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1 引言 計算機已在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。作為直接關(guān)系到計算機軟硬件能否安全運行的一個重要因素——電源質(zhì)量的可靠性應(yīng)當成為中小企業(yè)首要考慮的問題。伴隨著計算機的誕生而出現(xiàn)的UPS(Uninterrupted Power Supply)現(xiàn)已被廣大計算機用戶所接受。UPS主要用于給單臺計算機、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其它電力電子設(shè)備提供不間斷的電力供應(yīng)。目前，UPS正在被廣泛地應(yīng)用于計算機、交通、銀行、證券、通信、醫(yī)療、工業(yè)控制等行業(yè)。 不少電氣工程人員在配置電源時，往往比較注重不間斷電源(UPS)主機的性能，忽視了對UPS配套蓄電池的選擇。不恰當?shù)呐涮仔铍姵剡x擇往往會造成UPS后備時間不足、電池不能放電等事故，嚴重影響UPS的質(zhì)量。 2 UPS的工作原理及種類 2.1、UPS的工作原理 UPS電源一般是由常用電源和備用電源通過轉(zhuǎn)換開關(guān)組合而成，它們之間由邏輯電路進行控制，以保證在電網(wǎng)正常或停電狀態(tài)下，整個系統(tǒng)都能可靠地工作。當市電正常時，UPS相當于一臺交流穩(wěn)壓電源，它將市電穩(wěn)壓后再供給計算機，與此同時，它還向UPS內(nèi)蓄電池充電。當市電突然中斷時，UPS立刻轉(zhuǎn)為逆變工作狀態(tài)，小容量的UPS一般能持續(xù)供電5～20 min，所以能保證計算機系統(tǒng)的正常退出，使軟硬件不受損失。圖1為電源UPS原理圖。 圖1 UPS原理圖 2.2、UPS的種類 UPS的分類方法多種多樣，按功率大小可以分為大中小三種功率容量；按輸出波形可以分為方波、梯形波或者正弦波；按輸入輸出方式可以分為單相入單相出、三相入單相出或三相入三相出；按工作原理還可以分為動態(tài)UPS和靜態(tài)UPS兩大類。動態(tài)不間斷電源是依靠慣性飛輪存儲的動能來維持負載電能供應(yīng)的連續(xù)性的，這種不間斷電源具有笨重、噪聲大、效率低、切換時間長等缺點，已被靜態(tài)不間斷電源所取代。靜態(tài)UPS以蓄電池組為儲能工具，市電正常時交流市電經(jīng)整流后變?yōu)橹绷麟姴㈦娔艽鎯υ谛铍姵亟M中，當市電中斷時再由逆變器將蓄電池組中儲存的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妬砭S持向負載供電。根據(jù)工作方式的不同，靜態(tài)UPS又可分為后備式UPS、在線式UPS、在線互動式UPS和Delta變換型UPS四種類型，下面分別加以介紹。 1.后備式UPS 后備式UPS主要由充電器、蓄電池、逆變器和變壓器抽頭調(diào)壓式穩(wěn)壓電源四部分組成。后備式UPS的工作原理如圖2所示。后備式UPS具有電路簡單、成本低、可靠性高的優(yōu)點，但是其輸出電壓穩(wěn)定精度差，市電掉電時負載供電有一段時間的中斷。另外受切換電流和動作時間的限制，輸出功率一般較小，一般后備式正弦波輸出UPS，容量在2kVA以下，后備式方波輸出UPS容量在lkvA以下。 圖2 后備式UPS原理圖 2.在線互動式UPS 在線互動式UPS，與在線式UPS相比，它省去了整流器和充電器，而由一個身兼二職的逆變器/充電器模塊配以蓄電池組構(gòu)成，其原理框圖如圖3所示。 