曹 敏

(洛陽(yáng)有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南洛陽(yáng)471039)

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直流傳動(dòng)系統(tǒng)中UPS電源的選型和計(jì)算

曹 敏

(洛陽(yáng)有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南洛陽(yáng)471039)

文章選取實(shí)例介紹了用于給直流傳動(dòng)系統(tǒng)中勵(lì)磁單元供電的UPS電源及蓄電池的選擇和計(jì)算。

直流傳動(dòng)系統(tǒng)；UPS的選型；蓄電池配置

隨著變頻器在工業(yè)控制系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，制動(dòng)問(wèn)題越來(lái)越多地被人們關(guān)注。鋁帶精軋機(jī)組軋制過(guò)程中，如果直流傳動(dòng)模塊突然出現(xiàn)跳閘或斷電情況，為了讓設(shè)備盡快停下來(lái)，一般會(huì)采用在電樞回路中串入電阻用于能耗制動(dòng)，這就要求勵(lì)磁電流持續(xù)保持以提供制動(dòng)力矩，通常的做法是利用UPS給勵(lì)磁單元供電。

UPS即不間斷電源，是一種含有儲(chǔ)能裝置、以逆變器為主要元件、穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的電源保護(hù)設(shè)備，可以有效解決電力系統(tǒng)的斷電、高低電壓、突波、雜訊等現(xiàn)象。對(duì)于一個(gè)UPS系統(tǒng)，當(dāng)供電系統(tǒng)輸入正常時(shí)，UPS僅將供電穩(wěn)壓后供應(yīng)給負(fù)載使用，此時(shí)的UPS就是一臺(tái)交流電穩(wěn)壓器，同時(shí)它還向配置的蓄電池充電；當(dāng)供電系統(tǒng)中斷時(shí)，UPS系統(tǒng)立即將蓄電池的化學(xué)能通過(guò)逆變轉(zhuǎn)換的方法向負(fù)載繼續(xù)提供交流電，確保設(shè)備維持一段時(shí)間的正常工作。

1 UPS容量的估算和選擇

1.1 決定UPS容量的主要因素

選擇UPS時(shí)，主要考慮負(fù)載的特性和容量。

1.1.1 負(fù)載特性

主要是指負(fù)載類(lèi)型，一般分為線(xiàn)性負(fù)載與內(nèi)含整流電路的非線(xiàn)性負(fù)載，是決定UPS容量的一個(gè)重要因素。

通常，線(xiàn)性負(fù)載主要包括純阻性負(fù)載、感性負(fù)載、容性負(fù)載、以及功率因數(shù)均為0的純感性和純?nèi)菪载?fù)載。UPS帶線(xiàn)性負(fù)載時(shí)，由于UPS逆變器輸出電流仍為正弦的，故在電路中沒(méi)有功率消耗。

非線(xiàn)性負(fù)載的負(fù)載阻抗參數(shù)不總為恒定常數(shù),會(huì)隨電壓或時(shí)間等其它參數(shù)而變化。UPS帶非線(xiàn)性負(fù)載時(shí)，由于非線(xiàn)性負(fù)載在正弦電壓作用下吸收與電壓同頻率的周期電流，使得UPS逆變器輸出電流波形發(fā)生畸變。電流畸變?cè)酱?，則其峰值與有效值的比率也越大。由于UPS逆變功率模塊結(jié)點(diǎn)的熱效應(yīng)與電流有效值的平方成正比，因此，當(dāng)UPS帶非線(xiàn)性負(fù)載時(shí)，其功率模塊結(jié)點(diǎn)的發(fā)熱量為正常等功率線(xiàn)性負(fù)載的2～4倍，如果長(zhǎng)時(shí)間重載帶非線(xiàn)性程度大的負(fù)載，其功率模塊會(huì)因峰值電流超過(guò)極限而燒壞。

