机房控制系统的UPS电源配置方案
2019/3/7 11:25:01 点击：
（UPS）供电。下面就UPS的供电解决方案进行研究。
1 UPS配置基本要求
1.1 UPS基本功能要求
UPS的基本功能要求为提供高可靠性不间断供电功能，保证动力的连续性；起到电网稳压净化功能，提供高质量的绿色电源；要有宽的输入电压和频率范围，稳定的输出电压和频率范围；要有高的过载能力，例如，当负载为110%～130%时，要求稳定输出不小于10min，当负载大于130%时，要求稳定输出不小于1min；在线式UPS切换时间一般要求小于3ms；提供电池管理功能，延长电池使用寿命；提供智能监控功能，解决UPS维护问题[1]。
1.2 UPS选型
按工作原理易选用在线式，不易选用后备式，在线式虽然成本高，但可以为控制系统提供一种完全隔离的保护，对生产的稳定性来说性价比要高；按输入电压来说，小于10kVA的选单项输入UPS，大于10kVA的选三项输入单项输出或三项输出的UPS，这样配置，一方面电网波动对它造成的影响要小，同时减小了电网的不平衡负荷；按输出有无工频变压器来说，选择工频UPS，输入输出隔离、电网扰动不会影响负载；若选用高频机UPS，输入输出不隔离、电网的扰动对负载有影响；售后服务质量也是我们选型的一个重要指标，在同等性能及价格情况下，优选售后服务质量好的品牌。
1.3 UPS容量计算
首先获得负载的总功耗，并将单位统一到kVA。
I×220
总功耗的计算方法：P= -------
1000
式中，P为总功率，I为输出电流。
考虑到UPS运行在50%～70%区间处于最佳运行状态，一般建议在计算时将上面的结果乘以1.8，再一次放大，然后选取最靠近的功率产品。
根据UPS的输出功率因数，计算带载率，确认UPS容量是否正确。
例如： 某控制系统负载18kW，负载输入功率因数为0.9，则对应容量为20kVA。考虑到UPS的最佳运行状态，得到20*1.8=36kVA，查UPS选型手册，40kVA的UPS最靠近，能够满足控制系统的要求，因此选取40KVA的UPS主机。
1.4 电池容量计算
电池的选择是个关键，冶金行业一般电池配置要求在4h左右，我们采用恒功率计算，计算UPS电池每2V单元电池电压降到1.67V时，放电所产生的功率W，然后通过查表获得最佳电池型号以及并联组数。
P×1000×cosφ
W= --------------
η× N × 6
式中，P为UPS容量（kVA）；W为每2V单元电池提供的功率（W）；η为UPS效率（一般可取0.9）；Cosφ为UPS实际使用功率与总功率的比值（一般取0.6）；N为电池数量（以每2V单元电池电压降到1.67V时为标准，若2V电池则N*1，6V电池则N*3，12V电池则N*6）。
例：一台20kVA UPS，要求输入断电后电池供电为4小时，选择12V40只一组的电池，计算每2V单元电池提供的功率W。
20×1000×0.6
W= ---------- =55（W）
0.9×40×6
得出2V单元电池4小时可以提供55W功率，然后通过查表获得最佳电池型号。
2 UPS供电解决方案
2.1 单台UPS供电方案
单台UPS供电方案如图1所示[2]。
对于小型或重要程度比较低的控制系统，由于停机对生产造成的影响比较小，同时考虑成本的投入，所以一般采用单台UPS供电方案。市电在有条件的情况下要从不同的变电站通过电子切换开关采用互投的方式实现双路馈给，解决由于一路市断电而造成控制系统停机的现象，或者在有条件的情况下市电供电要与旁路从不同的变电站馈给，避免市电与旁路供电同时断电的现象。同时尽可能选用市电输入、旁路输入、输出配有隔离变压器UPS，提高供电质量，减少对控制系统的干扰。缺点是逆变器出现故障后，切到旁路运行，起不到稳压作用，但是从性价比来说对控制系统的影响是可以接受的。
2.2 主从机串联供电方案
主从机串联供电方案如图2所示。
对于中小型或比较重要的控制系统，对供电质量要求比较高，所以采用两台UPS，实现主从串联的供电方案，主UPS在切到旁路时由从UPS提供优质的供电。两台UPS的输入市电一、市电二要从不同的变电站馈给，避免同时停电的现象。对从UPS的旁路要求不高，一般采用交叉的方式由市电一提供。同时尽可能选用市电输入、旁路输入、输出配有隔离变压器UPS，提高供电质量。缺点是从UPS处于浮充状态，电池寿命短，要定期切到从UPS，进行电池放电操作。
2.3 并机供电方案
并机供电方案如图3所示。
对于大中型或重要的控制系统，对供电质量要求非常高，同时考虑到停机对生产的影响很大，所以采用两台或多台UPS并机供电方案，正常运行时，各UPS分摊负载，一台出现故障，很容易将其退出系统进行检修，其它UPS正常工作，分摊出现故障的UPS负载，优点是扩容性能比较好，可实现多台UPS并机，负载由主从机分担，可靠性高。对于市电、旁路、输出的要求与串联UPS相同。
3 结语
本文从供电角度分析了影响控制系统不稳定的因素，利用UPS的合理配置来达到不间断供电的效果。（1）通过基本选型、容量计算、电池计算确定UPS电源的基本配置以满足生产的需要。（2）通过供电方案的设计达到高可靠不间断供电的方式。（3）通过日常维护和电池管理达到运行效果最佳。