圖3 在線互動式UPS原理圖 在線互動式UPS具有效率高(可達98%以上)、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高的優(yōu)點，但是它大部分時間由市電直接給負載供電，輸出電壓質(zhì)量差，市電掉電時交流旁路開關(guān)存在斷開時間，導致UPS輸出存在一定時間的電能中斷。 3.Delta變換型UPS Delta變換型UPS又稱串并聯(lián)UPS，它主要由低通濾波器、Delta變換器和主變換器構(gòu)成，其原理框圖如圖4所示。 圖4 Delta變換型UPS原理圖 Delta變換型UPS的優(yōu)點是：①、負載電壓由主變換器的輸出電壓決定，輸出電能質(zhì)量好。②、主變換器和Delta變換器只對輸出電壓的差值進行調(diào)整和補償，它們承擔的最大功率僅為輸出功率的20%(相當于輸入市電電壓的變化范圍)，所以整機效率高，功率余量大，系統(tǒng)抗過載能力強。③、輸入功率因數(shù)高，可達99%，輸入諧波電流小。但是Delta變換型UPS主電路和控制電路相對復雜，可靠性差。 4.在線式UPS 在線式UPS又稱串聯(lián)調(diào)整式UPS，目前絕大多數(shù)大中型UPS都是在線式的。在線式UPS一般由整流器、充電器、蓄電池組和逆變器等部分組成，其原理框圖如圖5所示。 圖5在線式UPS原理圖 在線式UPS的特點是：①、不論市電正常與否，負載都由逆變器供電，所以當市電發(fā)生故障的瞬間，UPS的輸出電壓不會產(chǎn)生任何間斷。②、由于UPS逆變器采用高頻SPWM調(diào)制和輸出波形的反饋控制，可以向負載提供電壓穩(wěn)定度高、波形畸變小、頻率穩(wěn)定以及動態(tài)響應(yīng)速度快的高質(zhì)量的電能。③、全部負載功率都由逆變器提供，輸出能力受限制。④、整流器和逆變器都承擔全部負載功率，整機效率比較低。 從以上分析可以看出，按技術(shù)性能優(yōu)劣排序，其順序應(yīng)為：在線式UPS＞Delta變換型UPS＞在線互動式UPS＞后備式UPS。理想的UPS需要具有以下特性：①、輸入有很高的功率因數(shù)。②、輸出電壓的諧波畸變率很低，特別是在非線性負載下的總諧波畸變率。③、輸出電壓有很高穩(wěn)定度，包括幅值和頻率的穩(wěn)定。④、系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度非常快。⑤、系統(tǒng)有很強抗過載能力和抗負載沖擊能力，包括人為的自然災害。⑥、系統(tǒng)有低的電磁干擾，低的維護費用，低成本，重量輕，體積小。⑦、可多機并聯(lián)運行以實現(xiàn)冗余式UPS供電系統(tǒng)。 3 UPS蓄電池的種類 UPS要求所選用的蓄電池必須具有在短時間內(nèi)輸出大電流的特性。目前，在線運行的蓄電池基本上有兩種，它們都屬于鉛酸蓄電池。 3.1、防酸隔爆鉛酸蓄電池 這種電池在早期的UPS系統(tǒng)中使用較多，只要維護得當，會有較長的使用壽命，但由于在運行中存在大量的電解液水分散失，需經(jīng)常性地測量電解液的溫度、密度，往電池內(nèi)部添加蒸餾水，維護工作量極大，現(xiàn)在的UPS系統(tǒng)中已很少配用。 3.2、閥控式密封鉛酸蓄電池(VRLA) 因其體積較小，密封性能好、絕少維護而被廣泛應(yīng)用于各類UPS電源中。VRLA防止電池內(nèi)部電解液流動有兩種技術(shù)方法：一種技術(shù)是將硫酸電解液與SiO2膠體混合后充滿電池內(nèi)部，制成膠體電池(簡稱GEL)。這類產(chǎn)品產(chǎn)量較低，約占VRLA電池總量的15%；另一種技術(shù)是利用超細玻璃棉將電解液不飽和地吸附住，制成吸液式電池或貧液式電池(簡稱AGM)。