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一、不间断电源的原理与应用

(一).不间断电源系统名称

Uninterruptible Power System 不间断功率系统简称UPS。

(二).UPS分类

1.在线式(ON-LINE)

当市电输入正常时由逆变器(将直流电转变成交流电系统)向负载提供正弦波交流电源,当交流输入电源中断时无明显转换时间“零中断”;当逆变器发生故障时,转换开关(静态开关)将自动切换至旁路由市电继续向负载提供正弦波交流电源。它主要适用于计算机系统工作、精密设备、仪器仪表、通讯设备、监控系统、银行保障系统、工业自动化控制系统、电力系统等。

2.后备式(OFF-LINE)

当市电输入正常时,市电经稳压后直接向负载提供交流电源,此时逆变器不工作,当市电故障时, 由蓄电池向逆变器提供电力,从而继续向负载提供方波交流电源。此时转换时间为4~8ms。后备式依其输出波形、稳压特性及滤波能力的不同,在价格上有很大的差异。在使用的电源特性要求不高或负载容量较小的场合还是较经济的,如:家庭办公设备、个人计算机、技术指标要求不高的简单设备等。

3.互动式(HYBIRD)

在正常情况下市电经稳压后,经转换开关向负载提供交流电源,此时逆变器处于等待状态无输出;当市电故障时,由转换器切换到逆变器输出,向负载提供正弦波交流电源。此时转换时间为4mS左右。主要适用于:计算机、监控系统、一般性仪器设备等。

(三).UPS结构

1.标机

即UPS内置蓄电池组,体积小,使用运输方便,但后备时间较短,一般仅有几分钟或十几分钟,适用于电网停电少,停电时间短的场所。

2.长延机

即UPS外置蓄电池组,体积大,重量重,运输不方便,但后备时间长,一般可延时1小时或几小时以上。适用于长时间工作的重要设备及计算机网络系统设备等。

(四).工频UPS与高频UPS的比较

在线式UPS可分为工频在线式UPS和高频在线式UPS。

1.工频在线式UPS

采用SPWM工频技术,具有较大的短路保护及过载能力。可接感性负载,配有输入输出变压器,可免受输入的干扰,有隔离的作用,其寿命长,适应多种工作环境如:高温、高湿、粉尘、震动、腐蚀等,多称之为: 工业型UPS。

2.高频在线式UPS

采用SPWM高频技术,具有体积小,重量轻,高频化,成本低。输入输出没有隔离变压器,输出不能接感性负载,适用于电网环境好的场所。多称之为:商务型UPS。

(五). 设计计算方法

在计算机网络系统、系统集成工程中,长延时UPS的电池选配是很重要的, 这不仅保证用户在设备使用过程中的安全可靠性,同时在合理计算成本,保证用户的根本利益方面也是不可忽视的重要环节。蓄电池如何选配,有计算方法、图解法等。

1、计算法:特点是计算数据较精确,便捷。

例1.有计算机4套(显示器为17吋),服务器一套(显示器为21吋),要求4小时延时时间,问如何选配电源及蓄电池? (现场电网为单相220VAC)。

根据公式:

Idc=Npf/VDCη, (N—UPS输出额定视在功率,pf—UPS功率因数, VDC为UPS直流电压);

注:高频在线式主机,pf取0.7;η取0.9;

即:应取高频在线式CR-3L(3KVA)主机一台,查CR-3L型技术指标,直流电压为96VDC。

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

即:应取8节12V/100Ah蓄电池,连接方法:将8节蓄电池串联连接,蓄电池之间的连接应取:

24.3÷5≈4.8(mm), 6mm导线7条。

注: 每mm导线可通过电流5A。

例2.行业用户,为精密设备大约20KVA功率,要求2小时延时。问如何选配电源及蓄电池? (现场电网为三相五线制380VAC)。

对于精密设备,电源应选用低频在线式UPS,即:PPW-30L型主机电源(带隔离变压器),查PPW技术指标,PPW-30L型直流电压为384VDC。

所以,Idc=30000×0.8÷(384×0.8)≈78(A)。

注:应取64节12V/100Ah蓄电池,连接方法为32节蓄电池为一组串联;将两组串联后的蓄电池再进行并联,蓄电池之间的连接应取78/5=15.6(mm),16mm导线66条。

a)电网输入输出导线的选择:

∴ N=3UφIφ(星形连接 相电流等于线电流,线电压与相电压关系为Ui=√3 Uφ);

∴ Iφ=N/3 Uφ可查PPW-30L技术指标中直流充电电流为10A,Vdc=384VDC;

∴ Iφ=(30000+384×10)÷(3×220) ≈51.3(A) 取51.3÷5=10.12(mm),电网输入导线取16mm导线5条,电网输出导线也应取16mm导线5条。

b)电网输入空气开关的选择:

可选取比输入最大电流大2倍电流左右的空开即可:3P-100A 一只。

c)直流空开的选择:

对于选配蓄电池组与主机之间的空气开关,应选取直流空气开关,直流空开的价格较交流空开的价格贵得多。此例直流空开可根据Idc=30000÷384≈78(A)数值,即大于此最大放电电流的1.2~1.5倍数值选取(2P-100A一只)。
 
注:①对于三进单出的UPS输入导线截面积应根据单相输出导线截面积计算(当负载过载时UPS输出将切至旁路,此时输入火线与输出火线是相通的);
      ②当输入输出的最大电流大于50A时,导线的截面积不宜再根据5A/mm计算,应查电工手册进行计算。

2、图解法:特点是根据蓄电池的放电曲线对应的找出蓄电池配组的容量或UPS的后备时间。能直观地表述蓄电池的放电特性,但不如用计算法计算出的数据精确,便捷。

例3.高频在线式CR-6L(6KVA) UPS ,直流电压为240VDC,问当选用12V100Ah蓄电池组时,放电可延续多少时间?

根据公式:

Idc=N/VDC;

Idc=6000÷240=25(A);

即:25÷100=0.25C(A),对应蓄电池放电曲线的时间约为4小时,用20只12V100Ah蓄电池串联连接。

UPS与蓄电池容量的选取主要是根据用户先应考虑工作的稳定性及可靠的设备而言,首性,再考虑它的性价比。

二、铅酸蓄电池的原理与应用

(一) 蓄电池的划分:

1.蓄电池极板

a) 结构分:生成式、涂膏式、管式蓄电池。
b) 蓄电池盖的结构分:开口式、排气式、防酸隔爆式、密封式阀控蓄电池。
c) 蓄电池维护方式分:非免维护式、免维护式。

2.按行业划分

a) 起动型蓄电池—主要用于汽车、摩托车、拖拉机、柴油机等起动和照明。
b) 固定型蓄电池—主要用于通讯、发电厂、计算机系统作为保护和自动控制的后备电源。
c) 牵引型蓄电池—主要用于各种蓄电池车(电动自行车、电瓶车等)电力机车等,作为动力电源。
d) 铁路用蓄电池—主要用于铁路内燃机车、电力机车、客车等作为起动照明动力及通信设备。
e) 储能用蓄电池—主要用于风力、太阳能等发电,用来储存电能。
每年世界要消耗3亿只电池,我国蓄电池销量已超过100亿元人民币,每年还在继续增加。


(二) 蓄电池的基础知识

1.蓄电池的工作原理
    

PbO2(正极)+2H2SO4+Pb(负极)       PbSO4(正极)+2H2O+PbSO4(负极)     
单体2V,工作原理是气体再化合即正极产生氧气,通过AGM隔板中的孔隙与活性物质和稀硫酸进行反应再化合成水。同时使负极板的一部分处于放电状态,从而抑制氧气的产生,只要正极板氧气的产生速度不超过负极板对氧气的吸收速度,蓄电池中不会有多余的气体产生,蓄电池中的水也不会损失,就可实现密封,但实际蓄电池内部总有少量气体产生不能被再化合,为防止蓄电内部压力过大,在蓄电池盖上安装单向阀,排出多余的气体,这就是所谓的阀控。

