先進(jìn)的工作模式 ? 雙變換在線式設(shè)計(jì)，使UPS的輸出為頻率跟蹤、鎖相穩(wěn)壓、濾除雜訊、不受電網(wǎng)波動(dòng)干擾的純凈正弦波電源，為負(fù)載提供更全面保護(hù)。 ? 輸出零轉(zhuǎn)換時(shí)間，滿足精密設(shè)備對(duì)電源的高標(biāo)準(zhǔn)要求。 ? 采用輸入功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)，輸入功因高達(dá)0.99，提高電能利用率，極大消除UPS對(duì)市電電網(wǎng)的諧波污染，降低UPS運(yùn)行成本。 ■ DSP全數(shù)字化控制 ? 采用數(shù)字化控制，各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)異，避免模擬器件失效帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，使控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。 ■ 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式（ECO）功能 ? 當(dāng)輸入市電在固定范圍內(nèi)時(shí)，直接由輸入市電向負(fù)載提供能量，逆變處于等待狀態(tài)；當(dāng)輸入市電異常時(shí)，立即轉(zhuǎn)為逆變供電。ECO運(yùn)行模式可高效節(jié)能，降低用戶使用成本。
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■ 電池組功能設(shè)計(jì) ?通過(guò)創(chuàng)新性的電池組功能設(shè)計(jì)，無(wú)論是標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型還是長(zhǎng)延時(shí)機(jī)型，在滿足同樣后備時(shí)間條件下，均比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案更節(jié)約電池用量。電池充電電流可以設(shè)置，極大的方便了不同容量的電池配置。 ■ 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng) ? 寬廣的電壓范圍，避免電網(wǎng)電壓變化大時(shí)頻繁地切換，適應(yīng)于電力環(huán)境惡劣的地區(qū)。 ? 寬輸入頻率范圍，保證接入各種燃油發(fā)電機(jī)均可穩(wěn)定工作，滿足用戶對(duì)油機(jī)使用的要求。 ■ 可靠的保護(hù)功能 ? 具有開機(jī)自診斷功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)UPS的隱性故障，防患于未然。 ? 具有輸入過(guò)欠壓保護(hù)，輸出過(guò)流、過(guò)載、短路保護(hù)，PFC及逆變器過(guò)熱保護(hù)，電池過(guò)充及欠壓預(yù)警保護(hù)等多種保護(hù)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。 ? 具有自動(dòng)旁路功能，當(dāng)輸出過(guò)載或故障時(shí)，可無(wú)間斷地轉(zhuǎn)到旁路工作狀態(tài)由市電繼續(xù)向負(fù)載供電。 ? 具有直流啟動(dòng)功能，可在無(wú)市電的狀態(tài)下直接啟動(dòng)UPS，滿足用戶的應(yīng)急需求。 ■ 豐富選件，智能管理 ? 中文LCD液晶界面可顯示負(fù)載量、電池容量、輸入輸出參數(shù)及故障代碼，方便用戶運(yùn)維管理。 ? RS232本地監(jiān)控。UPS標(biāo)配RS232接口，通過(guò)附送的監(jiān)控軟件，可以方便地進(jìn)行本地監(jiān)控。 ? 光耦干結(jié)點(diǎn)。通過(guò)DB9干接點(diǎn)接口可以將UPS的主要的異常信息通過(guò)干接點(diǎn)引出，干接點(diǎn)信號(hào)通過(guò)光耦隔離，用戶可以方便地利用這些信號(hào)控制一些強(qiáng)、弱電設(shè)備。 ? SNMP卡/集中監(jiān)控卡（選配件）。通過(guò)選配SNMP卡可以將UPS接入以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。集中監(jiān)控卡可實(shí)現(xiàn)多機(jī)同時(shí)監(jiān)控，記錄各機(jī)發(fā)生的事件及告警。SNMP卡/集中監(jiān)控卡為金手指板卡結(jié)構(gòu)，用戶可以分期，需要時(shí)再購(gòu)買。 ? 并機(jī)接口模塊（選配件）。通過(guò)選配并機(jī)接口模塊可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)器并聯(lián)供電。?8?5 告警繼電器卡（選配件）。多達(dá)6路的大容量繼電器隔離告警信息輸出，方便用戶接入動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。 ■ 可拆卸的維修旁路模塊 ?10KVA UPS故障需維修時(shí)可在線取出維修旁路模塊，同時(shí)輸出負(fù)載維持不斷電。顯著提升了系統(tǒng)的可用性。
1.2.4 蓄電池最低環(huán)境溫度 t
式(1)中的( t -25)是蓄電池環(huán)境溫度偏離基準(zhǔn)溫度(25℃)的差值,與放電溫度系數(shù)α結(jié)合,調(diào)整蓄電池計(jì)算容量。需要說(shuō)明的是,計(jì)算蓄電池容量時(shí)蓄電池環(huán)境溫度 t 只考慮低于25℃的情況,而且是指最低溫度,以便將蓄電池計(jì)算容量調(diào)高一些。一般有采暖設(shè)備時(shí)按15℃考慮,無(wú)采暖設(shè)備時(shí)按5℃考慮。環(huán)境溫度高于25℃時(shí),不考慮將蓄電池計(jì)算容量調(diào)低,故按 t =25℃,即 t -25=0處理,由此產(chǎn)生的蓄電池容量的增大作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)裕量的一部分。
1.2.5 放電容量系數(shù) η 的概念
蓄電池在不同的放電率放電時(shí),所能放出的容量是不同的。根據(jù)YD/T799-2010,閥控鉛酸蓄電池10h率放電容量為 C 10 ,3h率放電容量 C 3 為
0.75 C 10 ,1h率放電容量 C 1 為0.55 C10 。故閥控鉛酸蓄電池10h率放電時(shí)的 η 為1,3h率和1h率放電時(shí)分別為0.75和0.55。即放電率較大時(shí)(放電小時(shí)數(shù)<10),能放出的能量較小。在計(jì)算蓄電池容量時(shí),應(yīng)考慮將蓄電池容量適當(dāng)取得大一些。放電率較小時(shí)(放電小時(shí)數(shù)>10),能放出的能量較大,在計(jì)算蓄電池容量時(shí),為了留有裕量,仍按10h率考慮。鉛酸蓄電池在各種放電率時(shí)的放電容量系數(shù)( η ),如表1所示。
1.2.6 蓄電池安時(shí)(Ah)容量 Q
Q 是計(jì)算得出的蓄電池安時(shí)(Ah)容量。因?yàn)榻?jīng)放電容量系數(shù) η 調(diào)整,無(wú)論實(shí)際放電小時(shí)數(shù)多大,計(jì)算出的蓄電池容量均為10h率容量( C 10 )。故選擇蓄電池時(shí)應(yīng)按10h率容量考慮。
1.2.7 放電時(shí)間 T (h)或放電小時(shí)數(shù) T
蓄電池放電時(shí)間 T 應(yīng)以小時(shí)(h)為單位,一般根據(jù)通信局站及其市電的類別、備用發(fā)電機(jī)組配置等情況,按照設(shè)計(jì)規(guī)范確定。
1.3 安時(shí)(Ah)法計(jì)算實(shí)例
假設(shè)某UPS的輸出視在功率 S 為200kVA,負(fù)載功率因數(shù)cosφ=0.8,效率 μ =0.92,逆變器工作電壓范圍為320～451V,蓄電池的最低工作溫度為15℃。蓄電池均充電壓為2.35V/只,浮充電壓為2.25V/只。要求蓄電池放電20min(0.33h),不考慮蓄電池與UPS設(shè)備之間的電纜壓降,計(jì)算和選擇蓄電池。
1.3.1 蓄電池的安時(shí)(Ah)容量的計(jì)算