由于后者具有較好的大電流放電性能，在UPS系統(tǒng)中較多采用，國內(nèi)廠家也大多生產(chǎn)AGM蓄電池。 4 UPS蓄電池的選擇 4.1、蓄電池容量(Ah)的選擇 蓄電池容量(Ah)是指在標準環(huán)境溫度下，每2V電池單體在給定時間至1.80V終止電壓時，可提供的恒定電流值(A)與持續(xù)放電時間(h)的乘積。給定持續(xù)放電時間為10h的容量稱為10h率容量，用符號C10來表示。蓄電池容量可用20h率、10h率、8h率、5h率、3h率、1h率、0.5h率等多種方法表示，一般采用C10作為蓄電池的額定容量來標稱蓄電池。額定容量是蓄電池的主要參數(shù)，不少工程人員就認為，兩種品牌相同額定容量的蓄電池可以在同一套UPS系統(tǒng)中替代使用。這種觀點是有偏頗的，因為兩種蓄電池具有相同額定容量，只表示它們的10h放電性能一致，但在10min、30min、lh、3h等時間內(nèi)可提供的恒功率值和恒電流值則可能差異較大，而UPS后備時間通常不到10h，所以UPS配用蓄電池時，考察其在后備時間內(nèi)的放電性能就尤為重要。 在已知UPS主機一些基本參數(shù)和確定蓄電池品牌后，我們就可以根據(jù)這一蓄電池品牌樣本資料中提供的恒功率放電數(shù)據(jù)表或恒流放電曲線，通過功率定型法或電流定型法來計算確定蓄電池的容量和型號。 1.功率定型法 這種方法比較簡便，根據(jù)蓄電池恒功率放電參數(shù)表可以快速準確地選出蓄電池型號。首先計算在后備時間內(nèi)，每個2V的蓄電池至少應(yīng)向UPS提供的恒功率： P=Scosφ／(ηN·K)(1) 式中：S---UPS標稱輸出功率；cosφ---UPS輸出功率因數(shù)；η---逆變器效率；N---在UPS中以12V電池計算時所需的串聯(lián)電池個數(shù)，由UPS正常工作電壓確定；K---系數(shù)，廠家提供的電池恒功率放電數(shù)據(jù)表，一般是以2V單元電池為計算基準的，12V／節(jié)電池相當于6個2V單元串聯(lián)，此時取K=6；如果電池廠家提供的電池恒功率放電數(shù)據(jù)表是以12V單元電池為計算基準的，則K=1。然后確定蓄電池的放電終止電壓UT: UT=Umin／(N*6) (2) 式中:Umin ---UPS最低工作電壓 我們可以在廠家提供的UT下的恒功率放電參數(shù)表中，找出等于或稍大于P的功率值，這一功率值所對應(yīng)的型號即能滿足UPS系統(tǒng)的要求。如果表中所列的功率值均小于P，可通過多組電池并聯(lián)來達到功率要求，一般并聯(lián)不應(yīng)超過4組。 下面舉例說明：例如一臺80kVA梅蘭日蘭UPS后備15min，已知UPS輸出功率因數(shù)cosφ為0.8，逆變器效率η為0.94，正常工作電壓為384V，最低工作電壓Umin為320V，則配套蓄電池組N應(yīng)為32節(jié)(384V／12V)12V／節(jié)電池串聯(lián)，根據(jù)式(1)得出P=354.6W，根據(jù)式(2)得出放電終止電壓UT=1.67V。如我們選用美國GNB Sprinter系列電池，根據(jù)GNB Sprinter樣本提供的在25℃時每單元恒功率放電數(shù)據(jù)表，查找15min列下等于或稍大于354.6W的功率值為373W，對應(yīng)的型號為S12V370，其額定容量為100Ah，也就是說，用32節(jié)GNB S12V370蓄電池串聯(lián)，可以滿足該UPS系統(tǒng)的要求。如果選用2V／節(jié)電池串聯(lián)，則在2V系列電池的恒功率放電數(shù)據(jù)表中查出相應(yīng)型號，整組串聯(lián)電池數(shù)量為6N。 