工業(yè)控制系統(tǒng)中，UPS所帶負(fù)載多為非線(xiàn)性負(fù)載，如上位機(jī)電腦、勵(lì)磁模塊等。因此，為了使UPS可靠工作，帶非線(xiàn)性負(fù)載時(shí)，尤其是功率因數(shù)較低的非線(xiàn)性負(fù)載或者非線(xiàn)性程度大的負(fù)載時(shí)，必須大大地降低UPS的功率利用率。

1.1.2 負(fù)載的容量

由負(fù)載類(lèi)型、額定電壓、額定電流、輸入功率因數(shù)、峰值因數(shù)、啟動(dòng)電流、工作時(shí)的最大電流等因素決定。線(xiàn)性負(fù)載的容量是所有線(xiàn)性負(fù)載的相量和；而非線(xiàn)性負(fù)載則不能用矢量和進(jìn)行計(jì)算。但是負(fù)載的有功功率是不存在相位差的，可以直接累加。故對(duì)于傳動(dòng)控制中的UPS電源，計(jì)算負(fù)載的有功功率時(shí)，可直接把所有負(fù)載的有功功率簡(jiǎn)單相加計(jì)算出負(fù)載的有功功率。

根據(jù)IEC62040-3的UPS性能標(biāo)準(zhǔn)和IEC60146- 4的UPS設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，UPS的額定容量是以額定輸出的視在功率S和有功功率P標(biāo)度的，其輸出功率因數(shù)為PF=P÷S。由于UPS功率因數(shù)在國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中均規(guī)定為0.8。故當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)cosΦ≥0.8時(shí)，UPS 的有功功率P=0.8×S大于負(fù)載的有功功率；當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)cosΦ<0.8時(shí)，UPS的有功功率P=cosΦ×S大于負(fù)載的有功功率。

綜上所述，我們確定UPS容量時(shí)，滿(mǎn)足負(fù)載容量為UPS額定容量的80%以下。

此外，確定UPS容量時(shí)，負(fù)載率也是一個(gè)很重要的參數(shù)，它是指負(fù)荷的計(jì)算功率與UPS輸出功率的比值，用百分?jǐn)?shù)表示。UPS長(zhǎng)期處于滿(mǎn)載狀態(tài)或過(guò)度輕載狀態(tài)，均會(huì)影響UPS的使用壽命。后備式UPS，負(fù)載率一般選為60%～70%較合適；在線(xiàn)式UPS，負(fù)載率一般選為70%～80%較合適。

1.2 UPS選擇實(shí)例

以某1850mm冷粗軋機(jī)為例，直流傳動(dòng)電機(jī)列表見(jiàn)表1。

表1

第一步，計(jì)算負(fù)載功率，即所有直流電機(jī)的勵(lì)磁功率，P1=U×I=40×310×2+20.92×310×5=57226W；第二步，考慮勵(lì)磁模塊的特性，可能會(huì)產(chǎn)生約30%的諧波電流,故，S1=P1×1.3=57226×1.3=74393.8VA；第三步，計(jì)算UPS的容量，取UPS的負(fù)載率為0.6，功率因數(shù)為0.8，S=S1÷0.6÷0.8=74393.8÷0.6÷0.8=154987VA；第四步，確定UPS的標(biāo)稱(chēng)輸出功率為200kVA。

2 UPS蓄電池的選擇和配置

2.1 蓄電池的選擇

主要考慮負(fù)載條件、設(shè)置場(chǎng)地、蓄電池性質(zhì)及其特點(diǎn)等因素。具體考慮事項(xiàng)如下：

1) UPS后備時(shí)間的選取。確定UPS后備時(shí)間的主要因素有負(fù)載要求、電源供電情況、供電系統(tǒng)故障排除能力及速度等。應(yīng)用在直流傳動(dòng)系統(tǒng)中的UPS電源蓄電池，如果電源供電情況良好，供電系統(tǒng)故障排除速度快，則主要考慮負(fù)載特性和功率大小，只需確定電源出現(xiàn)故障時(shí)電動(dòng)機(jī)從最高速降到零速所需的時(shí)間，即可確定UPS的后備時(shí)間。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算，對(duì)于一臺(tái)最大軋制速度為1500m/min的鋁帶冷軋機(jī)，一般選取5min即滿(mǎn)足要求；

