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一、不間斷電源的原理與應用

(一).不間斷電源系統名稱

Uninterruptible Power System 不間斷功率系統簡稱UPS。

(二).UPS分類

1.在線式(ON-LINE)

當市電輸入正常時由逆變器(將直流電轉變成交流電系統)向負載提供正弦波交流電源,當交流輸入電源中斷時無明顯轉換時間“零中斷”;當逆變器發生故障時,轉換開關(靜態開關)將自動切換至旁路由市電繼續向負載提供正弦波交流電源。它主要適用于計算機系統工作、精密設備、儀器儀表、通訊設備、監控系統、銀行保障系統、工業自動化控制系統、電力系統等。

2.后備式(OFF-LINE)

當市電輸入正常時,市電經穩壓后直接向負載提供交流電源,此時逆變器不工作,當市電故障時, 由蓄電池向逆變器提供電力,從而繼續向負載提供方波交流電源。此時轉換時間為4~8ms。后備式依其輸出波形、穩壓特性及濾波能力的不同,在價格上有很大的差異。在使用的電源特性要求不高或負載容量較小的場合還是較經濟的,如:家庭辦公設備、個人計算機、技術指標要求不高的簡單設備等。

3.互動式(HYBIRD)

在正常情況下市電經穩壓后,經轉換開關向負載提供交流電源,此時逆變器處于等待狀態無輸出;當市電故障時,由轉換器切換到逆變器輸出,向負載提供正弦波交流電源。此時轉換時間為4mS左右。主要適用于:計算機、監控系統、一般性儀器設備等。

(三).UPS結構

1.標機

即UPS內置蓄電池組,體積小,使用運輸方便,但后備時間較短,一般僅有幾分鐘或十幾分鐘,適用于電網停電少,停電時間短的場所。

2.長延機

即UPS外置蓄電池組,體積大,重量重,運輸不方便,但后備時間長,一般可延時1小時或幾小時以上。適用于長時間工作的重要設備及計算機網絡系統設備等。

(四).工頻UPS與高頻UPS的比較

在線式UPS可分為工頻在線式UPS和高頻在線式UPS。

1.工頻在線式UPS

采用SPWM工頻技術,具有較大的短路保護及過載能力。可接感性負載,配有輸入輸出變壓器,可免受輸入的干擾,有隔離的作用,其壽命長,適應多種工作環境如:高溫、高濕、粉塵、震動、腐蝕等,多稱之為: 工業型UPS。

2.高頻在線式UPS

采用SPWM高頻技術,具有體積小,重量輕,高頻化,成本低。輸入輸出沒有隔離變壓器,輸出不能接感性負載,適用于電網環境好的場所。多稱之為:商務型UPS。

(五). 設計計算方法

在計算機網絡系統、系統集成工程中,長延時UPS的電池選配是很重要的, 這不僅保證用戶在設備使用過程中的安全可靠性,同時在合理計算成本,保證用戶的根本利益方面也是不可忽視的重要環節。蓄電池如何選配,有計算方法、圖解法等。

1、計算法:特點是計算數據較精確,便捷。

例1.有計算機4套(顯示器為17吋),服務器一套(顯示器為21吋),要求4小時延時時間,問如何選配電源及蓄電池? (現場電網為單相220VAC)。

根據公式:

Idc=Npf/VDCη, (N—UPS輸出額定視在功率,pf—UPS功率因數, VDC為UPS直流電壓);

注:高頻在線式主機,pf取0.7;η取0.9;

即:應取高頻在線式CR-3L(3KVA)主機一臺,查CR-3L型技術指標,直流電壓為96VDC。

Idc=3000×0.7÷(96×0.9)≈24.3(A),延時4小時,24.3×4≈97(Ah)。

即:應取8節12V/100Ah蓄電池,連接方法:將8節蓄電池串聯連接,蓄電池之間的連接應取:

24.3÷5≈4.8(mm), 6mm導線7條。

注: 每mm導線可通過電流5A。

例2.行業用戶,為精密設備大約20KVA功率,要求2小時延時。問如何選配電源及蓄電池? (現場電網為三相五線制380VAC)。

對于精密設備,電源應選用低頻在線式UPS,即:PPW-30L型主機電源(帶隔離變壓器),查PPW技術指標,PPW-30L型直流電壓為384VDC。

所以,Idc=30000×0.8÷(384×0.8)≈78(A)。

注:應取64節12V/100Ah蓄電池,連接方法為32節蓄電池為一組串聯;將兩組串聯后的蓄電池再進行并聯,蓄電池之間的連接應取78/5=15.6(mm),16mm導線66條。

a)電網輸入輸出導線的選擇:

∴ N=3UφIφ(星形連接 相電流等于線電流,線電壓與相電壓關系為Ui=√3 Uφ);

∴ Iφ=N/3 Uφ可查PPW-30L技術指標中直流充電電流為10A,Vdc=384VDC;

∴ Iφ=(30000+384×10)÷(3×220) ≈51.3(A) 取51.3÷5=10.12(mm),電網輸入導線取16mm導線5條,電網輸出導線也應取16mm導線5條。

b)電網輸入空氣開關的選擇:

可選取比輸入最大電流大2倍電流左右的空開即可:3P-100A 一只。

c)直流空開的選擇:

對于選配蓄電池組與主機之間的空氣開關,應選取直流空氣開關,直流空開的價格較交流空開的價格貴得多。此例直流空開可根據Idc=30000÷384≈78(A)數值,即大于此最大放電電流的1.2~1.5倍數值選取(2P-100A一只)。
 
注:①對于三進單出的UPS輸入導線截面積應根據單相輸出導線截面積計算(當負載過載時UPS輸出將切至旁路,此時輸入火線與輸出火線是相通的);
      ②當輸入輸出的最大電流大于50A時,導線的截面積不宜再根據5A/mm計算,應查電工手冊進行計算。

2、圖解法:特點是根據蓄電池的放電曲線對應的找出蓄電池配組的容量或UPS的后備時間。能直觀地表述蓄電池的放電特性,但不如用計算法計算出的數據精確,便捷。

例3.高頻在線式CR-6L(6KVA) UPS ,直流電壓為240VDC,問當選用12V100Ah蓄電池組時,放電可延續多少時間?

根據公式:

Idc=N/VDC;

Idc=6000÷240=25(A);

即:25÷100=0.25C(A),對應蓄電池放電曲線的時間約為4小時,用20只12V100Ah蓄電池串聯連接。

UPS與蓄電池容量的選取主要是根據用戶先應考慮工作的穩定性及可靠的設備而言,首性,再考慮它的性價比。

二、鉛酸蓄電池的原理與應用

(一) 蓄電池的劃分:

1.蓄電池極板

a) 結構分:生成式、涂膏式、管式蓄電池。
b) 蓄電池蓋的結構分:開口式、排氣式、防酸隔爆式、密封式閥控蓄電池。
c) 蓄電池維護方式分:非免維護式、免維護式。

2.按行業劃分

a) 起動型蓄電池—主要用于汽車、摩托車、拖拉機、柴油機等起動和照明。
b) 固定型蓄電池—主要用于通訊、發電廠、計算機系統作為保護和自動控制的后備電源。
c) 牽引型蓄電池—主要用于各種蓄電池車(電動自行車、電瓶車等)電力機車等,作為動力電源。
d) 鐵路用蓄電池—主要用于鐵路內燃機車、電力機車、客車等作為起動照明動力及通信設備。
e) 儲能用蓄電池—主要用于風力、太陽能等發電,用來儲存電能。
每年世界要消耗3億只電池,我國蓄電池銷量已超過100億元人民幣,每年還在繼續增加。


(二) 蓄電池的基礎知識

1.蓄電池的工作原理
    

PbO2(正極)+2H2SO4+Pb(負極)       PbSO4(正極)+2H2O+PbSO4(負極)     
單體2V,工作原理是氣體再化合即正極產生氧氣,通過AGM隔板中的孔隙與活性物質和稀硫酸進行反應再化合成水。同時使負極板的一部分處于放電狀態,從而抑制氧氣的產生,只要正極板氧氣的產生速度不超過負極板對氧氣的吸收速度,蓄電池中不會有多余的氣體產生,蓄電池中的水也不會損失,就可實現密封,但實際蓄電池內部總有少量氣體產生不能被再化合,為防止蓄電內部壓力過大,在蓄電池蓋上安裝單向閥,排出多余的氣體,這就是所謂的閥控。