2.電流定型法 這是根據(jù)某一品牌蓄電池的恒流放電曲線來確定蓄電池容量和型號的方法。首先計算UPS系統(tǒng)要求的蓄電池最大放電電流： Imax=Scosф／(ηUmin) (3) 式(3)中各符號的含義與功率定型法中所定義的相同。在計算出電池串聯(lián)數(shù)量N和放電終止電壓UT后，就可以根據(jù)UPS要求的后備時間從蓄電池恒流放電曲線中查出放電速率n，然后根據(jù)放電速率的定義：n=Imax／C10，得出配置蓄電池的額定容量C10并確定電池型號。 下面仍以80kVA梅蘭日蘭UPS后備15min系統(tǒng)配套美國GNB Sprinter l2V電池為例來說明。首先按式(3)計算蓄電池的最大放電電流，Imax =212．8A，由式(2)得出每2V單元的放電終止電壓UT=1.67V。在sprinter恒流放電曲線圖(圖6)中，根據(jù)后備時間15min(橫坐標)和放電終止電壓1.67V(縱坐標)，可得出放電速率n為2.13C(容量)。據(jù)此可得電池的額定容量為：C=Imax／n=100Ah(即C10)。100Ah所對應(yīng)的型號為S12V370，即用32節(jié)GNB S12V370電池串聯(lián)能滿足系統(tǒng)要求。 圖6 sprinter恒流放電曲線圖 4.2、蓄電池壽命的選擇 蓄電池的壽命有兩項衡量指標，一是浮充壽命，即在標準溫度和連續(xù)浮充狀態(tài)下，蓄電池能放出的最大容量不小于額定容量的80%時所使用的年限；二是80%深度循環(huán)充放電次數(shù)，即滿容量電池放掉額定容量的80%后再充滿電，如此可循環(huán)使用的次數(shù)。 通常，工程技術(shù)人員僅注重前者，而忽略了后者。80%深度循環(huán)充放電次數(shù)代表著蓄電池實際可以使用的次數(shù)，在經(jīng)常停電或市電質(zhì)量不高的情況下，當蓄電池的實際使用次數(shù)已經(jīng)超過規(guī)定的循環(huán)充放電次數(shù)時，盡管實際使用時間還沒達到標定的浮充壽命，但蓄電池其實已經(jīng)失效，如果不能及時發(fā)現(xiàn)則會帶來較大的事故隱患。所以，在選擇蓄電池時，我們對兩項壽命指標都應(yīng)予以重視，在市電經(jīng)常中斷的條件下，后者就尤為重要。在選擇UPS配套蓄電池時，我們應(yīng)考慮足夠的浮充壽命裕量。根據(jù)經(jīng)驗，蓄電池的實際使用壽命往往只有標定浮充壽命的50%～80%。這是因為蓄電池實際浮充壽命與定義標準溫度、實際環(huán)境溫度、電池充電電壓、使用維護等眾多因素有關(guān)。當實際環(huán)境溫度比定義標準環(huán)境溫度每升高10℃，蓄電池會因為內(nèi)部化學反應(yīng)速度增加一倍而導致浮充壽命縮短一半，所以，UPS蓄電池機房應(yīng)配備空調(diào)設(shè)備。在定義溫度值方面，歐洲標準為20℃，中國、日本、美國等標準為25℃。20℃10年浮充壽命的蓄電池如換算到25℃標準，僅相當于7～8年浮充壽命。 配套蓄電池的標稱浮充壽命應(yīng)該是用我們希望的蓄電池實際使用壽命除以一個壽命系數(shù)后所得的數(shù)值。這一壽命系數(shù)通常憑經(jīng)驗確定，蓄電池可靠性高的可取為0.8，可靠性低的可取為0.5。 4.3、單個蓄電池電壓的選擇 VRLA按單節(jié)電壓分有12V／節(jié)、6V／節(jié)、4V／節(jié)和2V／節(jié)等四種不同形式。從經(jīng)濟方面來看，UPS正常工作電壓一定，選用的電池單節(jié)電壓越高，電池組所用的串聯(lián)電池數(shù)量越少，配套電池組的價格也越便宜。