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弱電智能化工程中不間斷電源UPS的選擇與電池容量和數量的計算

做系統集成和安防系統的經常配置機房設備,而機房中UPS作為后備電源系統在大型項目中屢屢應用,面對市面上如此眾多的品牌的ups我們又該如何選擇,選擇的標準又是什么,在選擇中又應該注意哪些事項呢?配備了ups電池又該如何配置呢?

首先第一步要先確定功率段:
簡而言之,首先就是要確認我們希望UPS帶載的設備的功率,然后就可以確認好UPS的功率。一般來說,我們建議負載功率占到UPS功率的30%~80%。如果負載太大的話,如同時啟動時可能會造成UPS電源過載,負載太小時,不但造成了浪費,對電池的性能來說也不好。

第二步要落實UPS工作方式:
目前市場上多見的工作方式有后備式、在線互動式、在線雙變換(線純在線)這三種,具體如下:

(1)后備式的UPS,又稱離線式UPS,在市電正常時由市電經過穩壓濾波后給負載供電,蓄電池處于充電狀態,逆變器處于非工作狀態。當市電異常時,逆變器開始工作,將蓄電池組內的直流電逆變成交流電輸出給負載使用。不帶穩壓,市電與電池轉換時有轉換時間,一般用于個人電腦保護,或對UPS電源性能要求不高的情況下使用,此類型的UPS功率段一般較小;

(2)在線互動式,是介于后備式和在線式雙變換式之間的一種UPS設備。當市電正常時,由市電直接向負載供電;當市電電壓偏低或偏高時,由穩壓電路穩壓后向負載供電;當市電異常時,由蓄電池逆變后向負載供電,在線互動式UPS切換時間一般小于4ms。市電與電池轉換時有轉換時間,但有調壓功能,一般用于配線間或微型機房,保護服務器及網絡設備等,此類型的UPS功率段一般在5KVA以下。

(3)在線雙變換UPS,無論市電是否正常,其逆變器一直處于工作狀態,因此不存在切換時間的問題,能夠達到輸出電壓零中斷的要求。市電與電池轉換時無轉換時間,無切換時間一般也是用于保護服務器或網絡設備以及機房里的其他設備,此類型的UPS功率段從小到大都有,跨度比較大1KVA~1000KVA,目前市場上較為多見。

(4)在三相大功率UPS中還有采用雙逆變電壓補償在線技術(又稱Delta逆變技術),即采用2個逆變器,減少了UPS電源對電網的污染,提高了能量的利用率,特別適用于感性負載(如電動機)或對電源質量要求不是非常高的負載。但是此類技術對電網的適應能力尚有待進一步提高。

以上幾種UPS電源的性能從高到低依次為:在線雙變換、在線互動式、后備式。價格一般與性能成正比。那是不是我們一定要選擇貴的UPS呢?

答案是否定的。正如我們的標題,我們要選擇適合自己的UPS。如果是給個人電腦用,那么您選擇后備式的UPS就可以,如果是給服務器用,則應該在在線互動式與在線雙變換中來選擇,選擇應該按以下條件來進行:

1、設備要求
看您的設備是否需要很高精度的供電,可查看負載設備的銘牌上的標識或詢問設備廠家。如需高精度的供電,則需要選擇在線雙變換的UPS。其次是看負載類型,有的負載是不允許供電有閃斷,如:繼電器類的設備或開關信號的設備,若您為這種類型的設備配備在線互動式的UPS,那么就有可能在UPS市電與電池切換時,負載有斷電或誤動作,因此對于這類的設備應該選擇在線雙變換UPS。如果您的設備沒有以上兩個要求,則可以繼續下面步驟。

2、當地電網
如果當地電網質量相對較好,也就是說平時電壓波動較小,這個時候就可以考慮選擇在線互動式的UPS。但是如果當地電網質量較差,電壓波動較大,那么我們建議使用在線雙變換的UPS,這是由于這類型的UPS對市電的適應能力要好于在線互動式。

3、UPS轉電池后續航時間
如果您要求較長時間延時,可以考慮選擇標長兩用的機器或買不帶內置電池的UPS,這兩種UPS電源都可以外配原裝電池或第三方電池,以達到較長時間延時的目的。

4、安裝方式
一般來說,UPS電源有兩種安裝方式,一種是塔式安裝,一種是機架式安裝,可根據您的機房環境或現場環境來選擇,而且還需要注意,不是所有的UPS電源都同時支持這兩種安裝方式,大多數情況下,機架式的UPS也可以做塔式安裝,但塔式的UPS不一定能做機架式安裝,因為塔式的UPS可能沒辦法安裝導軌。因此,確認好UPS功率段及工作方式后一定要確認一下UPS電源是否可以滿足您的安裝要求。

第三步簡單了解UPS不同種類電池的優點和缺點

一:UPS 常用電池的種類,影響電池壽命的因素,不同種類電池的優點和缺點:

在UPS應用中的電池共有三種:包括開放型液體鉛酸電池,免維護電池,鎳鉻電池。現UPS廠家所配的電池一般為免維護電池,下面以免維護電池為主介紹三種電池的特點:

1:開放型液體鉛酸電池:此類電池按結構可分為8-10年,15-20年壽命兩種。由于此電池硫酸電解會產生腐蝕性氣體,此類電池必須安裝在通風并遠離精密電子設備的房間,且電池房應鋪設防腐蝕瓷磚。
由于蒸發的原因,開放電池需定期測量比重,加酸加水。此電池可忍受高溫高壓和深放電。電池房應禁煙并用開放型電池架。
此電池充電后不能運輸,因而必須在現場安裝后充電初充電一般需55-90小時。正常每節電壓為2V,初充電電壓為2.6-2.7v。

