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            選擇控制系統不間斷電源(UPS)的五大要點

            發表時間::2022-11-21

            圖片來源 :菲尼克斯電氣


            作者 | Ken Allwine


             

            關鍵控制系統需要配置不間斷電源(UPS),來預防可能導致控制器崩潰的瞬時電源中斷。


            工業物聯網 (IIoT) 依賴于快速準確的通信。關鍵控制系統無法承受瞬時電源中斷,因為這可能會導致工業 PC 或控制器的崩潰。不間斷電源 (UPS) 可以防止此類事件的發生。了解 UPS 的基礎知識和下面的五方面注意事項,有助于為工業應用選擇合適的 UPS 電源。


            定義 UPS 的應用需求


            UPS 將為哪種負載供電——交流還是直流?傳統系統傾向于使用交流電源運行,因此舊系統的改造也就需要交流電源。在過去的 20 年中,工業 PC 市場的增長已轉向直流電源。應當充分考慮功率和運行時間的要求,仔細 UPS 的規格并建立切合實際的期望。


            如果持續停電,UPS 可確??刂破脚_安全有序地關閉,從而避免數據丟失、系統崩潰或故障。在設計系統時,請選擇合適的電池容量,以便在關閉 PC 或主電源在合理時間內恢復之前,允許系統運行一段時間。超大規格的電池系統,充電的時間可能更長。


            大多數 UPS 制造商使用行業標準類型。一些制造商只提供一種技術,例如閥控鉛酸 (VRLA)。而其它公司將提供多種產品,例如閥 控鉛酸、寬溫閥控鉛酸和磷酸鐵鋰等。不同的電池在性能和使用壽命上有所不同。


            理想情況下,UPS 將提供電池系統的多個健康狀態監測點,因此操作人員可以在電池發生故障前采取預防措施。大多數 UPS 使用 LED,少數則提供具有固定閾值點的干結點輸出。較新的 UPS 系統提供上述方法,并將數據集成到通過工業以太網協議進行通信的控制平臺中。


            圖 1 :隨著工業物聯網和大數據在工業應用中的廣泛實施,可靠的電力比以往任何時候都更重要。為應用選擇合適的 UPS 系統,可以防止電源中斷可能導致的問題和成本。圖片來源 :菲尼克斯電氣


             分布式交流 UPS 技術 


            在以交流電壓運行的控制系統中,交流 UPS 最合適。離線或待機拓撲結構非常簡單明了。這些產品價格低廉,所以是最常見的交流 UPS 類型。在正常情況下,離線 UPS 將主電源從輸入端傳遞到輸出端,除了為與主電源電路并聯的電池充電外,沒有其它交互作用。如果主電源出現故障,UPS 將從主電源電路切換到電池電路。從 UPS 失去主電源到電池供電的轉換時間,不能超過 10ms。10ms 的切換,通常不會影響下游設備,但可以保護對電壓波動敏感的系統。


            交流 UPS 有兩個子集:改進的(模擬)正弦波輸出設備和純正弦波輸出設備。每種的交流輸出都不相同。


            改進的正弦波設備從電池組獲取電壓,并以最簡單的形式創建與正弦波類似的波形輸出。雖然這種類型的 UPS 成本相對較低,但也有一些缺點。電壓的大幅階躍會損壞下游設備的輸入電路。這些巨大的階躍還會導致 UPS 輸出中產生大量的切換瞬變。這會導致小型 PC 和 PLC 電源模塊過早出現故障。


            純正弦波 UPS 會產生與 120/230V 主電源饋送的波形相同的正弦波形輸出。純正弦波 UPS,是可編程邏輯控制器 (PLC)、分布式控制系統 (DCS) 和工業 PC(IPC)等敏感控制設備的更好選擇。盡管需要更多的電路,但由 UPS 供電的控制設備的使用壽命更長,從而降低了總擁有成本。


            關鍵任務應用需要更先進的 UPS,即雙轉換或在線 UPS。這樣的 UPS 永遠不會處于待機模式。電池電路主動連接到系統。如果主電源中斷,則輸出不會出現中斷或電壓驟降,從而實現電池的無縫運行。在線系統具有內置過濾和調節裝置。在正常運行期間,它將輸入電源從交流轉換為直流,然后通過逆變器再轉換為交流電。隔離可防止電壓波動和輕微的輸入功率干擾。這類 UPS 的價格更高,體積也更大。