2.蓄電池的基本參數

a) 蓄電池的電動式:E=2V(單體)。
b) 開路電壓:充電后靜止24小時后測量(對于12V系列的一組蓄電池中最高電壓與最低電壓之差小于0.1V,對于2V系列的一組蓄電池中最高電壓與最低電壓之差小于0.02V)。
c) 充電電壓:對于12V系列的一組蓄電池中浮充24小時蓄電池最高端電壓與最低端電壓之差小于0.48V,對于2V系列的一組蓄電池中浮充24小時蓄電池最高端電壓與最低端電壓之差小于0.05V
d) 終止電壓 :1.6V(單體)或1.8V(單體)。
e) 工作電壓:放電過程中的端電壓。
f) 放電電流:帶負載時工作電流。
g) 容量:Ah(10小時率)C
10

i) 蓄電池內阻:mΩ級(蓄電池之間連線壓降≤10mV)。
j) 儲存性能:自放電,溫度,儲存時間。
k) 使用壽命:由充放、循環放電次數決定。
L) 自放電:放置3個月后自放電速率。

3.蓄電池的性能指標

a) 最大放電電流:蓄電池內部不熔斷<30I
10倍數。
b) 容量保存率:由自放電決定。
c) 密封反應性能:H
2↑, O2 ↑化合成水,有少量氣體溢出。
d) 安全閥動作:(1~49)Kp可靠的開啟或關閉。
e) 防爆性能:打火機在排氣孔點燃(充電時)無明火。
f) 防酸霧性能:蓄電池在通常的過充電條件下,抑制其內部產生的酸霧向外部泄放的能力。

4.蓄電池的結構組成

a) 蓄電池殼ABS、聚丙乙稀(可塑性好)。
b) 極板,正負極板鉛合金制成。
c) 隔板(AGM)制成。
d) 電解液H
2SO4
e) 正負極端頭。
f) 排氣閥。

5.蓄電池容量,放電率的定義

a) 容量安時(Ah),瓦時(Wh)。
例:具有80萬KW·h生產能力,求年營業額。
解:按12V100Ah蓄電池出廠價1200元;
       
      
b)放電率:20、10、5、3、1小時率。
定義:C
10 —10小時率為蓄電池額定容量,單位A·h;

 
例:求12V100Ah 蓄電池10h率放電電流數值。10h率放電電流為I10=1.00C10 ,即放電電流
    
I20—20h率放電電流數值為0.535I10(A);
I
1010h率放電電流數值為1.00I10(A);
I
55h 率放電電流數值為1.80I10(A);         
I
33h 率放電電流數值為2.50I10(A);
I
11h率放電電流數值為5.50I10(A)。

(三)蓄電池的充電方式      
                                                              
1、恒壓式充電
    
                       
 
                                                     

                                   

定義:充電電壓保持不變的方法。
13.8V左右時←→E=12V這樣可減少水的分解,當恒定電壓在較低時可避免氣體的產生,由于充電末期電流很小,可以避免過充電。缺點是,充電初期電流過大易造成活性脫落,極板彎曲。充電電流過小末期充電不足,時間太長,所以恒壓充電方式在小功率UPS中應用較廣。

2、恒流式充電    

                      
              

                                                  

定義:充電電流保持恒定的充電方法。
當充電到后期時,若不對充電電壓進行控制,則容易使蓄電池處于過充電狀態,蓄電池將有大量的水發生分解,活性物質易脫落,使蓄電池壽命減少,一般不在UPS系統中使用。原因:一是充電電路比恒壓充電復雜;二是對蓄電池的危害比較大。

3、先恒流后恒壓式充電        
                                 

 

定義:充電電流保持先恒流后恒壓的充電方法。                                
第一段用10小時充電率恒流充電到13.8V左右時(額定電壓為12V的蓄電池)。
第二段恒壓充電,使蓄電池電壓保持在13.8V左右進行浮充充電(額定電壓為12V的蓄電池),采用這種充電方法,可使蓄電池在整個充電過程中保持不析氣和微量析氣狀態。大功率UPS供電系統都采用此方法充電。
缺點:由于此種充電方式沒有較多的氣體,則電解液容易出現層化現象使蓄電池的自放電增加,容量下降。

