仪表用UPS选型计算涉及UPS容量计算和蓄电池容量计算两方面内容,昌晖仪表在本文结合实例分析和解读仪表用UPS选型计算的思路和方法。
1、UPS容量的计算
通常仪表用UPS需给计算机控制系统(DCS,PLC,SIS,CCS,GDS等)、在线分析仪表系统、监控计算机、现场测量仪表、执行机构和其他监控仪表供电,分别统计各用电设备的用电负荷,按照耗电量总和的1.2倍进行UPS容量的计算(当考虑预留时可按1.5倍计算,但注意UPS容量不宜选择过大)。
计算机控制系统一般由电源柜、网络柜、系统柜、辅助柜(安全栅柜、电涌保护器柜、继电器柜)等组成,具体应用中准确的UPS容量需计算机控制系统厂家根据实际硬件配置计算,若无精确数据,可按每个机柜视在功率600~1000W的用电负荷进行估算;二线制仪表(如压力变送器、涡街流量计、转子流量计、智能定位器等)一般由计算机控制系统的I/O卡件或安全栅供电,其用电功率不单独统计;对于部分非回路供电的仪表,其用电负荷见表1。
表1 常见测量和控制仪表功率
由表1可以看出,绝大部分非回路供电的现场仪表功率都较小,计算用电负荷时可忽略不计,但对大功率的仪表如分析仪等需另做统计。另外注意在计算过程中有功功率单位(W)和视在功率单位(VA)换算,视在功率(VA)约等于有功功率(W)的值除以负载功率因数(多取0.8)。视在功率又称为容量,直流电源容量通常以输出电流“A”表示,交流电源容量以“VA”或“kVA”表示。常用的UPS容量有3、6、10、15、20、30、40、60、80、100、120、140、160、200、300、400、500、600、800kVA等,计算后的UPS容量值可根据上述数据进行圆整。
2、UPS蓄电池的计算
UPS的不间断供电时间取决于蓄电池自身储存能量的大小。UPS可内置蓄电池,其备用时间为10min左右,而要求服务于过程控制的UPS后备时间不低于30min,则需配置外置蓄电池组。蓄电池质量的好坏对UPS备用时间有着至关重要的影响,在UPS的选型采购过程中往往容易被忽略。
UPS中常用的蓄电池有铅酸、镍镉、镍氢和锂电池,主要以铅酸蓄电池为主,其优点是稳定性好、自放电率较低、无记忆效应等,缺点是体积比能量和质量比能量较低、含有重金属、抗热性差以及使用寿命短。铅酸蓄电池又分防酸式和阀控式,由于防酸式铅酸蓄电池技术落后,现已逐步停止使用。
蓄电池的容量是UPS很重要的参数,若蓄电池容量过高带来成本增加,且在电池放电时容易出现电流小而深度放电,影响电池的使用寿命;若蓄电池的容量过小则不满足供电的要求,出现电流过大,同样影响电池的寿命。因此需合理地配置蓄电池组,蓄电池容量的计算通常有恒功率法(查表法)、恒流法、电流估算法和电源法,不同计算方法计算出来的结果也有所不同,其中恒功率法是最常用的UPS蓄电池容量的计算方法。
恒功率法是遵循能量守恒定律,蓄电池提供的功率大于负荷消耗的功率,当后备时间小于1h时,采用恒功率法计算结果较为精确。蓄电池恒功率数据来自试验数据,由于没有考虑蓄电池的折旧以及温度的变化,故恒功率法适用于UPS蓄电池运行环境稳定,负载长时间在额定容量80%以下运行的工况。恒功率法计算如下所示:
式中P负荷为蓄电池组提供的总功率,W;S额为UPS的额定容量,VA;cosΦ为负载功率因素;η逆为UPS逆变器效率。
式中 Pnc为每节蓄电池需要提供的功率值,W;N为UPS配置的蓄电池单体数量,若蓄电池一组电池有30块,则N=30;n为单体蓄电池节数,每块12V蓄电池内部是由6个2V基本单元电池组成,故n=6。
通过上述计算确定蓄电池对应时间下提供的功率值数据,实际配置时查表配置合适的蓄电池使得蓄电池实际试验的恒功率数据大于等于式计算的结果。
如某PS额定容量为40kVA,负载功率因数为0.8,逆变器逆变效率为0.93,要求后备时间30min。
将上述数据代入计算,可得Pm=191W。
目前中小功率UPS(10kVA以下)电池寿命一般为3~5a,中大功率UPS(10kVA以上)电池寿命一般为5~8a,在使用过程中应适当地放电有助于电池的激活;如长期不停市电,每隔3个月可人为断掉市电用UPS带负载放电一次,可以延长电池的使用寿命,对于容量低于80%的或已达到使用年限的蓄电池组应及时更换。
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