电力系统

在实施UPS之前要考虑的5件事

关键控制系统为工业物联网(IIoT)供电,需要不间断电源(UPS),以防止可能导致工业PC或其他工业控制器崩溃的瞬时电源中断。下面介绍如何选择工业UPS。

作者:Ken Allwine 2021年6月8日
提供:菲尼克斯电气

工业物联网(IIoT)依赖于快速准确的数据通信。关键控制系统不能承受可能导致工业PC或控制器崩溃的瞬间电源中断。不间断电源(UPS)可以防止此类事件。了解选择UPS的基本知识将有助于为特定应用程序实施正确的UPS。

虽然UPS系统有许多形式因素和设计,但本文主要关注安装在DIN导轨上的UPS,它在多个行业的许多应用中都得到了应用。

1.定义UPS应用要求

UPS将为哪些类型的负载供电-交流或直流?

传统系统往往使用交流电源,因此旧系统的改造也可能需要交流电源。然而,在过去的20年左右,工业PC(IPC)市场的增长导致了向直流电源的转变。

接下来,考虑电源和运行时的要求。您需要计算UPS的适当尺寸。在这一点上,你需要建立现实的期望。很容易说一个10A的系统需要运行48小时。然而,实现该系统可能是另一项任务。

如果持续停电,UPS的工作是确保控制平台安全有序地关闭,以避免数据丢失、系统崩溃或故障。在设计系统时,重要的是要选择电池的大小,以便在电脑被告知关机或主电源是否在合理的时间内返回之前留出一定的运行时间。超大电池系统可能需要很长时间才能恢复充电。

电池是方程式的下一步。虽然有许多电池的选择,大多数UPS制造商使用一些行业标准化的类型。一些制造商将只提供一种技术,如阀控铅酸(VRLA)。其他的将提供多种,如阀控密封铅酸和宽温阀控密封铅酸,以及磷酸铁锂(锂离子)。不同的电池具有不同的性能特征和使用寿命,如下文所述。

对于大多数ups,操作员无法知道电池的健康状况,而一些ups将有一个故障指示灯,如果系统是远程的,则可能会太迟。理想情况下,UPS将为电池系统提供多个健康点,因此操作员可以在电池到达故障点之前采取预防措施。

最后,看看UPS如何传递这些数据点。大多数UPS解决方案使用LED,少数选项提供具有固定阈值的干触点输出。较新的UPS系统可以提供这些标准,并将完整的数据流集成到控制平台中。有些系统可以通过工业协议进行通信,如以太网/IP[奥德瓦],Profinet公司[PI北美]和Modbus TCP/IP[Modbus组织]和以太猫[EtherCAT技术用户组].

图1:随着IIoT和大数据在工业应用中的广泛应用,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。提供:菲尼克斯电气

图1:随着IIoT和大数据在工业应用中的广泛应用,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。提供:菲尼克斯电气

2.分散式交流不间断电源技术

在使用交流电压的控制系统中,交流UPS最有意义。交流不间断电源有几种可用的技术。

离线或备用拓扑非常简单。这些产品价格低廉,因此是最常见的交流不间断电源类型。在正常情况下,离线UPS将电源从输入端传递到输出端,除了电池充电电路与电源电路并联外,没有任何交互作用。如果主电源发生故障,UPS将从主电路切换到蓄电池电路。从UPS失去电源到从电池产生电源的传输时间不能超过10毫秒(ms)。10毫秒的传输通常不影响下游设备,但是在对电压波动敏感的系统中考虑是很重要的。

在交流UPS解决方案的离线部分中,有两个子集:修改(模拟)正弦波输出设备和纯正弦波输出设备。这些技术以不同的方式产生交流输出。

经过改进的正弦波装置从电池组获取电压,并以最简单的形式,尝试创建一个与正弦波大致相似的图形。虽然这种UPS的成本相对较低,但也有一些缺点。大量的电压阶跃会损坏下游设备的输入电路。这些巨大的步骤也创造了大量的开关瞬态从UPS的输出。随着时间的推移,这可能会导致工业PC和PLC中的小型电源过早出现故障。

