曹 敏

(洛陽有色金屬加工設計研究院，河南洛陽471039)

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直流傳動系統(tǒng)中UPS電源的選型和計算

曹 敏

(洛陽有色金屬加工設計研究院，河南洛陽471039)

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

直流傳動系統(tǒng)；UPS的選型；蓄電池配置

隨著變頻器在工業(yè)控制系統(tǒng)中的廣泛應用，制動問題越來越多地被人們關注。鋁帶精軋機組軋制過程中，如果直流傳動模塊突然出現跳閘或斷電情況，為了讓設備盡快停下來，一般會采用在電樞回路中串入電阻用于能耗制動，這就要求勵磁電流持續(xù)保持以提供制動力矩，通常的做法是利用UPS給勵磁單元供電。

UPS即不間斷電源，是一種含有儲能裝置、以逆變器為主要元件、穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的電源保護設備，可以有效解決電力系統(tǒng)的斷電、高低電壓、突波、雜訊等現象。對于一個UPS系統(tǒng)，當供電系統(tǒng)輸入正常時，UPS僅將供電穩(wěn)壓后供應給負載使用，此時的UPS就是一臺交流電穩(wěn)壓器，同時它還向配置的蓄電池充電；當供電系統(tǒng)中斷時，UPS系統(tǒng)立即將蓄電池的化學能通過逆變轉換的方法向負載繼續(xù)提供交流電，確保設備維持一段時間的正常工作。

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，主要考慮負載的特性和容量。

1.1.1 負載特性

主要是指負載類型，一般分為線性負載與內含整流電路的非線性負載，是決定UPS容量的一個重要因素。

通常，線性負載主要包括純阻性負載、感性負載、容性負載、以及功率因數均為0的純感性和純容性負載。UPS帶線性負載時，由于UPS逆變器輸出電流仍為正弦的，故在電路中沒有功率消耗。

非線性負載的負載阻抗參數不總為恒定常數,會隨電壓或時間等其它參數而變化。UPS帶非線性負載時，由于非線性負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。電流畸變越大，則其峰值與有效值的比率也越大。由于UPS逆變功率模塊結點的熱效應與電流有效值的平方成正比，因此，當UPS帶非線性負載時，其功率模塊結點的發(fā)熱量為正常等功率線性負載的2～4倍，如果長時間重載帶非線性程度大的負載，其功率模塊會因峰值電流超過極限而燒壞。

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

1.1.2 負載的容量

由負載類型、額定電壓、額定電流、輸入功率因數、峰值因數、啟動電流、工作時的最大電流等因素決定。線性負載的容量是所有線性負載的相量和；而非線性負載則不能用矢量和進行計算。但是負載的有功功率是不存在相位差的，可以直接累加。故對于傳動控制中的UPS電源，計算負載的有功功率時，可直接把所有負載的有功功率簡單相加計算出負載的有功功率。

根據IEC62040-3的UPS性能標準和IEC60146- 4的UPS設計標準，UPS的額定容量是以額定輸出的視在功率S和有功功率P標度的，其輸出功率因數為PF=P÷S。由于UPS功率因數在國際電工委員會標準和國家標準中均規(guī)定為0.8。故當負載功率因數cosΦ≥0.8時，UPS 的有功功率P=0.8×S大于負載的有功功率；當負載功率因數cosΦ<0.8時，UPS的有功功率P=cosΦ×S大于負載的有功功率。

綜上所述，我們確定UPS容量時，滿足負載容量為UPS額定容量的80%以下。

此外，確定UPS容量時，負載率也是一個很重要的參數，它是指負荷的計算功率與UPS輸出功率的比值，用百分數表示。UPS長期處于滿載狀態(tài)或過度輕載狀態(tài)，均會影響UPS的使用壽命。后備式UPS，負載率一般選為60%～70%較合適；在線式UPS，負載率一般選為70%～80%較合適。

1.2 UPS選擇實例

以某1850mm冷粗軋機為例，直流傳動電機列表見表1。

表1

第一步，計算負載功率，即所有直流電機的勵磁功率，P1=U×I=40×310×2+20.92×310×5=57226W；第二步，考慮勵磁模塊的特性，可能會產生約30%的諧波電流,故，S1=P1×1.3=57226×1.3=74393.8VA；第三步，計算UPS的容量，取UPS的負載率為0.6，功率因數為0.8，S=S1÷0.6÷0.8=74393.8÷0.6÷0.8=154987VA；第四步，確定UPS的標稱輸出功率為200kVA。

2 UPS蓄電池的選擇和配置

2.1 蓄電池的選擇

主要考慮負載條件、設置場地、蓄電池性質及其特點等因素。具體考慮事項如下：

1) UPS后備時間的選取。確定UPS后備時間的主要因素有負載要求、電源供電情況、供電系統(tǒng)故障排除能力及速度等。應用在直流傳動系統(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，則主要考慮負載特性和功率大小，只需確定電源出現故障時電動機從最高速降到零速所需的時間，即可確定UPS的后備時間。根據經驗和計算，對于一臺最大軋制速度為1500m/min的鋁帶冷軋機，一般選取5min即滿足要求；

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

3) 設置場所。無嚴格限制時，一般設置在干凈、陰涼、通風、干燥的地方，并避免受陽光或其他熱源輻射。

2.2 蓄電池組配置計算

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

計算電池容量公式，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；L為負載量百分比；η為UPS的逆變效率；T為蓄電池放電時間；K為蓄電池的放電系數；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；N為電池配置組數；P為電池兩端輸出功率。

以某1850mm冷粗軋機為例，已知UPS后備時間為5min(即0.08h)，UPS為美國PCM的ONL工頻系列，容量為200kVA，其參數為PF=0.8，η=0.96，則電池放電系數(K)對應表見表2。

表2

先按配置電池1組計算(1組包含32顆電池)，即N=1，一般UPS用的鉛酸免維護電池都是DC12V的，負載量L按滿載100%計算。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

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

3 結語

UPS電源的應用已越發(fā)普及，選擇UPS時，應明確所需的供電和負載的特性，不同品牌或不同型號的UPS在性能上差異較大，故在確定UPS容量及其蓄電池時應仔細查閱UPS的技術參數，綜合分析。

[1] 何希才.UPS應用及其維修技術[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[J].設備管理與維修，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