电力系统

在实施UPS之前需要考虑的5件事

关键控制系统提供工业物联网(IIoT),并需要不间断电源(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。以下是如何选择一个工业UPS。

由肯•艾尔温 2021年6月8日
礼貌:菲尼克斯

工业互联网(IIOT)依赖于数据的快速准确通信。关键控制系统无法承担瞬间的电源中断,可能导致工业PC或控制器崩溃。不间断电源(UPS)可以防止这种类型的事件。了解选择UPS的基础知识将有助于实施特定应用程序的正确UPS。

虽然UPS系统有多种形式因素和设计,但本文侧重于DIN轨道上升的UPSS,这些UPS在多个行业的许多应用中使用。

1.定义UPS应用要求

UPS供电的负载类型是什么-交流还是直流?

遗留系统倾向于在交流电源上运行,因此旧系统的改造可能需要交流电源。然而,在过去的20年左右,工业PC(IPC)市场的增长导致转向直流电源。

接下来,考虑电源和运行时要求。您需要计算UPS的正确尺寸。这是您需要建立现实期望的地步。很容易说一个10个系统需要运行48小时。但是,意识到系统可以是相当的任务。

如果持续断电,UPS的工作是确保控制平台安全有序关闭,避免数据丢失、系统崩溃或故障。在设计系统时,选择电池大小是很重要的,以允许在PC被告知关闭或主电源在合理的时间内返回之前的一些运行时间。过大的电池系统可能需要很长时间才能恢复充电。

电池是这个方程式的下一步。虽然有很多电池可供选择,但大多数UPS制造商只使用少数行业标准类型的电池。一些制造商只提供一种技术,例如阀控铅酸(VRLA)。其他的将提供各种各样的,如VRLA和宽温度VRLA,以及磷酸铁锂(锂离子)。不同的电池有不同的性能特点和使用寿命,稍后会提到。

由于大多数UPSS,操作员无法了解电池的健康状况,而一些UPS将有一个故障指标,如果系统是遥控器,这可能太晚了。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达到故障点之前采取预防措施。

最后,看看UPS是如何沟通这些数据点的。大多数UPS解决方案使用led,少数选项提供具有固定阈值点的干接点输出。更新的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 [ODVA], Profinet [Pi北美洲]和Modbus TCP/IP [Modbus组织)和EtherCATEtherCAT技术用户组].

图1:随着工业物联网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加重要。为应用选择合适的UPS系统可以避免电源中断带来的问题和成本。礼貌:菲尼克斯

图1:随着工业物联网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加重要。为应用选择合适的UPS系统可以避免电源中断带来的问题和成本。礼貌:菲尼克斯

2.分散式交流UPS技术

在使用交流电压的控制系统中,交流UPS是最有意义的。对于交流UPS,有几种技术可供选择。

离线或备用拓扑非常简单。这些产品价格不贵,是最常见的交流ups类型。正常情况下,离线UPS将市电从输入端传递到输出端,除了与市电并联的电池充电回路外,不与市电交互。如果市电掉电,UPS会从市电切换到电池电路。UPS从掉电到电池供电的转换时间不能超过10ms。10ms的传输通常不会影响下游设备,但是在对电压波动敏感的系统中,考虑这一点是很重要的。

在AC UPS解决方案的离线段内,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。

修改的正弦波设备从电池组中取出电压,并且在最简单的形式中,尝试对正弦波产生粗糙的相似性。虽然这种类型的UPS成本相对较低,但它具有一些缺点。电压的大规模步骤会损坏下游设备的输入电路。这些大规模步骤还从UPS输出创建了大量的开关瞬态。随着时间的推移,这可能导致工业PC和PLC中的小型电源过早失效。

一个纯正弦波UPS产生相同的正弦波形输出,将复制从120/ 230v市电馈电波形。对于可编程逻辑控制器(plc)、分布式控制系统(dcs)和ipc等敏感控制设备,纯正弦波UPS是更好的选择。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的时间,从而在长期内降低总拥有成本。

图2:在正常条件下的离线UPS中,它只是将电源电源从输入传递到输出,而不会与电池充电电路不同的任何相互作用,并联到电源电路。礼貌:菲尼克斯

图2:在正常条件下的离线UPS中,它只是将电源电源从输入传递到输出,而不会与电池充电电路不同的任何相互作用,并联到电源电路。礼貌:菲尼克斯

关键任务应用将需要更先进的UPS,称为双转换或在线UPS解决方案。在这种拓扑下,UPS永远不会处于待机状态。电池电路主动连接到系统。市电馈电中断时,输出无中断或电压暂降,电池运行无缝。在线系统也有一个内置的过滤和调节水平。在正常运行时,它将输入的电源从交流电转换为直流电,然后再通过逆变器返回。这种隔离水平可以防止电压波动和输入侧的小功率干扰。然而,功能水平越高,价格就越高,住房面积也越大。

3.分布式直流UPS设计

交流UPS的缺点是,下游的一切都是交流供电的,并依赖于单一的UPS。一个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故障,则下行设备故障。分布式直流UPS可以节约成本和空间。

现在大多数的控制柜都是基于直流电压。一个交流UPS备份和支持一切在入口处。使用直流UPS时,交直流供电后出现备份。

通过这种UPS方向,您可以将负载分为缓冲负载和非缓冲负载。(见下文)。非缓冲负载是指在市电电压损失期间可能失去电力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提供电源。这可以显著降低直流UPS的负载。这种电流的减少相当于UPS尺寸的减少,并减少了所需的电池容量的大小。