2.蓄电池的基本参数

a) 蓄电池的电动式:E=2V(单体)。
b) 开路电压:充电后静止24小时后测量(对于12V系列的一组蓄电池中最高电压与最低电压之差小于0.1V,对于2V系列的一组蓄电池中最高电压与最低电压之差小于0.02V)。
c) 充电电压:对于12V系列的一组蓄电池中浮充24小时蓄电池最高端电压与最低端电压之差小于0.48V,对于2V系列的一组蓄电池中浮充24小时蓄电池最高端电压与最低端电压之差小于0.05V
d) 终止电压 :1.6V(单体)或1.8V(单体)。
e) 工作电压:放电过程中的端电压。
f) 放电电流:带负载时工作电流。
g) 容量:Ah(10小时率)C
10

i) 蓄电池内阻:mΩ级(蓄电池之间连线压降≤10mV)。
j) 储存性能:自放电,温度,储存时间。
k) 使用寿命:由充放、循环放电次数决定。
L) 自放电:放置3个月后自放电速率。

3.蓄电池的性能指标

a) 最大放电电流:蓄电池内部不熔断<30I
10倍数。
b) 容量保存率:由自放电决定。
c) 密封反应性能:H
2↑, O2 ↑化合成水,有少量气体溢出。
d) 安全阀动作:(1~49)Kp可靠的开启或关闭。
e) 防爆性能:打火机在排气孔点燃(充电时)无明火。
f) 防酸雾性能:蓄电池在通常的过充电条件下,抑制其内部产生的酸雾向外部泄放的能力。

4.蓄电池的结构组成

a) 蓄电池壳ABS、聚丙乙稀(可塑性好)。
b) 极板,正负极板铅合金制成。
c) 隔板(AGM)制成。
d) 电解液H
2SO4
e) 正负极端头。
f) 排气阀。

5.蓄电池容量,放电率的定义

a) 容量安时(Ah),瓦时(Wh)。
例:具有80万KW·h生产能力,求年营业额。
解:按12V100Ah蓄电池出厂价1200元;
       
      
b)放电率:20、10、5、3、1小时率。
定义:C
10 —10小时率为蓄电池额定容量,单位A·h;

 
例:求12V100Ah 蓄电池10h率放电电流数值。10h率放电电流为I10=1.00C10 ,即放电电流
    
I20—20h率放电电流数值为0.535I10(A);
I
1010h率放电电流数值为1.00I10(A);
I
55h 率放电电流数值为1.80I10(A);         
I
33h 率放电电流数值为2.50I10(A);
I
11h率放电电流数值为5.50I10(A)。

(三)蓄电池的充电方式      
                                                              
1、恒压式充电
    
                       
 
                                                     

                                   

定义:充电电压保持不变的方法。
13.8V左右时←→E=12V这样可减少水的分解,当恒定电压在较低时可避免气体的产生,由于充电末期电流很小,可以避免过充电。缺点是,充电初期电流过大易造成活性脱落,极板弯曲。充电电流过小末期充电不足,时间太长,所以恒压充电方式在小功率UPS中应用较广。

2、恒流式充电    

                      
              

                                                  

定义:充电电流保持恒定的充电方法。
当充电到后期时,若不对充电电压进行控制,则容易使蓄电池处于过充电状态,蓄电池将有大量的水发生分解,活性物质易脱落,使蓄电池寿命减少,一般不在UPS系统中使用。原因:一是充电电路比恒压充电复杂;二是对蓄电池的危害比较大。

3、先恒流后恒压式充电        
                                 

 

定义:充电电流保持先恒流后恒压的充电方法。                                
第一段用10小时充电率恒流充电到13.8V左右时(额定电压为12V的蓄电池)。
第二段恒压充电,使蓄电池电压保持在13.8V左右进行浮充充电(额定电压为12V的蓄电池),采用这种充电方法,可使蓄电池在整个充电过程中保持不析气和微量析气状态。大功率UPS供电系统都采用此方法充电。
缺点:由于此种充电方式没有较多的气体,则电解液容易出现层化现象使蓄电池的自放电增加,容量下降。

4、带有均衡充电的恒流恒压式充电   
                     

定义:充电电流保持均衡充电的恒流恒压的充电方法。 
个别蓄电池发生硫化使活性物质脱落,负极(PbSO
4)结晶、内阻大、容量低。均充电压,(14.1V),加大正极板的再化合生成O2↑同时减少负极(PbSO4)的盐化,当充电电流为20小时充电率的充电电流后,改为浮充电压充电,目的使蓄电池一致性好。此控制电路较复杂,UPS不采用。

