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选择控制系统不间断电源(UPS)的五大要点

2022/3/8    来源:控制工程中文版    作者:Ken Allwine      
关键字:控制系统  电源  
关键控制系统需要配置不间断电源(UPS),来预防可能导致控制器崩溃的瞬时电源中断。

    工业物联网 (IIoT) 依赖于快速准确的通信。关键控制系统无法承受瞬时电源中断,因为这可能会导致工业PC或控制器的崩溃。不间断电源 (UPS) 可以防止此类事件的发生。了解UPS 的基础知识和下面的五方面注意事项,有助于为工业应用选择合适的UPS电源。

    定义UPS的应用需求

    UPS将为哪种负载供电——交流还是直流?传统系统倾向于使用交流电源运行,因此旧系统的改造也就需要交流电源。在过去的20年中,工业PC市场的增长已转向直流电源。应当充分考虑功率和运行时间的要求,仔细UPS的规格并建立切合实际的期望。

    如果持续停电,UPS可确保控制平台安全有序地关闭,从而避免数据丢失、系统崩溃或故障。在设计系统时,请选择合适的电池容量,以便在关闭PC或主电源在合理时间内恢复之前,允许系统运行一段时间。超大规格的电池系统,充电的时间可能更长。

    大多数UPS制造商使用行业标准类型。一些制造商只提供一种技术,例如阀控铅酸 (VRLA)。而其它公司将提供多种产品,例如阀 控铅酸、宽温阀控铅酸和磷酸铁锂等。不同的电池在性能和使用寿命上有所不同。

    理想情况下,UPS将提供电池系统的多个健康状态监测点,因此操作人员可以在电池发生故障前采取预防措施。大多数UPS使用LED,少数则提供具有固定阈值点的干结点输出。较新的UPS系统提供上述方法,并将数据集成到通过工业以太网协议进行通信的控制平台中。

图1

图1 :随着工业物联网和大数据在工业应用中的广泛实施,可靠的电力比以往任何时候都更重要。为应用选择合适的UPS系统,可以防止电源中断可能导致的问题和成本。图片来源 :菲尼克斯电气

    分布式交流UPS技术 

    在以交流电压运行的控制系统中,交流UPS最合适。离线或待机拓扑结构非常简单明了。这些产品价格低廉,所以是最常见的交流UPS类型。在正常情况下,离线UPS将主电源从输入端传递到输出端,除了为与主电源电路并联的电池充电外,没有其它交互作用。如果主电源出现故障,UPS将从主电源电路切换到电池电路。从UPS失去主电源到电池供电的转换时间,不能超过10ms。10ms的切换,通常不会影响下游设备,但可以保护对电压波动敏感的系统。

    交流UPS有两个子集:改进的(模拟)正弦波输出设备和纯正弦波输出设备。每种的交流输出都不相同。

    改进的正弦波设备从电池组获取电压,并以最简单的形式创建与正弦波类似的波形输出。虽然这种类型的UPS成本相对较低,但也有一些缺点。电压的大幅阶跃会损坏下游设备的输入电路。这些巨大的阶跃还会导致UPS输出中产生大量的切换瞬变。这会导致小型PC和PLC电源模块过早出现故障。

    纯正弦波UPS会产生与120/230V主电源馈送的波形相同的正弦波形输出。纯正弦波UPS,是可编程逻辑控制器 (PLC)、分布式控制系统(DCS)和工业PC(IPC)等敏感控制设备的更好选择。尽管需要更多的电路,但由UPS供电的控制设备的使用寿命更长,从而降低了总拥有成本。

    关键任务应用需要更先进的UPS,即双转换或在线UPS。这样的UPS永远不会处于待机模式。电池电路主动连接到系统。如果主电源中断,则输出不会出现中断或电压骤降,从而实现电池的无缝运行。在线系统具有内置过滤和调节装置。在正常运行期间,它将输入电源从交流转换为直流,然后通过逆变器再转换为交流电。隔离可防止电压波动和轻微的输入功率干扰。这类UPS的价格更高,体积也更大。