但從安全性方面來看，選用的電池單節(jié)電壓越低，整個系統(tǒng)越安全。如果12V／節(jié)的電池壞了一節(jié)，整個蓄電池后備系統(tǒng)就少了12V，UPS主機就有可能開啟低壓報警功能使整個UPS系統(tǒng)不能正常工作。所以在選用12V／節(jié)蓄電池時，多采用多組并聯(lián)來達到UPS系統(tǒng)要求，萬一有一組出問題，還有其他組的電池可運作。 4.4、蓄電池所能承受的紋波系數(shù) 在UPS系統(tǒng)中，蓄電池還起到濾波器的作用，承受UPs輸入紋波電壓和紋波電流的沖擊。如果所選蓄電池承受紋波系數(shù)的能力較差，而紋波系數(shù)又比較大，則會使蓄電池過早地失效而引起不能放電的事故。IEC蓄電池標準規(guī)定，VRLA應(yīng)能承受0.5%的紋波系數(shù)，但使用UPS的場合，紋波系數(shù)都比較大，有的甚至達到2%，所以應(yīng)對蓄電池的可承受紋波系數(shù)按實際情況提出要求。 4.5、蓄電池性能均一性 從理論上講，蓄電池的電壓、內(nèi)阻、壽命等性能應(yīng)該是一致的，可以無限多組數(shù)地進行并聯(lián)以達到要求的容量。但在實際生產(chǎn)過程中，由于所用材料純度、生產(chǎn)工藝、工作人員、生產(chǎn)環(huán)境溫度等差異，同一條流水線上制造的蓄電池通常在性能上有一定的差異，即使同一品牌同一型號相同生產(chǎn)日期生產(chǎn)的蓄電池，性能也不可能做得完全一致，這一點可以通過測量比較蓄電池的單節(jié)開路電壓看出來。 工程人員通常采用便宜的小容量電池多組并聯(lián)來達到UPS要求的較大蓄電池容量，如果采用性能均一性較差的電池多組并聯(lián)，性能差、電壓低的電池組就會將性能好的蓄電池組拖垮，導致整套UPS蓄電池系統(tǒng)提前失效。目前性能均一性主要根據(jù)蓄電池電壓均一性來衡量，國內(nèi)有多種標準要求，例如信息產(chǎn)業(yè)部YD／T 799--1996標準要求為：25℃時整組蓄電池2V單元浮充電壓差不大于±50mV，開路電壓差不大于±20mV；電力部DL／T637--1997標準要求是：25℃時，如電池系統(tǒng)采用2V／節(jié)電池，開路電壓最高的一節(jié)與最低的一節(jié)差異不超過30mV，6V／節(jié)電池不超過40mV，12V／節(jié)電池則不超過60mV。一般蓄電池并聯(lián)組數(shù)不應(yīng)超過4組，為防止整套蓄電池系統(tǒng)的提前失效，在選擇蓄電池時，應(yīng)該在性能均一性方面提出要求。當確定了蓄電池型號之后，在一套UPS系統(tǒng)中最好要求廠家提供同一批次的蓄電池產(chǎn)品，以減小性能方面的差異。同樣道理，不同品牌或者新舊程度不同的蓄電池，由于存在較大的性能差異，建議不要混合使用。最后，要特別指出的是即使選擇了恰當?shù)腣RLA，也需要進行一些必要的日常維護和管理，避免蓄電池過早失效。 5 UPS蓄電池的維護 隨著科技的不斷發(fā)展，UPS的性能越來越好，平均無故障工作時間越來越長，整機的可靠性越來越高。做好UPS中消耗品蓄電池的維護變得尤為重要。 5.1、新電池的初充電 新的蓄電池在安裝完畢后，一般要進行一次較長時間的充電，充電電源要按照說明書中的規(guī)定進行充電，待電池組充電完畢后，進行一次放電，放電后再次充電，目的是延長電池的使用壽命，提高電池的活性和充放電特性。 5.2、定期充放電 UPS電源內(nèi)部的蓄電池長期閑置不用或使蓄電池長期處在浮充狀態(tài)而不放電，會導致電池中大量的硫酸鉛吸附到電池的陰極表面，形成所謂的電池陰極板的“硫酸鹽化”，由于硫酸鉛是一種絕緣體，它的形成必將對電池的充放電產(chǎn)生極不好的影響，因為在陰極板上形成的硫酸鹽越多，電池的內(nèi)阻越大，電池的可充放電性能越差，從而導致電池“老化”、“活性”下降，使蓄電池的使用壽命大大縮短。