4、帶有均衡充電的恒流恒壓式充電   
                     

定義:充電電流保持均衡充電的恒流恒壓的充電方法。 
個別蓄電池發生硫化使活性物質脫落,負極(PbSO
4)結晶、內阻大、容量低。均充電壓,(14.1V),加大正極板的再化合生成O2↑同時減少負極(PbSO4)的鹽化,當充電電流為20小時充電率的充電電流后,改為浮充電壓充電,目的使蓄電池一致性好。此控制電路較復雜,UPS不采用。

5、
脈沖式充電                
                  

定義:充電電流保持脈沖式充電方法。           
用脈沖電流對蓄電池充電,然后讓蓄電池停充一段時間,如此循環。對于一天多次停電,用恒壓恒流的充電方式不能及時補充電能,將使蓄電池壽命減少。因此應采用脈沖式充電方法,即在短時間內能充上電。

(四)影響蓄電池壽命的關鍵因素

1、環境溫度
工作溫度25℃,溫度每升10℃,蓄電池的實際壽命縮短一半,不得超過45℃。當溫度超過55℃時,將造成蓄電池的毀滅性損壞。溫度過低對壽命沒有影響。但有效容量(Ah)將下降。
2、深度放電
UPS定義電壓下限保護為一定值,當負載很小時,放電時間將很長,蓄電池壽命將減少即大顆粒的PbSO
4晶粒無法在充電時完全恢復成活性物質Pb和Pb0即充不進電。
3、大電流放電
當超過>3C
10時,易造成蓄電池永久損壞。
4.  欠充電 
—旦出現幾次連續停電的情況,由于蓄電池的欠充電,則內部有PbSO
4再也無法還原成活性物質Pb和PbO,從而造成蓄電池容量的銳減。
5.  長時間充電
按13.5V×n(n表示蓄電池的節數)的電壓值長時間對蓄電池進行浮充,而不放電,將造成陽極鈍化,內阻加大,容量減少。要求每三個月帶載放電一次,放電時間按設計延時時間的30%即可。

( 五 )  蓄電池應用的基本條件

1.  環境要求

(25±5)℃ 濕度≤70%,通風、散熱、無酸堿或其它腐蝕性氣體的空間,嚴禁安裝在完全密封的環境中。
2.  安裝要求
蓄電池安裝時應盡量與設備的其它部分隔離,盡量避免直接與印刷電路板連接。安裝蓄電池時應有一定的余量,以方便蓄電池的安裝。蓄電池連線應盡可能短,導線電流密度按5A/mm(小于50A)選取;大于50A時,導線的截面積不宜再根據5A/mm計算,應查電工手冊進行計算。同時還應考慮導線之間電壓  ≤10mV。

ρ—電阻率(Ω·mm/m);S—導線截面積(mm);L—導線長度(m);
I—蓄電池放電電流(A)。    

注:在保證連接導線的安全條件下,導線電阻值應盡可能的小,同時蓄電池之間連線的總電阻,應至少小于負載電阻的一個數量級。否則由于導線的壓降過大,將導致UPS及其他設備的故障及非正常運行。

例:       
設:銅的電阻率=0.0172 Ω·mm/m;
  S=6mm
;
  L=0.2m(蓄電池之間連線長度);
      
若蓄電池放電電流為I=15A,則該蓄電池之間連線的電壓為:
U=IR即15×0.57≈9(mV)<10mV符合標準要求,可進行施工。
3.  存放要求
蓄電池應放在干燥潔凈陰涼的環境中,蓄電池存放若已達(3~4)個月或更長的時間,則需定期對蓄電池進行補充電。蓄電池存放環境溫度最好保持在30℃以下。

(六) 蓄電池代表型號、執行標準、技術特點及適用范圍

1. 紐紳埔AGM2-(200Ah~3000Ah)系列免維護閥控式密封鉛酸蓄電池   
    執行標準:GB/T 19638.1-2014 , YD/T 799-2010
2. 紐紳埔AGM12-(7.2Ah~200Ah)系列免維護閥控式密封鉛酸蓄電池   
    執行標準:GB/T 19639.1-2005 ,GB/T 19638.1-2014,YD/T 799-2010
3. 紐紳埔DFS2-(200Ah~3000Ah)系列免維護閥控式密封膠體蓄電池  
    執行標準:YD/T 1360-2005 
4. 紐紳埔DFS12-(24Ah~200Ah)  系列免維護閥控式密封膠體蓄電池     
    執行標準:YD/T 1360-2005