5、
脉冲式充电                
                  

定义:充电电流保持脉冲式充电方法。           
用脉冲电流对蓄电池充电,然后让蓄电池停充一段时间,如此循环。对于一天多次停电,用恒压恒流的充电方式不能及时补充电能,将使蓄电池寿命减少。因此应采用脉冲式充电方法,即在短时间内能充上电。

(四)影响蓄电池寿命的关键因素

1、环境温度
工作温度25℃,温度每升10℃,蓄电池的实际寿命缩短一半,不得超过45℃。当温度超过55℃时,将造成蓄电池的毁灭性损坏。温度过低对寿命没有影响。但有效容量(Ah)将下降。
2、深度放电
UPS定义电压下限保护为一定值,当负载很小时,放电时间将很长,蓄电池寿命将减少即大颗粒的PbSO
4晶粒无法在充电时完全恢复成活性物质Pb和Pb0即充不进电。
3、大电流放电
当超过>3C
10时,易造成蓄电池永久损坏。
4.  欠充电 
—旦出现几次连续停电的情况,由于蓄电池的欠充电,则内部有PbSO
4再也无法还原成活性物质Pb和PbO,从而造成蓄电池容量的锐减。
5.  长时间充电
按13.5V×n(n表示蓄电池的节数)的电压值长时间对蓄电池进行浮充,而不放电,将造成阳极钝化,内阻加大,容量减少。要求每三个月带载放电一次,放电时间按设计延时时间的30%即可。

( 五 )  蓄电池应用的基本条件

1.  环境要求

(25±5)℃ 湿度≤70%,通风、散热、无酸碱或其它腐蚀性气体的空间,严禁安装在完全密封的环境中。
2.  安装要求
蓄电池安装时应尽量与设备的其它部分隔离,尽量避免直接与印刷电路板连接。安装蓄电池时应有一定的余量,以方便蓄电池的安装。蓄电池连线应尽可能短,导线电流密度按5A/mm(小于50A)选取;大于50A时,导线的截面积不宜再根据5A/mm计算,应查电工手册进行计算。同时还应考虑导线之间电压  ≤10mV。

ρ—电阻率(Ω·mm/m);S—导线截面积(mm);L—导线长度(m);
I—蓄电池放电电流(A)。    

注:在保证连接导线的安全条件下,导线电阻值应尽可能的小,同时蓄电池之间连线的总电阻,应至少小于负载电阻的一个数量级。否则由于导线的压降过大,将导致UPS及其他设备的故障及非正常运行。

例:       
设:铜的电阻率=0.0172 Ω·mm/m;
  S=6mm
;
  L=0.2m(蓄电池之间连线长度);
      
若蓄电池放电电流为I=15A,则该蓄电池之间连线的电压为:
U=IR即15×0.57≈9(mV)<10mV符合标准要求,可进行施工。
3.  存放要求
蓄电池应放在干燥洁净阴凉的环境中,蓄电池存放若已达(3~4)个月或更长的时间,则需定期对蓄电池进行补充电。蓄电池存放环境温度最好保持在30℃以下。

(六) 蓄电池代表型号、执行标准、技术特点及适用范围

1. 纽绅埔AGM2-(200Ah~3000Ah)系列免维护阀控式密封铅酸蓄电池   
    执行标准:GB/T 19638.1-2014 , YD/T 799-2010
2. 纽绅埔AGM12-(7.2Ah~200Ah)系列免维护阀控式密封铅酸蓄电池   
    执行标准:GB/T 19639.1-2005 ,GB/T 19638.1-2014,YD/T 799-2010
3. 纽绅埔DFS2-(200Ah~3000Ah)系列免维护阀控式密封胶体蓄电池  
    执行标准:YD/T 1360-2005 
4. 纽绅埔DFS12-(24Ah~200Ah)  系列免维护阀控式密封胶体蓄电池     
    执行标准:YD/T 1360-2005