图2

图2 :离线式UPS在正常情况下将主电源从输入 端传递到输出端,除了与主电源电路并联的电池充 电电路外,没有其他互动

    分布式直流UPS设计 

    交流UPS的缺点是所有下游设备都是交流供电的,并依赖于该UPS。控制柜应用可能需要一个非常大的交流UPS来为所有下游设备供电。如果交流UPS出现故障,下游设备相应的也会出现故障。分布式直流UPS可以节省成本和空间。大多数控制柜都基于直流电压。交流UPS在入口处实现备用。对于直流UPS,后备电源则在交流/直流转变之后实现。

    负载可以分为缓冲负载和非缓冲负载。非缓冲负载是指可在主电源丢失期间断电,而不会导致系统故障的设备。交流/直流电源可以直接为这些负载供电。直流UPS将为执行重 要功能的设备或缓冲负载供电。这可以显著降低直流UPS的负载。安培数降低,也就意味着更小的 UPS规格和电池容量。

    直流UPS技术比交流UPS设计简单。直流产品不需要交流-直流转换器或直流-交流逆变器。UPS中的所有电压,都是24Vdc,属于安全超低电压 (SELV)。这使电源和电池组更有效。将额外的DC/DC转换器用于其它DC电压,会在转换中消耗更多的电流,并会寄生在系统上。在功能更高级的UPS系统中, 唯一的直流转换发生在电池充电电路中。直流UPS系统可以实现负载优先。优先为连接到UPS的负载供电。

    当UPS以主电源模式为负载供电并为电池组充电时,UPS将监控负载电流。如果负载电流和充电电流组合会使主交流 / 直流电源过载,UPS将自动降低充电电流,以防止过载。由于电路更简单,直流UPS的体积通常比交流小。一些模块化直流UPS系统带 有内置诊断功能。有了实时监测信息,就可以在故障发生前更换电池,而不是靠猜测来更换电池。

图3

图3 :在“在线”或 “双转换”配置中, UPS从不处于待机模式

     工业UPS电池 

    电池是UPS系统的支柱。当停电时,电池会继续工作。那么如何确保电池不是UPS的薄弱环节呢?在 工业UPS应用中,常见电池类型包括阀控铅酸、宽温阀控铅酸和磷酸铁锂的电池。

    最常见的类型是标准阀控式铅酸蓄电池,具有成本低、兼顾成本和容量的优点,但耐用性不佳。标准电池的标称工作温度为0至40℃。它 们在27℃左右的恒温房间内表现最佳。虽然它们在受控环境中很常见,但许多工业应用的温度范围为-40到70℃,这会大大缩短阀控铅酸电池的使用寿命。

    宽温阀控铅酸电池可在-25至60℃的温度范围内运行。它们的使用 寿命比标准阀控铅酸稍长。它们通常用于户外应用。化学性能与标准阀控铅酸不同,宽温阀控铅酸通常更大且价格更高。在出现故障之前,阀控铅酸和宽温阀控铅酸电池可以运行大约250到300个充电周期,因此阀控铅酸可持续六个月,而宽温阀控铅酸可持续一年半到两年。锂电池寿命和温度范围与宽温阀控铅酸电池相似。锂电池最多可充电7,000次,从而延长使用寿命。锂电池的成本可能是宽温阀控铅酸的3倍,但性能更好。

     连接UPS数据 

    工业物联网的发展带来了更多互联性,设备也更智能。通过可靠的网络和协议,UPS性能数据可连接到工业以太网网络,从而可以访问这些数据,使最终用户能够及时了解所安装的 UPS的电池性能。

    关键概念: 

    ■ 在选择UPS之前应先定义UPS的应用需 求。 

    ■ 了解分布式交流和直流UPS设计。 

    ■ 考虑电池的性能和通信。

    思考一下: 

    可靠的UPS电源系统可以在多大程度上防止关键控制系统因停电故障?

       本文来自于控制工程中文版(CONTROL ENGINEERING China)2022年1-2月刊《技术文章》栏目:正确部署不间断电源的5点注意事项

责任编辑:杨培
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