以上系列產品采用免維護閥控式密封設計、選用最新工藝、自放電率低、充放電性能好、過放電充電恢復能力強、高倍率放電與低倍率放電兩種設計、長壽命設計、適用溫度范圍廣(-20~50)℃。DFS系列免維護閥控式密封膠體蓄電池,專為低溫、工作環境惡劣的場合而設計的。
溫度范圍可達(-35~50)℃。
主要適用于不間斷電源、通訊系統、電訊系統、郵電系統、電力系統、鐵路機車、鐵路通信系統(戶外用網絡通信設備即通信基站、一體化基站、直放站等后備蓄電池)、無線電設備及太陽能發電系統等。

(七)  起動用鉛酸蓄電池代表型號、執行標準、技術特點及適用范圍

1. 紐紳埔6-QA(12V/36Ah~12V/210Ah)系列干荷式蓄電池  
執行標準:GB/T 5008.1-2013 ,GB/T 5008.2-2013 ,GB/T 5008.3-2005

該系列產品具有:
優異的荷電性能,優異的極板干荷電性能;充足的電池容量,優良的鉛膏配方和工藝,確保電池容量充足,良好的高倍率、大電流起動放電性能,優異的低溫啟動性能;先進的合金配方,特殊的四元鉛基低銻合金,耐腐性能優良,水損耗低,自放電小,維護少;外觀設計先進,新穎的電池整體結構設計,確保電池美觀大方,裝卸方便。
適用于工程機械、叉車、汽車、拖拉機以及其它內燃機的起動和照明。
2. 紐紳埔6-QW(12V/36Ah~12V/200Ah)系列免維護鉛酸蓄電池  
執行標準:GB/T 5008.1-2013 ,GB/T 5008.2-2013 ,GB/T 5008.3-2005

該系列產品具有:
免維護性能好,采用優質鉛鈣錫多元合金,極低的自放電、失水率與析氣率;使用溫度范圍寬,先進的生產工藝,特種鉛膏配方與電解液配方,低溫起動性能好,充電接受能力強,耐高溫性能優良;優質進口復合隔板,電阻小,耐腐蝕性強,孔徑小,孔率高;全密封、免維護系列產品采用高純度進口材料,特殊防爆排氣設計、安全可靠。首次加液后即可實現全密封化,使用中無需加水,真正實現了免維護。
適用于工程機械、叉車、汽車、拖拉機以及其它內燃機的起動和照明。


(八)固定型鋰離子電池代表型號、執行標準、技術特點及適用范圍

紐紳埔V-LFP(1.1S~60S) 系列固定型鋰離子電池   
執行標準:Q/XT 002-2007
北京紐紳埔科技有限公司根據中國鐵路、軍隊等特殊行業的需要,最新推出V-LFP系列磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池是以磷酸鐵鋰物質作為正極材料,石磨作負極材料的一款新型鋰離子電池,它的電解質溶解在有機溶劑中形成有機電解液,并被隔膜和極片吸收;在工作異常時它將電解液分解產生的氣體從安全閥排出,從而保證當磷酸鐵鋰電池壽命終止時,不會對周邊的設備造成損壞。它具有高安全性、低內阻、比能量高、使用壽命長等優異特點,應用前景極為廣闊。磷酸鐵鋰電池以1C
1A電流進行循環,壽命超過2000次,是鉛酸蓄電池的8倍,普通鋰離子電池的3倍。磷酸鐵鋰電池可以側立和倒立使用。相同Wh條件下磷酸鐵鋰電池僅是鉛酸蓄電池重量的1/3,體積的3/4。磷酸鐵鋰電池使用過程中不需要進行添加電解液等類似的維護。磷酸亞鐵鋰材料結構穩定,高溫500℃下不會分解釋放出O2, 具有較高的安全性,不會因為過充、過放和短路等誤操作而導致起火、爆炸。磷酸鐵鋰電池對環境無污染,不含重金屬和酸堿等腐蝕性液體。磷酸鐵鋰電池不像鎳氫、鎳鎘等電池有記憶效應,磷酸鐵鋰電池可在任何荷電狀態下循環工作。適用于鐵路機車無線通信設備(CIR)、軍隊戶外移動指揮通訊設備、光伏儲能、電動車輛、UPS、基站電源等調備。是未來二次電池的發展方向。

以上所述僅供參考,不妥之處敬請諒解!

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