以上系列产品采用免维护阀控式密封设计、选用最新工艺、自放电率低、充放电性能好、过放电充电恢复能力强、高倍率放电与低倍率放电两种设计、长寿命设计、适用温度范围广(-20~50)℃。DFS系列免维护阀控式密封胶体蓄电池,专为低温、工作环境恶劣的场合而设计的。
温度范围可达(-35~50)℃。
主要适用于不间断电源、通讯系统、电讯系统、邮电系统、电力系统、铁路机车、铁路通信系统(户外用网络通信设备即通信基站、一体化基站、直放站等后备蓄电池)、无线电设备及太阳能发电系统等。

(七)  起动用铅酸蓄电池代表型号、执行标准、技术特点及适用范围

1. 纽绅埔6-QA(12V/36Ah~12V/210Ah)系列干荷式蓄电池  
执行标准:GB/T 5008.1-2013 ,GB/T 5008.2-2013 ,GB/T 5008.3-2005

该系列产品具有:
优异的荷电性能,优异的极板干荷电性能;充足的电池容量,优良的铅膏配方和工艺,确保电池容量充足,良好的高倍率、大电流起动放电性能,优异的低温启动性能;先进的合金配方,特殊的四元铅基低锑合金,耐腐性能优良,水损耗低,自放电小,维护少;外观设计先进,新颖的电池整体结构设计,确保电池美观大方,装卸方便。
适用于工程机械、叉车、汽车、拖拉机以及其它内燃机的起动和照明。
2. 纽绅埔6-QW(12V/36Ah~12V/200Ah)系列免维护铅酸蓄电池  
执行标准:GB/T 5008.1-2013 ,GB/T 5008.2-2013 ,GB/T 5008.3-2005

该系列产品具有:
免维护性能好,采用优质铅钙锡多元合金,极低的自放电、失水率与析气率;使用温度范围宽,先进的生产工艺,特种铅膏配方与电解液配方,低温起动性能好,充电接受能力强,耐高温性能优良;优质进口复合隔板,电阻小,耐腐蚀性强,孔径小,孔率高;全密封、免维护系列产品采用高纯度进口材料,特殊防爆排气设计、安全可靠。首次加液后即可实现全密封化,使用中无需加水,真正实现了免维护。
适用于工程机械、叉车、汽车、拖拉机以及其它内燃机的起动和照明。


(八)固定型锂离子电池代表型号、执行标准、技术特点及适用范围

纽绅埔V-LFP(1.1S~60S) 系列固定型锂离子电池   
执行标准:Q/XT 002-2007
北京纽绅埔科技有限公司根据中国铁路、军队等特殊行业的需要,最新推出V-LFP系列磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池是以磷酸铁锂物质作为正极材料,石磨作负极材料的一款新型锂离子电池,它的电解质溶解在有机溶剂中形成有机电解液,并被隔膜和极片吸收;在工作异常时它将电解液分解产生的气体从安全阀排出,从而保证当磷酸铁锂电池寿命终止时,不会对周边的设备造成损坏。它具有高安全性、低内阻、比能量高、使用寿命长等优异特点,应用前景极为广阔。磷酸铁锂电池以1C
1A电流进行循环,寿命超过2000次,是铅酸蓄电池的8倍,普通锂离子电池的3倍。磷酸铁锂电池可以侧立和倒立使用。相同Wh条件下磷酸铁锂电池仅是铅酸蓄电池重量的1/3,体积的3/4。磷酸铁锂电池使用过程中不需要进行添加电解液等类似的维护。磷酸亚铁锂材料结构稳定,高温500℃下不会分解释放出O2, 具有较高的安全性,不会因为过充、过放和短路等误操作而导致起火、爆炸。磷酸铁锂电池对环境无污染,不含重金属和酸碱等腐蚀性液体。磷酸铁锂电池不像镍氢、镍镉等电池有记忆效应,磷酸铁锂电池可在任何荷电状态下循环工作。适用于铁路机车无线通信设备(CIR)、军队户外移动指挥通讯设备、光伏储能、电动车辆、UPS、基站电源等调备。是未来二次电池的发展方向。

以上所述仅供参考,不妥之处敬请谅解!

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