合。如

16、卫星发射中心、金融、石化、钢铁、航空等系统中,这些系统一旦停电会造成巨大的经济损失和政治影响。因此要求供电系统绝对可靠。(1工作原理图单静态旁路开关的并联电原理图见图6。双静态旁路开关的并联电原理图见图7。 图6 UPS 并联(单静态旁路开关工作原理框图图7 UPS并联(双静态旁路开关工作原理框图 (2工作原理当UPS1和UPS2均正常工作时,两台UPS各负担50%的负载;#当UPS1故障时,1K1分,100%的负载加到UPS2上;当UPS2故障时,2K1分,100%的负载加到UPS1上;%当UPS1、UPS2同时故障时,1K1分,2K2分, K2合,市电经静态旁路开关K2对负载供电。(3并联

17、可靠性双机并联UPS系统的可靠性大大提高,在双机并联工作方式中,单静态旁路开关的方式比双静态旁路开关的可靠性更强,其原因是:单静态旁路开关的额定电流是双静态旁路开关的两倍以上,其超载能力强,不易损坏;#单静态旁路开关数量少一个,因此故障出现的频率就少。3 双机热备份工作方式(1双机热备份的电原理方框图如图8。(2工作原理当UPS1和UPS2均工作正常时1Q1、1Q2、1Q3、1Q4、1K1合,1Q5、1K2分,UPS 对图8 UPS双机热备份工作方式电原理负载供电; 机床电器 2001 No. 4 应用 交流 2Q1、 2Q2、 2Q4、 2K1 合, 2Q5、 2K2 分 , UPS 处于备

18、 用供电状态; # 当 UPS1 出现故障时 1K1 关 , 1K2 合, UPS 切换到 静态旁路 , 负载 由 UPS2 供电 ; 当 UPS2 出现故障时 2K1 关 , 2K2 合 , UPS1 的旁路输入由第二路电直 接提供。 % 当 UPS1、 UPS2 同时出现故障时 1K1、 2K1 关 , 1K2、 2K2 合, 负载由第二路供给。 ( UPS1 或 UPS2 不停电检修和修复后不停电投 运 当 UPS 故障, 1K1 关, 2K2 合 , 处于静态旁路, 此 时合 1Q5, 再分 1Q4、 1Q3 后 , UPS1 即与系统分离, 可 以进行检修。 当 UPS 故 障排除后

19、 , 合 1Q1、 1Q2、 1Q3、 1Q4, 分 1Q5, 再按逆变启动按钮 , 即完成 UPS1 不停电投运。 UPS2 的分离及投运与 UPS1 相同。 第一路电停电 , UPS1 由电池对负载供电 , 当 电池电压降到下限时 , UPS1 切换到旁路, 由 UPS2 对 负载 供 电, 如 果第 一 路和 第 二路 电同 时 停电 , 且 UPS1 的电池电压降到下限时, 切换到 UPS2 电池供 电状态。 ( 3 特点 UPS1、 UPS2 两台电源检修、 投运和相 互切换 都不间断。 # UPS 系统 的 后备 时 间 = UPS1 后备 时 间 + UPS2 后备时间。 UPS 系统的可靠性比双机并联方式高 , 因为 双机热备份不需要并联控制。 ( 4 工作方式的选择与应用 对于一般性重要负载 , 选择单机工作方式即 可满足 , 因为这既适用又可节省很多投资。当然如 若单位资金雄厚 , 选用双机并联或双机热备份工作 方式也不妨。 # 企事业的 UPS 电源用户发展了 , 需要增加容 46 量也方便 , 再购买一台与原机容量相同的 UPS 电源 并联起来使用即可。 随着企事业的发展, 重要度更高的部门出现, 电源的可靠性要提高 , 这样可以购置一台能满足重 要部门容量要求的机器与原来的 UPS 电源连接成 双机热备份 , 专供重要部门使用即可。 总之