图3:在在线或“双转换”拓扑中,UPS永远不会处于待机模式。礼貌:菲尼克斯

图3:在在线或“双转换”拓扑中,UPS永远不会处于待机模式。礼貌:菲尼克斯

直流UPS技术比交流UPS解决方案简单。直流产品不需要交直流变换器或直流交流变换器。UPS的所有电压保持在24vdc的额定安全特低电压(SELV)水平。这对于电源和电池组都是更有效的。使用额外的dc/dc转换器用于其他直流电压使用更多的电流在转换和成为寄生在系统。在高功能UPS系统中,唯一发生的直流转换是在电池充电电路中。

DC UPS系统还允许加载优先级。这优先于将负载连接到UPS的负载。当UPS在电源模式下供应负载和对电池组充电时,UPS将监控负载电流。如果负载电流和充电电流组合会导致主AC / DC电源的过载,UPS将自动降低充电电流,防止过载。

直流UPS产品也趋向于比交流产品体积小,因为它们有更简单的电路。更小的尺寸可以是有价值的控制柜与有限的DIN轨道空间。

其中一些模块化直流UPS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”指示器,但先进的UPS系统可以提供系统健康和功能的实时信息。维护团队可以查看关于电池健康、电压水平、负载电流、温度等实时数据。他们无需猜测电池的健康状况或创建电池轮换时间表,而是掌握实时信息,可以在电池失效前更换电池。

4.工业UPS的可靠性依赖于电池

电池是UPS系统的支柱。停电时,电池还能继续工作。那么,如何确保电池不是UPS系统中的薄弱环节呢?

用于工业UPS应用的电池类型包括:

  • VRLA
  • 宽温度范围(WTR) VRLA
  • 锂变体

标准的VRLA电池是最常见的UPS平台。它的成本较低,在成本和容量之间达到了平衡,但缺乏持久性。标准电池的标称工作温度为0到40°C。它们在稳定温度约27°C的房间里表现最好。虽然它们在受控环境中很常见,但许多工业应用可以看到温度范围从-40到70°C。这种波动将显著降低VRLA电池的寿命。

WTR-VRLA电池可在-25°C至60°C范围内工作。它们的使用寿命也比标准的VRLA稍微长一些。它们经常用于户外应用。由于化学成分不同于标准的VRLA, WTR-VRLA通常更大,价格更高。

VRLA和WTR-VRLA电池在失效前可以运行大约250到300次充电循环。这意味着一个VRLA可能只持续6个月,而WTR-VRLA可能持续1年半到2年才需要更换。

图4:使用DC UPS,备份发生在AC / DC电源之后。通过这种UPS定向,可以将负载分解为缓冲和不缓解的负载。礼貌:菲尼克斯

图4:使用DC UPS,备份发生在AC / DC电源之后。通过这种UPS定向,可以将负载分解为缓冲和不缓解的负载。礼貌:菲尼克斯

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次的充电周期,这是一个显著的增加使用寿命。锂电池的价格可能是类似WTR-VRLA电池的三倍。然而,在整个生命周期中,锂电池的性能往往是有回报的。表比较了工业电池技术的性能和相对成本。

工业电池搬运,安装定时

因为电池是消耗品,电压即使在未使用时,电压也会降低,最好是最好购买和安装“正常”(JIT)以确保可用的最新电池。在存储电池时,定期向它们充电以保持其电压。电池容量越小,电池越多,需要通电和充电。

下表比较了阀控式铅酸(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。锂离子电池成本最高,但性能最好,可能值得投资,这取决于应用和更换成本。礼貌:菲尼克斯

下表比较了阀控式铅酸(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。锂离子电池成本最高,但性能最好,可能值得投资,这取决于应用和更换成本。礼貌:菲尼克斯

在面板建造者完成一个橱柜后,他们往往会忘记它。如果电池在运输或储存期间处于休眠状态,它将退化。如果保险丝没有断开,寄生负载会耗尽电池。理想的解决方案是在出厂验收测试后将电池从机柜中取出,并将该电池作为多个机柜的测试电池。当您准备调试机器时,请安装一个新的电池。

5.连接的UPS提供性能数据

工业物联网意味着工业世界比以往任何时候都更加互联,并使许多设备更加智能。UPS也不例外。通过联网和连接,UPS的性能数据可以在任何时间和地点访问。

要连接到这些ups,必须有一个网络。以太网/ IP (ODVA], Profinet [Pi北美洲]和Modbus TCP/IP [Modbus组织)是美国工业网络最常见的网络协议之一。通过这些协议进行通信的UPS将使终端用户在安装UPS的任何地方都能看到电池性能。

UPS具有先进的监控和诊断功能,可以帮助工程师或技术人员对UPS或电池的维护进行智能决策。有了关于电池健康状态的预警和实时信息,可以采取积极的方法来维护电池。有了这些数据,就可以消除“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,使得可以轻松获得关于电池状态的高级监控和诊断数据和其他重要数据。礼貌:菲尼克斯

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,使得可以轻松获得关于电池状态的高级监控和诊断数据和其他重要数据。礼貌:菲尼克斯

UPS系统在控制柜的健康方面发挥着重要作用。这些提示增加了选择UPS系统以满足应用程序的需求的准备。

肯·艾尔温是助理产品营销经理-电源,菲尼克斯。由内容经理马克·t·霍斯克编辑,控制工程,CFE媒体与技术mhoske@cfemedia.com

关键词:不间断电源,UPS,工业功率可靠性

定义UPS应用要求选择UPS之前。

分散的交流和分布式DC UPS设计是可用的。

考虑电池性能和UPS通信。

考虑一下这个

比例是多少你的停电可以通过更可靠的电源来预防吗?


肯·艾尔温
作者生物:Ken Allwine是Phoenix Contact USA的副产品营销经理