應(yīng)該每隔3～4個月，人為地通過中斷市電或通過軟件／硬件控制手段將UPS的整流器／充電器置于關(guān)閉狀態(tài)，讓UPS中的蓄電池放電。對于這種為“激活”電池而進行的電池放電操作，它的放電時間以控制在正常放電時間的1／3～1／4為宜。 5.3、嚴禁深度放電 密封免維護蓄電池的使用壽命與蓄電池的放電深度密切相關(guān)。放電深度是指用戶在蓄電池使用的過程中，電池放出的安時數(shù)占它的標稱容量安時數(shù)的百分比。深度放電會造成蓄電池內(nèi)部極板表面硫酸鹽化，導致蓄電池的內(nèi)阻增大，嚴重時會使個別電池出現(xiàn)“反極”現(xiàn)象和電池的永久性損壞。電池的放電深度嚴重影響電池的使用壽命，非迫不得已，不要讓電池處于深度放電狀態(tài)。 5.4、盡量避免過電流充電 過流充電易造成電池內(nèi)部的正負極板彎曲，使極板表面的活性物質(zhì)脫落，造成電池可供使用容量下降，嚴重的會造成電池內(nèi)部極板短路而損壞。 5.5、盡量避免蓄電池過壓充電 過壓充電往往會造成蓄電池電解液所含的水被電解分離成氫氣和氧氣而逸出，從而使電池使用壽命縮短。 5.6、更換活性下降、內(nèi)阻過大的電池 (1)、隨UPS電源使用時間的延長，總有部分電池的充放電特性會逐漸變壞，端電壓明顯下降，這種電池的性能不可能再依靠UPS電源內(nèi)部的充電電路來解決，繼續(xù)使用會存在隱患，應(yīng)及時更換。 (2)、對于蓄電池內(nèi)阻增大，用正常的充電電壓對電池進行充電已不能使蓄電池恢復其充電特性的電池應(yīng)及時更換。電池的內(nèi)阻一般在10～30mΩ，如電池的內(nèi)阻超過200mΩ上，將不足以維持UPS的正常運行，對內(nèi)阻偏大的電池必須更換。 5.7、避免蓄電池新舊混用或新舊電池混合充電 由于新電池的內(nèi)阻都比較小，而舊電池的內(nèi)阻都有不同程度的增大，當新舊電池混合在一起充電時，由于舊電池的內(nèi)阻大，分壓會相對偏大，極容易造成過壓充電現(xiàn)象；而對于新電池，內(nèi)阻較小，充電電壓小但電流偏大，又容易造成過流現(xiàn)象，所以在充放電過程中應(yīng)避免新舊電池混充。 5.8、蓄電池的使用環(huán)境 電池的使用壽命與環(huán)境溫度密切相關(guān)，電池處于較低溫度時，蓄電池中的鋅板容易粉化，失去蓄電性能，造成永久性損壞。溫度過高時，電池的容量也會下降，嚴重的會造成永久性損壞。根據(jù)電池生產(chǎn)廠家的技術(shù)規(guī)范，電池的最佳使用溫度是20～25℃，在該溫度范圍使用，可延長電池的使用壽命。 6 結(jié)束語 做好電池的維護工作，可以減少UPS的故障，提高生產(chǎn)的穩(wěn)定性。通過對電池的維護可以提高電池的使用壽命。以往的維護，一般都是將一組電池全部更換，這樣做浪費很大。實踐中我們發(fā)現(xiàn)，更換的一組電池中多半是可以再利用的，只有少數(shù)電池單元不可靠、不具備支持UPS正常工 作的條件。因此，將能利用的電池再利用可以為單位節(jié)約資金，降低成本。 隨著UPS電源的不斷發(fā)展，智能化程度越來越高，對電池組的充放電、過壓、過流等現(xiàn)象，都可以進行實時監(jiān)控，減少不必要的損失，提高UPS的可維護性，為自控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，為單位的穩(wěn)定生產(chǎn)提供可靠的保障。 |