(1)單體電池只數(shù)n
按式(6)計(jì)算單體電池只數(shù)n
(2)單體電池放電終止電壓 U 單終
按式(7)計(jì)算單體電池放電終止電壓 U 單終 (假設(shè)忽略電纜壓降):
(3)蓄電池放電平均電壓 U 平均
按式(3)計(jì)算(假設(shè)浮充電壓為2.25V/只)
(也可以按式(4)或式(5)計(jì)算)
(4)蓄電池平均放電電流 I 平均 (將恒功率轉(zhuǎn)換為恒流)
按式(8)計(jì)算 I 平均 (假設(shè)忽略電纜壓降)
(5)計(jì)算蓄電池安時(shí)容量 Q
按式(1)計(jì)算蓄電池安時(shí)容量 Q :
(式中, K =1.25, I =462.14, T =0.33, η =0.48,α =0.01, t =15)
1.3.2 蓄電池的選擇
UPS蓄電池宜選擇UPS專用VRLA蓄電池,目前這種蓄電池容量一般在200Ah以下,此案例的安時(shí)容量較大,故需要多組并聯(lián)(一般不超過(guò)4組)。以下是的兩個(gè)選擇實(shí)例。
①查雙登集團(tuán)有限公司的6-GFM-200/12V
閥控密封鉛酸蓄電池?cái)?shù)據(jù)表可知,6-GFM-150的容量為150Ah( C 10 ),根據(jù)蓄電池計(jì)算安時(shí)容量為441.28Ah,因?yàn)?41.28/150=2.94,故可以取3組并聯(lián),每組32只6-GFM-150電池(共包含192只單體電池)。
因150×3=450>441.28,所以有一定裕量。
②查山東圣陽(yáng)電源有限公司產(chǎn)品參數(shù)可知,SP12-200/12V閥控鉛酸蓄電池10h率容量為186Ah。根據(jù)蓄電池計(jì)算安時(shí)容量為441.28Ah,因?yàn)?41.28/186=2.37，故可以選這個(gè)蓄電池，3組并聯(lián)，每組32只SP12-200(共包括192只單體電池)。因186×3=558(Ah)>441.28Ah，所以有較大的裕量。
2 恒功率法
2.1 概述
如前所述,UPS蓄電池的負(fù)載逆變器和通信設(shè)備等都是恒功率負(fù)載,蓄電池放電時(shí),蓄電池的輸出電壓逐漸下降,而蓄電池的輸出電流逐漸增大。直到電壓下降到終止電壓時(shí),電流達(dá)到最大值。但在整個(gè)放電過(guò)程中蓄電池的輸出功率是恒定的?？紤]到恒功率負(fù)載的這種情況,蓄電池廠家經(jīng)過(guò)試驗(yàn),提供了蓄電池恒功率放電數(shù)據(jù)表,給出每個(gè)單體電池放電到規(guī)定的終止電壓,在規(guī)定的放電時(shí)間內(nèi)所能放出的恒定功率。利用蓄電池恒功率放電數(shù)據(jù)表可以非常方便地選擇蓄電池容量,而且比較準(zhǔn)確。
采用恒功率放電數(shù)據(jù)表選擇蓄電池容量時(shí),首先要合理、準(zhǔn)確地計(jì)算確定每個(gè)單體電池的負(fù)載功率、放電時(shí)間和放電終止電壓等數(shù)據(jù)。
2.2 確定蓄電池容量的設(shè)計(jì)考慮
2.2.1 電壓窗和單體電池只數(shù)的選擇
蓄電池的電壓窗是指蓄電池工作電壓范圍。蓄電池工作電壓范圍與UPS逆變器的輸入電壓范圍和蓄電池的只數(shù)有關(guān)。UPS逆變器的最高直流輸入電壓是整流器給蓄電池均衡充電的最高電壓。逆變器最低直流輸入電壓是蓄電池可以放電到的終止電壓(并減去電纜壓降),UPS逆變器應(yīng)在此電壓范圍內(nèi)正常工作。在UPS逆變器輸入電壓范圍已確定的情況下,應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)男铍姵刂粩?shù),使每只蓄電池可以在廠家規(guī)定的最高充電電壓下充電,而放電終止電壓在滿足逆變器允許最低輸入電壓要求的前提下應(yīng)盡量選低,但又不低于廠家規(guī)定的最低終止電壓值,以便使蓄電池能得到有效的利用。蓄電池只數(shù)等于逆變器系統(tǒng)最高輸入電壓除以單體電池的均充電壓。需要說(shuō)明的是,計(jì)算時(shí)可以不考慮電纜壓降,因?yàn)槟孀兤髯罡唠妷撼霈F(xiàn)在蓄電池均充時(shí),充電末期電流和壓降很小。