一个纯正弦波UPS产生相同的正弦波输出,将复制从120/230V电源供电波形。纯正弦波UPS是敏感控制设备如可编程逻辑控制器(PLC)、分布式控制系统(DCSs)和IPCs的最佳选择。需要更多的电路来产生这种类型的输出,所以这个系统更昂贵。然而,投资通常会得到回报,因为任何由UPS供电的控制设备将持续更长时间,从而从长远来看,总拥有成本较低。

图2:在正常情况下,在离线UPS中,它只是将电源从输入端传递到输出端,除了电池充电电路与电源电路并联外,没有任何交互作用。提供:菲尼克斯电气

图2:在正常情况下,在离线UPS中,它只是将电源从输入端传递到输出端,除了电池充电电路与电源电路并联外,没有任何交互作用。提供:菲尼克斯电气

任务关键型应用程序将需要更高级的UPS,称为双转换或在线UPS解决方案。在此拓扑中,UPS从不处于待机模式。电池电路与系统有效连接。如果主电源供电中断,则输出不会中断或电压骤降,从而实现电池的无缝运行。在线系统还具有内置的过滤和调节功能。在正常运行期间,它将输入的电源从交流转换为直流,然后再通过逆变器返回。此隔离级别可防止输入侧的电压波动和小功率干扰。然而,更高级别的功能会带来更高的价格和更大的住房。

3.分布式直流不间断电源设计

交流不间断电源的缺点是下游的一切都是交流供电,并依赖于单一的不间断电源。控制柜应用可能需要非常大的交流UPS为所有下游设备供电。如果交流UPS发生故障,所有下游设备也会发生故障。分布式直流UPS可以节省成本和空间。

现在大多数的控制柜都是基于直流电压的。交流UPS备份并支持入口的一切。对于直流UPS,备份发生在ac/dc电源之后。

使用此UPS方向,可以将负载分为缓冲负载和非缓冲负载(见下文。)无缓冲负载是指在失去电源电压时可能会失去电源而不会导致系统故障的设备。交直流电源可以直接为这些负载供电。直流不间断电源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。电流减少等于UPS尺寸的减小,并减少了所需电池容量的大小。

图3:在在线或“双转换”拓扑中,UPS从不处于待机模式。提供:菲尼克斯电气

图3:在在线或“双转换”拓扑中,UPS从不处于待机模式。提供:菲尼克斯电气

直流UPS技术比交流UPS解决方案更简单。直流产品不需要ac-DC转换器或DC-ac转换器。UPS中的所有电压保持在24 Vdc的标称安全超低电压(SELV)水平。这对电源和电池组都更有效。对其他直流电压使用额外的dc/dc转换器会在转换中使用更多的电流,并且会寄生在系统上。在功能更高的UPS系统中,发生的唯一直流转换是在蓄电池的充电电路中。

直流UPS系统也允许负载优先。这将优先为连接到UPS的负载供电。当UPS处于电源模式下为负载供电并为电池组充电的模式时,UPS将监控负载电流。如果负载电流和充电电流的组合会导致主ac/dc电源过载,UPS将自动降低充电电流,防止过载。

直流UPS产品的物理尺寸往往比交流UPS产品小,因为它们的电路更简单。在DIN导轨空间有限的控制柜中,较小的尺寸可能很有价值。

其中一些模块化直流不间断电源系统带有内置诊断功能。虽然许多UPS都有“电池正常”或“系统故障”指示灯,但高级UPS系统可以实时了解系统运行状况和功能。维护团队可以查看有关电池健康、电压水平、负载电流、温度等的实时数据。他们不必猜测电池的健康状况或制定电池轮换时间表,而是掌握实时知识,可以在电池出现故障前更换电池。

4.工业UPS的可靠性依赖于电池

电池是UPS系统的主干。当电源断开时,电池会让东西继续运转。那么如何才能确保你的电池不是UPS系统中的薄弱环节呢?