            圖 2 :離線式 UPS 在正常情況下將主電源從輸入 端傳遞到輸出端,除了與主電源電路并聯的電池充 電電路外,沒有其他互動。


             分布式直流 UPS 設計 


            交流 UPS 的缺點是所有下游設備都是交流供電的,并依賴于該 UPS??刂乒駪每赡苄枰粋€非常大的交流 UPS 來為所有下游設備供電。如果交流 UPS 出現故障,下游設備相應的也會出現故障。分布式直流 UPS 可以節省成本和空間。大多數控制柜都基于直流電壓。交流 UPS 在入口處實現備用。對于直流 UPS,后備電源則在交流 / 直流轉變之后實現。


            負載可以分為緩沖負載和非緩沖負載。非緩沖負載是指可在主電源丟失期間斷電,而不會導致系統故障的設備。交流 / 直流電源可以直接為這些負載供電。直流 UPS 將為執行重 要功能的設備或緩沖負載供電。這可以顯著降 低直流 UPS 的負載。安培數降低,也就意味著更小的 UPS 規格和電池容量。


            直流 UPS 技術比交流 UPS 設計簡單。直流產品不需要交流 - 直流轉換器或直流 - 交流逆變器。UPS 中的所有電壓,都是 24Vdc,屬于安全超低電壓 (SELV)。這使電源和電池組更有效。將額外的 DC/DC 轉換器用于其它 DC 電壓,會在轉換中消耗更多的電流,并會寄生在系統上。在功能更高級的 UPS 系統中, 唯一的直流轉換發生在電池充電電路中。直流 UPS 系統可以實現負載優先。優先為連接到 UPS 的負載供電。


            當 UPS 以主電源模式為負載供電并為電池組充電時,UPS 將監控負載電流。如果負載電流和充電電流組合會使主交流 / 直流電源過載,UPS 將自動降 低充電電流,以防止過載。由于電路更簡單,直流 UPS 的體積通常比交流小。一些模塊化直流 UPS 系統帶 有內置診斷功能。有了實時監測信息,就可以在故障發生前更換電池,而不是靠猜測來更換電池。


            圖3 :在“在線”或 “雙轉換”配置中, UPS 從不處于待機模式。


             工業 UPS 電池 


            電池是 UPS 系統的支柱。當停電時,電池會繼續工作。那么如何確保電池不是 UPS 的薄弱環節呢?在 工業 UPS 應用中,常見電池類型包括閥控鉛酸、寬溫閥控鉛酸和磷酸鐵鋰的電池。


            最常見的類型是標準閥控式鉛酸蓄電池,具有成本低、兼顧成本和容量的優點,但耐用性不佳。標準電池的標稱工作溫度為 0 至 40℃。它 們在 27℃左右的恒溫房間內表現最佳。雖然它們在受控環境中很常見,但許多工業應用的溫度范圍為 -40 到 70℃,這會大大縮短閥控鉛酸電池的使用壽命。


            寬溫閥控鉛酸電池可在 -25 至 60℃的溫度范圍內運行。它們的使用 壽命比標準閥控鉛酸稍長。它們通常 用于戶外應用?;瘜W性能與標準閥控 鉛酸不同,寬溫閥控鉛酸通常更大且價格更高。在出現故障之前,閥控鉛酸和寬溫閥控鉛酸電池可以運行大約 250 到 300 個充電周期,因此閥控鉛酸可持續六個月,而寬溫閥控鉛酸可持續一年半到兩年。鋰電池壽命和溫度范圍與寬溫閥控鉛酸電池相似。鋰電池最多可充電 7,000 次,從而延長使用壽命。鋰電池的成本可能是寬溫閥控鉛酸的 3 倍,但性能更好。


             連接 UPS 數據 


            工業物聯網的發展帶來了更多互聯性,設備也更智能。通過可靠的網絡和協議,UPS 性能數據可連接到工業以太網網絡,從而可以訪問這些數據,使最終用戶能夠及時了解所安裝的 UPS 的電池性能。


            關鍵概念: 

            ■ 在選擇 UPS 之前應先定義 UPS 的應用需 求。 

            ■ 了解分布式交流和直流 UPS 設計。 

            ■ 考慮電池的性能和通信。


            思考一下: 

            可靠的 UPS 電源系統可以在多大程度上防止關鍵控制系統因停電故障?


            - END -

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