蓄電池組最低電壓(放電終止電壓)等于逆變器系統(tǒng)允許的最低輸入電壓加上額定條件下的電纜上的壓降。單體電池最低電壓(單體放電終止電壓)等于蓄電池組最低電壓除以蓄電池只數(shù)。
因此,根據(jù)UPS逆變器的直流輸入電壓范圍和規(guī)定的單體電池的均充電壓和放電終止電壓,可以確定單體電池只數(shù)。一般可以用逆變器系統(tǒng)最高輸入電壓除以均充電壓的商數(shù),選擇單體電池只數(shù)。具體計(jì)算公式參見后述2.3.1節(jié)。
2.2.2 溫度校正系數(shù) K 溫度
電池的工作溫度會(huì)影響蓄電池的壽命和性能(容量)。在25℃時(shí)蓄電池具有額定容量,溫度下降時(shí)容量會(huì)減少,溫度升高時(shí)容量會(huì)增加。如果最低溫度低于25℃,則應(yīng)選擇較大的蓄電池,以保證在最低溫度時(shí)仍具有需要的容量。如果最低溫度高于25℃,則采取保守做法,即按標(biāo)準(zhǔn)溫度25℃考慮,不選擇較小的蓄電池。由此產(chǎn)生的可用容量的增加作為設(shè)計(jì)裕量的一部分。所以,在選擇蓄電池容量時(shí),應(yīng)考慮蓄電池容量的溫度校正系數(shù) K 溫度 。表2是鉛酸蓄電池容量的溫度校正系數(shù)表,適用于電解液比重為1.125的VLA和VRLA蓄電池。表2的系數(shù)適用于放電率,不適用于放電時(shí)間。例如,某蓄電池在15℃時(shí)容量大約比25℃時(shí)的容量減少12%。如果該蓄電池在25℃時(shí),可以按100kW放電15min。在15℃時(shí),如仍按放電15min,則只能按89.35kW放電15min。所以,如果該蓄電池工作在15℃,容量溫度校正系數(shù) K 溫度 為1.12。即校正后在15℃時(shí)具有的容量相當(dāng)于在25℃所具有的容量。又如蓄電池工作于20℃時(shí),容量溫度校正系數(shù) K 溫度為1.056。溫度高于25℃的情況與此相反,蓄電池的實(shí)際容量大于25℃時(shí)的容量,故溫度校正系數(shù)K 溫度 小于1,例如蓄電池工作于30℃時(shí),溫度校正系數(shù) K 溫度 為0.956。但是,如前所述,蓄電池的工作溫度高于25℃時(shí),仍按25℃考慮,即容量溫度校正系數(shù) K 溫度 為1,不進(jìn)行容量調(diào)整。
2.2.3 老化系數(shù) K 老化
UPS的蓄電池一般應(yīng)按UPS帶滿負(fù)載選擇。并應(yīng)保證在蓄電池的整個(gè)壽命期內(nèi)都能支持UPS的滿負(fù)載。鉛酸蓄電池壽命終止的判據(jù)是其容量下降到額定容量的80%,在選擇蓄電池容量時(shí),應(yīng)考慮在蓄電池的計(jì)算容量上再增加25%。即考慮1.25的老化系數(shù)。這樣可以確保在蓄電池的整個(gè)壽命期內(nèi)都能為滿負(fù)載供電。
2.3 蓄電池容量計(jì)算和選擇方法
根據(jù)上述設(shè)計(jì)考慮,按恒功率放電特性選擇蓄電池容量的步驟如下。
2.3.1 蓄電池容量計(jì)算
(1)蓄電池額定功率 P 蓄電池
蓄電池額定功率 P 蓄電池 (即逆變器輸入端的有功功率 P 逆變器 )為
(9)
式中, P 蓄電池 ——蓄電池額定功率(W);
P 逆變器 ——逆變器輸入有功功率(W);
S ——逆變器的輸出視在功率(VA);
cosφ——逆變器負(fù)載功率因數(shù);
μ ——逆變器效率。
(2)蓄電池校正功率 P 校正
經(jīng)過(guò)老化和溫度校正后的蓄電池校正額定功率 P 校正 為
(10)
式中, K 老化 ——老化系數(shù);
K 溫度 ——溫度校正系數(shù)。
(3)蓄電池只數(shù)為
(11)
注:此式與安時(shí)法的計(jì)算公式相同。
(4)單體電池的功率 P 單體
單體電池的功率 P 單體 等于蓄電池的總功率 P 校正除以單體電池只數(shù)n,按下式計(jì)算
(5)蓄電池組的放電終止電壓和電纜壓降
在確定蓄電池的工作電壓范圍時(shí),還要考慮蓄電池與UPS設(shè)備之間的電纜上的壓降。蓄電池組的放電終止電壓等于UPS系統(tǒng)的逆變器允許最低電壓加上電纜上的壓降。即蓄電池組的最低電壓=逆變器最低輸入電壓+電纜壓降 (13)
(6)單體電池的放電終止電壓 U 單終
(14)
注:此式與安時(shí)法的計(jì)算公式相同。