工业UPS应用的电池类型包括:

  • 阀控密封
  • 宽温区阀控密封铅酸蓄电池
  • 锂基变体

标准VRLA电池是UPS平台最常见的电池。它成本低,在成本和容量之间取得了平衡,但缺乏耐用性。标准电池的标称工作温度为0至40°C。它们在温度稳定在27℃左右的房间里表现最好。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℃。这种波动将大大缩短阀控密封铅酸蓄电池的寿命。

WTR-VRLA电池可在-25至60°C的温度下工作。它们的使用寿命也比标准VRLA略长。它们通常用于户外应用。由于化学成分不同于标准VRLA,WTR-VRLA通常更大,价格也更高。

阀控密封铅酸蓄电池和WTR-VRLA蓄电池在发生故障前可运行约250至300次充电循环。这意味着VRLA可能只能使用6个月,WTR-VRLA可能会使用一年半到两年,然后才需要更换。

图4:对于直流UPS,备份发生在ac/dc电源之后。有了这个UPS方向,负载可以分为缓冲负载和非缓冲负载。提供:菲尼克斯电气

图4:对于直流UPS,备份发生在ac/dc电源之后。有了这个UPS方向,负载可以分为缓冲负载和非缓冲负载。提供:菲尼克斯电气

锂电池的寿命和温度范围与WTR-VRLA电池相似。然而,锂电池可以有多达7000个充电周期,这是一个显着增加使用寿命。一块锂电池的价格可能是类似WTR-VRLA的三倍。然而,在整个生命周期中,锂电池的性能往往是值得的。表比较了工业电池技术的性能和相对成本。

工业电池处理,安装时间

由于电池是可消耗的,即使不使用,电压也会下降,因此最好购买并安装“准时制”(JIT),以确保提供最新鲜的电池。储存电池时,要定期充电以保持电压。电池容量越小,电池需要通电和充电的频率就越高。

表中比较了阀控铅酸(VRLA)、宽温度范围(WTR)VRLA和锂离子工业电池的工作温度、使用寿命和成本。锂离子成本最高,但性能最好,可能值得投资,这取决于应用和更换成本。提供:菲尼克斯电气

表中比较了阀控铅酸(VRLA)、宽温度范围(WTR)VRLA和锂离子工业电池的工作温度、使用寿命和成本。锂离子成本最高,但性能最好,可能值得投资,这取决于应用和更换成本。提供:菲尼克斯电气

在面板生成器完成一个文件柜之后,他们通常会忘记它。如果电池在运输或储存期间处于休眠状态,它将降级。如果保险丝没有断开,寄生负载会耗尽蓄电池的电量。理想的解决方案是在工厂验收测试后从机柜中取出电池,并将该电池作为多个机柜的测试电池。准备调试机器时,请安装新电池。

5.连接的UPS提供性能数据

IIoT意味着工业世界比以往任何时候都更加紧密地联系在一起,使许多设备变得更加智能。UPS也不例外。通过联网和连接,UPS性能数据可在任何时间或地点访问。

要连接到这些ups,必须有一个网络。以太网/IP[奥德瓦],Profinet公司[PI北美]和Modbus TCP/IP[Modbus组织]是美国工业网络中最常见的网络协议之一。通过这些协议进行通信的UPS将使最终用户能够了解安装UPS的任何地方的电池性能。

具有高级监控和诊断功能的UPS可以帮助工程师或技术人员做出有关UPS或电池维护的智能决策。有了警告警报和有关电池健康状况的实时信息,就有可能采取积极主动的方法来维护电池。有这些数据随时可用,消除了“电池焦虑”和不必要的维护。

图5:智能UPS系统可以通过以太网/IP等协议连接到工业网络,从而很容易获得有关电池状态的高级监测和诊断数据以及其他重要数据。提供:菲尼克斯电气

图5:智能UPS系统可以通过以太网/IP等协议连接到工业网络,从而很容易获得有关电池状态的高级监测和诊断数据以及其他重要数据。提供:菲尼克斯电气

UPS系统对控制柜的健康起着至关重要的作用。这些提示增加了选择UPS系统以满足应用需求的准备。

肯·奥尔温是副产品营销经理-电源,菲尼克斯电气公司。马克T编辑。Hoske,内容经理,控制工程,CFE媒体与技术,mhoske@cfemedia.com.

关键词:不间断电源,UPS,工业电源可靠性

定义UPS应用要求在选择UPS之前。

分散式交直流UPS设计可用。

考虑电池性能和UPS通信。

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肯·奥尔温
作者简介:Ken Allwine是美国菲尼克斯电气公司产品营销副经理