機電設(shè)備企業(yè)UPS電源解決方案(一）

    引言：

    隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，各行業(yè)科技水平不斷提高，用電設(shè)備對于供電電網(wǎng)的質(zhì)量要求也越來越高，生產(chǎn)力水平的提供越來越得到企業(yè)的重視。由于市電電網(wǎng)中接有各種各樣的負載，對電網(wǎng)造成了干擾和污染，惡化了供電質(zhì)量，同時，由于市電的不穩(wěn)定，供電電壓不穩(wěn)定，欠壓、高壓、瞬斷等情況時有發(fā)生，影響了負載設(shè)備的正常運行，給用戶造成了很大的損失。

    第一章  用戶需求

    1.1 項目概況

    西陵輸變電設(shè)備有限公司的精密數(shù)控機床因市電供電質(zhì)量問題，常導(dǎo)致幾萬、甚至幾十萬的部件損壞。UPS供電系統(tǒng)的建設(shè)目的，是通過UPS供電系統(tǒng)給精密設(shè)備供電，為用電設(shè)備提供高質(zhì)量的、不間斷電源，來保證用電設(shè)備正常工作。UPS不間斷電源系統(tǒng)可以解決電源斷電、電壓尖峰、電壓浪涌、頻率漂移、諧波干擾、過欠壓、電壓波動及噪聲電壓等由市電電源質(zhì)量差對前端設(shè)備造成的危害。

    1.2 用戶需求分析

    1.2.1客戶遇到的問題

    生產(chǎn)機床設(shè)備會因電力問題造成損失的原因主要有三種情況：

    1、市電電壓欠壓，造成造成設(shè)備前端配電裝置保護跳閘，生產(chǎn)設(shè)備不能連續(xù)工作。

    2、跳閘，導(dǎo)致負載突然中斷，導(dǎo)致?lián)p失產(chǎn)生。因此，必須解決電力欠壓和電力中斷的情況，才能避免這種無謂的損失。

    3、電力諧波干擾會導(dǎo)致數(shù)控機床設(shè)備加工精度下降，良品率降低，因此，新增UPS電源系統(tǒng)設(shè)備后，不能帶來嚴重的諧波干擾。

    1.2.2客戶問題分析

    1）生產(chǎn)輸變電設(shè)備的核心設(shè)備是數(shù)控機床設(shè)備，此設(shè)備的主刀頭會應(yīng)電力突然中斷而損壞，一次的損失約為5萬元。

    2）導(dǎo)致客戶設(shè)備工作突然中斷的原因是電力質(zhì)量問題---電壓不穩(wěn)，即欠壓，欠壓造成電流突然增大，空開負荷增大，進而導(dǎo)致空開跳閘（客戶空開容量已經(jīng)足夠大）。

    -------這要求解決方案要為客戶的設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的不間斷動力。

    3）客戶設(shè)備為機床，內(nèi)部有多個大功率電動機，特別是主軸刀頭驅(qū)動馬達，功率可達30KVA,啟動瞬間的沖擊電流是是啟動后的3-5倍，負載沖性很大。

    -------這要求解決方案所采用的設(shè)備必須具有強的抗沖性負載擊能力，同時過載能力也要強。

    4）客戶機床設(shè)備是用來加工輸變電設(shè)備的，因此加工精度要求非常高，不能因為諧波的干擾而造成加工精度下降。

    ---------解決方案設(shè)備所產(chǎn)生的諧波要小，不能影響其他設(shè)備。

    1.2.3 解決方案指導(dǎo)思路

    針對以上分析，我們?yōu)榭蛻籼岢鲭娏�質(zhì)量解決方案必須能夠滿足以上四點要求：

    1、能夠帶來顯著的效益提升；

    2、能夠有效的解決電力供電欠壓、斷電等情況；

    3、適合帶機床類沖擊性負載，能夠穩(wěn)定可靠工作；

    4、解決方案不能帶來諸如諧波干擾等其他常見電力問題，影響其他設(shè)備正的加工精度。

    第二章 臺達UPS電源供電方案

    1. 供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖:

    2. UPS電源供電解決方案

    本方案主導(dǎo)思想是本著節(jié)省、可靠、簡潔高效的原則來制定。盡量結(jié)合現(xiàn)場特點，為客戶度身定制成本最低、性能最優(yōu)的UPS供電解決方案。

    我們建議規(guī)劃為UPS集中供電的解決方案，采用1臺UPS的輸入交流可以選擇采用輸入配電柜供給UPS市電輸入，再經(jīng)過UPS電源的單機系統(tǒng)給輸出配電柜供電，重要關(guān)鍵負載（穩(wěn)壓器、數(shù)控機床設(shè)備）全部由UPS輸出配電柜配電供電，次要負載（廠區(qū)照明設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、消防設(shè)備等）全部由輸入配電柜配電供電。

    2.1 數(shù)控機床負載特性測量：

    針對工廠生產(chǎn)設(shè)備----數(shù)控機床設(shè)備特殊的負載特性，我們曾經(jīng)對廣州豐田發(fā)動機生產(chǎn)廠的數(shù)控機床設(shè)備進行波形采集，并測試了1小時的電流跟蹤。如下圖：

    從上圖我們可以看到，負載電流諧波很大，測量諧波量會達到26%，這些諧波會串?dāng)_到其他設(shè)備的電力輸入系統(tǒng)，除了會導(dǎo)致?lián)p耗加大、電容壽命縮短、繼電器和開關(guān)誤動作外，更重要的是會導(dǎo)致其他生產(chǎn)設(shè)備—數(shù)控機床生產(chǎn)精度變差，生產(chǎn)出殘、次品。

