直流传动系统中UPS电源的选型和计算

曹 敏

(洛阳有色金属加工设计研究院，河南洛阳471039)



直流传动系统中UPS电源的选型和计算

曹 敏

(洛阳有色金属加工设计研究院，河南洛阳471039)

文章选取实例介绍了用于给直流传动系统中励磁单元供电的UPS电源及蓄电池的选择和计算。

直流传动系统；UPS的选型；蓄电池配置

随着变频器在工业控制系统中的广泛应用，制动问题越来越多地被人们关注。铝带精轧机组轧制过程中，如果直流传动模块突然出现跳闸或断电情况，为了让设备尽快停下来，一般会采用在电枢回路中串入电阻用于能耗制动，这就要求励磁电流持续保持以提供制动力矩，通常的做法是利用UPS给励磁单元供电。

UPS即不间断电源，是一种含有储能装置、以逆变器为主要元件、稳压稳频输出的电源保护设备，可以有效解决电力系统的断电、高低电压、突波、杂讯等现象。对于一个UPS系统，当供电系统输入正常时，UPS仅将供电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流电稳压器，同时它还向配置的蓄电池充电；当供电系统中断时，UPS系统立即将蓄电池的化学能通过逆变转换的方法向负载继续提供交流电，确保设备维持一段时间的正常工作。

1 UPS容量的估算和选择

1.1 决定UPS容量的主要因素

选择UPS时，主要考虑负载的特性和容量。

1.1.1 负载特性

主要是指负载类型，一般分为线性负载与内含整流电路的非线性负载，是决定UPS容量的一个重要因素。

通常，线性负载主要包括纯阻性负载、感性负载、容性负载、以及功率因数均为0的纯感性和纯容性负载。UPS带线性负载时，由于UPS逆变器输出电流仍为正弦的，故在电路中没有功率消耗。

非线性负载的负载阻抗参数不总为恒定常数,会随电压或时间等其它参数而变化。UPS带非线性负载时，由于非线性负载在正弦电压作用下吸收与电压同频率的周期电流，使得UPS逆变器输出电流波形发生畸变。电流畸变越大，则其峰值与有效值的比率也越大。由于UPS逆变功率模块结点的热效应与电流有效值的平方成正比，因此，当UPS带非线性负载时，其功率模块结点的发热量为正常等功率线性负载的2～4倍，如果长时间重载带非线性程度大的负载，其功率模块会因峰值电流超过极限而烧坏。

工业控制系统中，UPS所带负载多为非线性负载，如上位机电脑、励磁模块等。因此，为了使UPS可靠工作，带非线性负载时，尤其是功率因数较低的非线性负载或者非线性程度大的负载时，必须大大地降低UPS的功率利用率。

1.1.2 负载的容量

由负载类型、额定电压、额定电流、输入功率因数、峰值因数、启动电流、工作时的最大电流等因素决定。线性负载的容量是所有线性负载的相量和；而非线性负载则不能用矢量和进行计算。但是负载的有功功率是不存在相位差的，可以直接累加。故对于传动控制中的UPS电源，计算负载的有功功率时，可直接把所有负载的有功功率简单相加计算出负载的有功功率。

根据IEC62040-3的UPS性能标准和IEC60146- 4的UPS设计标准，UPS的额定容量是以额定输出的视在功率S和有功功率P标度的，其输出功率因数为PF=P÷S。由于UPS功率因数在国际电工委员会标准和国家标准中均规定为0.8。故当负载功率因数cosΦ≥0.8时，UPS 的有功功率P=0.8×S大于负载的有功功率；当负载功率因数cosΦ<0.8时，UPS的有功功率P=cosΦ×S大于负载的有功功率。

综上所述，我们确定UPS容量时，满足负载容量为UPS额定容量的80%以下。

此外，确定UPS容量时，负载率也是一个很重要的参数，它是指负荷的计算功率与UPS输出功率的比值，用百分数表示。UPS长期处于满载状态或过度轻载状态，均会影响UPS的使用寿命。后备式UPS，负载率一般选为60%～70%较合适；在线式UPS，负载率一般选为70%～80%较合适。