1 UPS配置基本要求
1.1 UPS基本功能要求
UPS的基本功能要求为提供高可靠性不间断供电功能，保证动力的连续性；起到电网稳压净化功能，提供高质量的绿色电源；要有宽的输入电压和频率范围，稳定的输出电压和频率范围；要有高的过载能力，例如，当负载为110%～130%时，要求稳定输出不小于10min，当负载大于130%时，要求稳定输出不小于1min；在线式UPS切换时间一般要求小于3ms；提供电池管理功能，延长电池使用寿命；提供智能监控功能，解决UPS维护问题[1]。
1.2 UPS选型
按工作原理易选用在线式，不易选用后备式，在线式虽然成本高，但可以为控制系统提供一种完全隔离的保护，对生产的稳定性来说性价比要高；按输入电压来说，小于10kVA的选单项输入UPS，大于10kVA的选三项输入单项输出或三项输出的UPS，这样配置，一方面电网波动对它造成的影响要小，同时减小了电网的不平衡负荷；按输出有无工频变压器来说，选择工频UPS，输入输出隔离、电网扰动不会影响负载；若选用高频机UPS，输入输出不隔离、电网的扰动对负载有影响；售后服务质量也是我们选型的一个重要指标，在同等性能及价格情况下，优选售后服务质量好的品牌。
1.3 UPS容量计算
首先获得负载的总功耗，并将单位统一到kVA。
I×220
总功耗的计算方法：P= -------
1000
式中，P为总功率，I为输出电流。
考虑到UPS运行在50%～70%区间处于最佳运行状态，一般建议在计算时将上面的结果乘以1.8，再一次放大，然后选取最靠近的功率产品。
根据UPS的输出功率因数，计算带载率，确认UPS容量是否正确。
例如： 某控制系统负载18kW，负载输入功率因数为0.9，则对应容量为20kVA。考虑到UPS的最佳运行状态，得到20*1.8=36kVA，查UPS选型手册，40kVA的UPS最靠近，能够满足控制系统的要求，因此选取40KVA的UPS主机。
1.4 电池容量计算
电池的选择是个关键，冶金行业一般电池配置要求在4h左右，我们采用恒功率计算，计算UPS电池每2V单元电池电压降到1.67V时，放电所产生的功率W，然后通过查表获得最佳电池型号以及并联组数。
P×1000×cosφ
W= --------------
η× N × 6
式中，P为UPS容量（kVA）；W为每2V单元电池提供的功率（W）；η为UPS效率（一般可取0.9）；Cosφ为UPS实际使用功率与总功率的比值（一般取0.6）；N为电池数量（以每2V单元电池电压降到1.67V时为标准，若2V电池则N*1，6V电池则N*3，12V电池则N*6）。
例：一台20kVA UPS，要求输入断电后电池供电为4小时，选择12V40只一组的电池，计算每2V单元电池提供的功率W。
20×1000×0.6
W= ---------- =55（W）
0.9×40×6
得出2V单元电池4小时可以提供55W功率，然后通过查表获得最佳电池型号。
2 UPS供电解决方案
2.1 单台UPS供电方案
单台UPS供电方案如图1所示[2]。
对于小型或重要程度比较低的控制系统，由于停机对生产造成的影响比较小，同时考虑成本的投入，所以一般采用单台UPS供电方案。市电在有条件的情况下要从不同的变电站通过电子切换开关采用互投的方式实现双路馈给，解决由于一路市断电而造成控制系统停机的现象，或者在有条件的情况下市电供电要与旁路从不同的变电站馈给，避免市电与旁路供电同时断电的现象。同时尽可能选用市电输入、旁路输入、输出配有隔离变压器UPS，提高供电质量，减少对控制系统的干扰。缺点是逆变器出现故障后，切到旁路运行，起不到稳压作用，但是从性价比来说对控制系统的影响是可以接受的。
2.2 主从机串联供电方案
主从机串联供电方案如图2所示。
对于中小型或比较重要的控制系统，对供电质量要求比较高，所以采用两台UPS，实现主从串联的供电方案，主UPS在切到旁路时由从UPS提供优质的供电。两台UPS的输入市电一、市电二要从不同的变电站馈给，避免同时停电的现象。对从UPS的旁路要求不高，一般采用交叉的方式由市电一提供。同时尽可能选用市电输入、旁路输入、输出配有隔离变压器UPS，提高供电质量。缺点是从UPS处于浮充状态，电池寿命短，要定期切到从UPS，进行电池放电操作。
2.3 并机供电方案
并机供电方案如图3所示。
对于大中型或重要的控制系统，对供电质量要求非常高，同时考虑到停机对生产的影响很大，所以采用两台或多台UPS并机供电方案，正常运行时，各UPS分摊负载，一台出现故障，很容易将其退出系统进行检修，其它UPS正常工作，分摊出现故障的UPS负载，优点是扩容性能比较好，可实现多台UPS并机，负载由主从机分担，可靠性高。对于市电、旁路、输出的要求与串联UPS相同。
3 结语
本文从供电角度分析了影响控制系统不稳定的因素，利用UPS的合理配置来达到不间断供电的效果。（1）通过基本选型、容量计算、电池计算确定UPS电源的基本配置以满足生产的需要。（2）通过供电方案的设计达到高可靠不间断供电的方式。（3）通过日常维护和电池管理达到运行效果最佳。
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