2.3.2 單體電池的選擇
廠家提供的恒功率放電數(shù)據(jù)表給出了每只單體電池在規(guī)定放電時(shí)間內(nèi)放電到規(guī)定的終止電壓所能輸出的功率數(shù)據(jù)(W或kW)。在選擇單體電池時(shí),應(yīng)根據(jù)蓄電池組計(jì)算功率( P 校正 )和單體電池的只數(shù)n,求出需要的每只單體電池的功率 P 單體 。然后按照要求的放電終止電壓和放電時(shí)間,查閱蓄電池恒功率放電數(shù)據(jù)表,選擇能提供此功率或大于此功率的單體電池。如果表中恒功率數(shù)據(jù)小于需要的單體電池的功率,可以考慮兩組或多組并聯(lián),并聯(lián)組數(shù)一般不大于4組。
2.4 恒功率法計(jì)算實(shí)例
假設(shè)某UPS的容量為200kVA,cosφ=0.8,效率為0.92,蓄電池最低工作溫度為15℃。
UPS的直流工作條件:整流器均衡充電電壓451V,逆變器最低直流輸入電壓320V。蓄電池距UPS設(shè)備很近,不考慮蓄電池至UPS設(shè)備的電纜壓降。要求蓄電池放電20min(0.33h),試計(jì)算蓄電池的總?cè)萘?、蓄電池只?shù),并用恒功率放電數(shù)據(jù)查表法選擇蓄電池。
下面是按照恒功率放電特性計(jì)算和選擇蓄電池容量的步驟。
2.4.1 蓄電池容量的計(jì)算
(1)蓄電池校正功率 P 校正 的計(jì)算
考慮老化系數(shù)為1.25和15℃時(shí)的溫度校正系數(shù)為1.12,按式(10)計(jì)算校正后的蓄電池功率為
(2)電池只數(shù)和單體電池放電終止電壓
按式(11)計(jì)算電池只數(shù)n(設(shè)蓄電池均充電壓為2.35V/只)
按式(14)計(jì)算單體放電終止電壓(假設(shè)忽略電纜壓降)
(3)單體電池功率 P 單體 的計(jì)算
按式(12)計(jì)算單體電池的功率 P 單體 為
(4)單體電池的選擇
根 據(jù) 以 上 計(jì) 算 結(jié) 果 ( 單 體 電 池 的 功 率1256.79W、放電時(shí)間20min和放電終止電壓1.67V/只),按照廠家提供的蓄電池恒功率放電數(shù)據(jù)表,選擇電池(參見后述2.4.2節(jié))。
2.4.2 蓄電池的選擇
(1)國(guó)外蓄電池的選擇
國(guó)外蓄電池廠家一般均能提供蓄電池恒功
率放電數(shù)據(jù)。下面是C&D TECHNOLOGIES和EnerSys的UPS專用蓄電池的兩個(gè)例子。
①C&D TECHNOLOGIES的蓄電池
查UPS專用高放電率VRLA蓄電池UPS12-540MR的恒功率放數(shù)據(jù)表(見表3)可知:UPS12-
540MR VRLA蓄電池放電20min,終止電壓為1.67/只,單體電池的輸出功率為451W/只。
根據(jù)蓄電池容量計(jì)算結(jié)果,每只單體電池的功率要求為1268.12W,因?yàn)?268.12/451=2.81,故可選擇UPS12-540MR3組并聯(lián)。每組32只12V的UPS12-540MR(包含6×32=192只單體電池)。
因?yàn)樾铍姵赜?jì)算總功率為243478.26W,現(xiàn) 配 置 3 組 蓄 電 池 , 配 置 的 蓄 電 池 總 功 率 為451×3×192=259776(W)>243478.26W。因此具有一定的功率裕量。
②EnerSys公司的蓄電池
查EnerSys公司16V UPS專用前置端子VRLA蓄電池Datasafe HX恒功率放電數(shù)據(jù)表(見表4)可知,16HX800F-FR放電20min,終止電壓為1.67V/只,單體電池的輸出功率為674W/只。
根據(jù)蓄電池容量計(jì)算結(jié)果,每只單體電池的功率要求為1268.12W,因?yàn)?268.12/674=1.88,故可選擇這個(gè)蓄電池2組并聯(lián)。每組配置24只16HX800F-FR(包含8×24=192只單體電池)。
因?yàn)樾铍姵赜?jì)算總功率為243478.26W,現(xiàn)配置2組蓄電池,每組由24只16HX800F-FR組成(包含8×24=192只單體電池)。配置的蓄電池總功率為674×2×192=258816(W)>243478.26W。因此具有一定的功率裕量。