1.2 UPS选择实例

以某1850mm冷粗轧机为例，直流传动电机列表见表1。

表1

第一步，计算负载功率，即所有直流电机的励磁功率，P1=U×I=40×310×2+20.92×310×5=57226W；第二步，考虑励磁模块的特性，可能会产生约30%的谐波电流,故，S1=P1×1.3=57226×1.3=74393.8VA；第三步，计算UPS的容量，取UPS的负载率为0.6，功率因数为0.8，S=S1÷0.6÷0.8=74393.8÷0.6÷0.8=154987VA；第四步，确定UPS的标称输出功率为200kVA。

2 UPS蓄电池的选择和配置

2.1 蓄电池的选择

主要考虑负载条件、设置场地、蓄电池性质及其特点等因素。具体考虑事项如下：

1) UPS后备时间的选取。确定UPS后备时间的主要因素有负载要求、电源供电情况、供电系统故障排除能力及速度等。应用在直流传动系统中的UPS电源蓄电池，如果电源供电情况良好，供电系统故障排除速度快，则主要考虑负载特性和功率大小，只需确定电源出现故障时电动机从最高速降到零速所需的时间，即可确定UPS的后备时间。根据经验和计算，对于一台最大轧制速度为1500m/min的铝带冷轧机，一般选取5min即满足要求；

2) 温度。环境温度对电池的影响较大,过低蓄电池放电性能降低，且电池容易充电不足；过高会使蓄电池过充电而产生气体,均会影响蓄电池的使用寿命。因此在计算蓄电池容量时，要把温度考虑在内，选择容量不随温度降低而降低的蓄电池；

3) 设置场所。无严格限制时，一般设置在干净、阴凉、通风、干燥的地方，并避免受阳光或其他热源辐射。

2.2 蓄电池组配置计算

正确地配置蓄电池组，需要知道蓄电池的放电时间和UPS的逆变效率。蓄电池的放电时间是指当蓄电池以规定放电电流进行恒流放电时，蓄电池端电压下降至所允许的临界电压时所需的时间。蓄电池的逆变效率是指蓄电池能量转换为负载可使用的能量的转换效率。

计算电池容量公式，C=(P×T×K)÷U1÷N；式中，P=S×PF×L÷η，U2=U×Q；故，C=(S×PF×L÷η×T×K)÷(U×Q)÷N；式中，C为每颗电池容量；S为UPS输出视在功率；PF为UPS输出功率因数；L为负载量百分比；η为UPS的逆变效率；T为蓄电池放电时间；K为蓄电池的放电系数；U1为电池组的额定电压；U为单颗电池的额定电压；Q为电池组颗数；N为电池配置组数；P为电池两端输出功率。

以某1850mm冷粗轧机为例，已知UPS后备时间为5min(即0.08h)，UPS为美国PCM的ONL工频系列，容量为200kVA，其参数为PF=0.8，η=0.96，则电池放电系数(K)对应表见表2。

表2

先按配置电池1组计算(1组包含32颗电池)，即N=1，一般UPS用的铅酸免维护电池都是DC12V的，负载量L按满载100%计算。电池额定电压U2=U×Q=12×32=384V；电池两端输出功率P=S×PF×L÷η=200000×0.8×100%÷0.96=166666.7W；电池容量C= (S×PF×L÷η×T×K)÷(U×Q)÷N=

(200000×0.8×100%÷0.96×0.08×4.2)÷

(12×32)÷1=145.83Ah

标准UPS铅酸免维护电池的容量为100Ah、120Ah、150Ah，故选择配置150Ah的电池1组(32颗)。

3 结语

UPS电源的应用已越发普及，选择UPS时，应明确所需的供电和负载的特性，不同品牌或不同型号的UPS在性能上差异较大，故在确定UPS容量及其蓄电池时应仔细查阅UPS的技术参数，综合分析。

[1] 何希才.UPS应用及其维修技术[M].北京：人民邮电出版社，1997.

[2] 王永俊.后备式UPS电源的选型及维护[J].设备管理与维修，2006(2):20-21.

Selection and Calculation of UPS in DC Drive System

CAO Min

(Luoyang Engineering and Research Institute for Nonferrous Metals Processing, Luoyang 471039, China)

Combined with case studies, the paper presented the selection and calculation of UPS and battery for excitation module in DC drive system.

DC drive system; UPS selection; battery configuration

2015-05-18

TM91

B

1671-6795(2015)04-057-02