2) 溫度。環(huán)境溫度對(duì)電池的影響較大,過(guò)低蓄電池放電性能降低，且電池容易充電不足；過(guò)高會(huì)使蓄電池過(guò)充電而產(chǎn)生氣體,均會(huì)影響蓄電池的使用壽命。因此在計(jì)算蓄電池容量時(shí)，要把溫度考慮在內(nèi)，選擇容量不隨溫度降低而降低的蓄電池；

3) 設(shè)置場(chǎng)所。無(wú)嚴(yán)格限制時(shí)，一般設(shè)置在干凈、陰涼、通風(fēng)、干燥的地方，并避免受陽(yáng)光或其他熱源輻射。

2.2 蓄電池組配置計(jì)算

正確地配置蓄電池組，需要知道蓄電池的放電時(shí)間和UPS的逆變效率。蓄電池的放電時(shí)間是指當(dāng)蓄電池以規(guī)定放電電流進(jìn)行恒流放電時(shí)，蓄電池端電壓下降至所允許的臨界電壓時(shí)所需的時(shí)間。蓄電池的逆變效率是指蓄電池能量轉(zhuǎn)換為負(fù)載可使用的能量的轉(zhuǎn)換效率。

計(jì)算電池容量公式，C=(P×T×K)÷U1÷N；式中，P=S×PF×L÷η，U2=U×Q；故，C=(S×PF×L÷η×T×K)÷(U×Q)÷N；式中，C為每顆電池容量；S為UPS輸出視在功率；PF為UPS輸出功率因數(shù)；L為負(fù)載量百分比；η為UPS的逆變效率；T為蓄電池放電時(shí)間；K為蓄電池的放電系數(shù)；U1為電池組的額定電壓；U為單顆電池的額定電壓；Q為電池組顆數(shù)；N為電池配置組數(shù)；P為電池兩端輸出功率。

以某1850mm冷粗軋機(jī)為例，已知UPS后備時(shí)間為5min(即0.08h)，UPS為美國(guó)PCM的ONL工頻系列，容量為200kVA，其參數(shù)為PF=0.8，η=0.96，則電池放電系數(shù)(K)對(duì)應(yīng)表見(jiàn)表2。

表2

先按配置電池1組計(jì)算(1組包含32顆電池)，即N=1，一般UPS用的鉛酸免維護(hù)電池都是DC12V的，負(fù)載量L按滿(mǎn)載100%計(jì)算。電池額定電壓U2=U×Q=12×32=384V；電池兩端輸出功率P=S×PF×L÷η=200000×0.8×100%÷0.96=166666.7W；電池容量C= (S×PF×L÷η×T×K)÷(U×Q)÷N=

(200000×0.8×100%÷0.96×0.08×4.2)÷

(12×32)÷1=145.83Ah

標(biāo)準(zhǔn)UPS鉛酸免維護(hù)電池的容量為100Ah、120Ah、150Ah，故選擇配置150Ah的電池1組(32顆)。

3 結(jié)語(yǔ)

UPS電源的應(yīng)用已越發(fā)普及，選擇UPS時(shí)，應(yīng)明確所需的供電和負(fù)載的特性，不同品牌或不同型號(hào)的UPS在性能上差異較大，故在確定UPS容量及其蓄電池時(shí)應(yīng)仔細(xì)查閱UPS的技術(shù)參數(shù)，綜合分析。

[1] 何希才.UPS應(yīng)用及其維修技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，1997.

[2] 王永俊.后備式UPS電源的選型及維護(hù)[J].設(shè)備管理與維修，2006(2):20-21.

Selection and Calculation of UPS in DC Drive System

CAO Min

(Luoyang Engineering and Research Institute for Nonferrous Metals Processing, Luoyang 471039, China)

Combined with case studies, the paper presented the selection and calculation of UPS and battery for excitation module in DC drive system.

DC drive system; UPS selection; battery configuration

2015-05-18

TM91

B

1671-6795(2015)04-057-02