    上圖粉紅色為一段時間的負載電流變化曲線，我們可以看到負載電流會從100A左右，突變到最大170A,負載電流變化率非常大，達到了70%，這對UPS逆變器耐受沖擊性能、和負載突變時的電壓變化量要求都非常高。

    2.2 UPS電源容量的核算：

    根據(jù)用戶實際整個負載最大（夏季高溫期）時為430KVA，空調(diào)設(shè)備、照明設(shè)備等非關(guān)鍵性負載為215KVA，關(guān)鍵負載（穩(wěn)壓器及數(shù)控機床生產(chǎn)設(shè)備）為215KVA作為選擇UPS容量的參考依據(jù)。

    2.3  UPS容量的核定

    實際數(shù)控機床設(shè)備功耗 : P機床關(guān)鍵負載=215KVA 

    1） 為保證UPS電源正常工作，為保證UPS長期穩(wěn)定地運行,負載容量一般為UPS容量的70%-80%。

    2） 作為UPS電源的負載----數(shù)控機床的核心組件為電機，為感性負載；盡管每個數(shù)控機床內(nèi)部均有變頻器可以使電機得到平緩啟動，其啟動沖擊電流為額定電流的1-3倍；（如果沒有變頻器的情況下電機的起動電流為額定電流的5-7倍），考慮到數(shù)控機床設(shè)備的安全可靠運行，數(shù)控機床啟動時沖擊電流過大而導(dǎo)致UPS電源轉(zhuǎn)旁路，故UPS容量應(yīng)適當(dāng)放大正常使用的容量（放大1.3倍啟動安全系數(shù)）。

    UPS電源設(shè)計容量

    A/基于上面的分析，結(jié)合我們測量的負載設(shè)備的電流波形及曲線，我們?yōu)榭蛻暨x用的UPS容量為400KVA 。 

    蓄電池容量及時間的選定

    B/電池延時時間，我們選擇根據(jù)客戶實際情況，選擇為10分鐘。此時間足夠客戶的數(shù)控機床設(shè)備完成一個生產(chǎn)周期，并且保護并安全關(guān)閉設(shè)備。

    因為UPS實際工作時，負載一般不變，是個固定值，所以電池放電的功率也相對固定，可視為恒功率放電，因此電池容量計算按恒功率法計算，計算步驟如下：

    P（W）  電池提供總功率           P（VA）  UPS標稱容量（VA）

    Pf    UPS功率因數(shù)              η      逆變轉(zhuǎn)換效率

    Pnc  每節(jié)需要提供的功率           n      機器配置的電池數(shù)量

    P（W）={P（VA）*Pf}/η           Pn    每節(jié)電池所提供的功率 

    臺達NT系列400KVA UPS，輸出功率因數(shù)Pf=0.8，額定容量為400KVA，逆變效率0.95，額定電池電壓為348V,所以需要12V電池29節(jié)。所以每個電池單體需要提供的功率為：

    根據(jù)中達電通DCF126-12/150電池的恒功率曲線表，可查得，中達電通DCF126-12/150AH電池放電至每單體1.70時10分鐘恒功率放電功率為513W，1040.53W/513W=2.02組,取整數(shù)2組,滿足系統(tǒng)要求，所以該電源系統(tǒng)應(yīng)配置12V/150AH電池58節(jié)。

    2.4 UPS電源方案優(yōu)點說明

    1）通過UPS系統(tǒng)供電有如下優(yōu)點：

    2.4.1 UPS設(shè)備輸出電壓穩(wěn)定度高，輸出電壓諧波小。

    臺達UPS，輸出電壓穩(wěn)定度為±1%（線性負載），非線性負載為±3%，輸出電壓諧波≤3%，能夠有效解決欠壓、斷電等電力質(zhì)量問題。為數(shù)控機床設(shè)備提供可靠穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

    2.4.2 負載適應(yīng)性強，可帶沖擊性較強的負載；
臺達UPS采用全橋逆變架構(gòu)，內(nèi)置輸出隔離變壓器，抗沖擊能力強，逆變器過載能強，可達125% 10分鐘，150%  60秒。

    2.4.3 輸出電流諧波小，不會影響干擾其他設(shè)備正常工作；

    我們建議客戶選用的是采用12脈沖整流器的UPS,其輸入電流諧波可控制在10%之內(nèi)，符合國家一類標準，比一般此架構(gòu)UPS的30%的電流諧波，大大降低。因此，使用，此裝置不會影響到其他設(shè)備的正常工作。

    2）UPS電源系統(tǒng)集中給負載供電的優(yōu)勢：

    【1】 實現(xiàn)關(guān)鍵負載和非關(guān)鍵負載的完全隔離，提高了對關(guān)鍵負載數(shù)控機床設(shè)備的供電可靠性。

    【2】 通過UPS電源供電可以保護關(guān)鍵負載設(shè)備的不間斷連續(xù)工作，一勞永逸的解決了生產(chǎn)線供電的問題。能大大提高產(chǎn)線的生產(chǎn)率。

    【3】 由于UPS設(shè)備安裝在低壓配電室，可以避免產(chǎn)線的油污對UPS造成的影響，可大大提高UPS供電的可靠性的延長UPS壽命。

    【4】 由于單臺生產(chǎn)設(shè)備的沖擊性和負載波動性都很大，必須配置容量余量較大的UPS，但在整個產(chǎn)線來看，由于負載不是同時達到最大值和同時啟動，因此它們的波動和沖擊等可以相互補充，這樣，整個系統(tǒng)的UPS配置較單臺配置UPS來的小很多，即整體UPS的配置容量會小很多，大大降低了UPS配置成本。

    【5】 通過UPS電源供電可以回避因交流突然停電造成的機床刀具損壞，通過UPS電源后備蓄電池，完全可以規(guī)劃各個正在工作的數(shù)控機床完成一個工作周期并正常關(guān)機，免受損失。 ■