2:免維護電池:又名閥控式密封鉛酸蓄電池,在使用和維護中需遵循下列原則:

密封電池可允許的運行范圍為15度-50度 ,但5度-35度之內使用可延長電池壽命。在零下15度以下電池化學成分將發生變化而不能充電。在20度到25度范圍內使用將獲得最高壽命.電池在低溫運行將獲得長壽命但較低容量,在高溫運行將獲得較高容量但短壽命。

電池壽命和溫度的關系可參考如下規則,溫度超過攝氏25度后,每高8.3度電池壽命將減一半。

免維護電池的設計浮充電壓為2.3V /節。12V的電池為13.8V。CSB公司建議每節2.25-2.3V。在120節電池串聯的情況下,溫度高于攝氏25度后,溫度每升高一度浮充電壓應下調3MV。同樣溫度每升高一度為避免充電不足電壓應上調3MV。放電終止電壓在滿負荷(<30分鐘)情況下為1.67V每節。在低放電率情況下(小電流長時間放電)要升高至1.7V-1.8V每節,APC SYMMETRA可根據負載量調節充電電壓。

放電結束后電池若在72小時內沒有再次充電。硫酸鹽將附著在極板上絕緣充電,而損壞電池。

電池在浮充或均充時,電池內部產生的氣體在負極板電解成水,從而保持電池的容量且不必外加水。但電池極板的腐蝕將減低電池容量。

電池隔板壽命在環境溫度為30-40度時僅為5-6個月。長時間存放的電池每6個月必須充電一次。電池必須存放在干燥 涼爽的環境。在20度的環境下免維護電池的自放電率為3-4%每個月,并隨溫度變化。

免維護電池都配有安全閥,當電池內部氣壓升高到一定程度時安全閥可自動排除過剩氣體,在內部氣壓恢復時安全閥會自動恢復。

電池的周期壽命(充放電次數壽命)取決于放電率,放電深度,和恢復性充電的方式, 其中最重要的因素是放電深度。在放電率和時間一定時,放電深度越淺,電池周期壽命越長。免維護電池在25度100%深放電情況下周期壽命約為200次。

電池在到達壽命時表現為容量衰減,內部短路,外殼變形,極板腐蝕,開路電壓降低。

IEEE定義電池壽命結束為容量不足標稱容量AH的80%。標稱容量和實際后備時間非線性關系,容量減低20%相應后備時間會減低很多。一些UPS 廠家定義電池的壽命終止為容量降至標稱容量的50-60%。

最后說說如何計算UPS所配電池的數量

一、前提條件

1、快速估算機房IT 設備功率:知道機柜數量,以1 個機柜負載3~5KW計算IT 設備總功率;

2、普通PC功率約200W,蘋果機約300W,服務器約300W~600W,其它請查閱設備說明書;

3、設計UPS時,計算出UPS容量后,配置UPS數量推薦采用N+1 冗余部署;

4、電池計算,最快捷的方法可以查UPS廠家的電池配置表,簡單快捷;想了解
具體算法請參閱本文;

二、UPS 容量快速計算方法

計算公式:UPS 容量KVA =負載功率KW ÷功率因數÷0.7 ;

1、負載功率KW:需要帶載IT 設備的負載功率,一般用KW表示(如10KW)

2、UPS容量KVA:UPS容量一般用KVA表示(如10KVA,UPS容量KVA*功率因數=KW,一般情況下KVA ≧KW ,只有當功率因素為1 時, KVA=KW)

3、UPS最大帶載功率KW=UPS容量KVA×功率因數(功率因數一般在0.8 ~1 之間,查UPS參數表可得,一般取0.8 )

4、配置UPS時,建議UPS所帶的負載功率( KW)約為UPS最大帶載功率( KW)的70%為佳;

計算示例:以10KW負載為例,計算所需要UPS容量步驟如下:

第一步:套用公式, UPS 容量KVA =10KW ÷0.8 ÷0.7=17.85KVA ;

第二步:選用合適的UPS,根據以上結果實際可選用20KVA 的UPS 滿足要求;

三、UPS 電池容量的快速計算方法

計算所需電池安時數(AH) (此方法簡單快捷,一般的估算,采用此方法即可)

計算公式:電池安時數(AH)=UPS 標稱功率(VA) ×功率因素×延時時長(小時數)÷逆變器

啟動電壓(電池組電壓)÷逆變器效率;

1、功率因數一般取0.8 ;

2、逆變器效率一般取0.9 ;

3、逆變器啟動電壓( 電池組電壓) 根據不同型號UPS而不同(查UPS參數可得)

計算示例:以3000VA UPS 延時4 小時為例,計算步驟如下:

每一步:查UPS 參數,得UPS 逆變器啟動電壓(電池組電壓):U=96V ,選用電池額定電壓:U1=12V ,得出每組電池數量:N=U ÷U1=96V ÷12=8 節/ 組;
第二步:套用公式,電池安時數(AH)=3000VA ×0.8 ×4 小時÷96V ÷0.9=111AH ;

第三步:選用合適的電池, 以上結果得出需要111AH 的蓄電池才能滿足4 小時的供電,但是常規蓄電池一般沒有容量為111AH 的,且需要8 節/1 組,我們可以選擇2 組(16節)65AH 的蓄電池并聯進行配置,其延時時間為:65AH ×2÷3000VA ÷0.8 ×96V ×0.9=4.68 小時;

注:以上算出的電池安時數(AH) 也常理解為:電池放出容量;如果電池放電效率不為1,參照以下公式換算出電池標稱容量,再選電池。電池放出容量= 電池標稱容量×電池放電效率;電池放電效率不同型號參考值有:0.4 /0.5/0.6/0.7/0.8/0.9/1 。

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