機電設備企業UPS電源解決方案(一）

    引言：

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

    第一章  用戶需求

    1.1 項目概況

    西陵輸變電設備有限公司的精密數控機床因市電供電質量問題，常導致幾萬、甚至幾十萬的部件損壞。UPS供電系統的建設目的，是通過UPS供電系統給精密設備供電，為用電設備提供高質量的、不間斷電源，來保證用電設備正常工作。UPS不間斷電源系統可以解決電源斷電、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量差對前端設備造成的危害。

    1.2 用戶需求分析

    1.2.1客戶遇到的問題

    生產機床設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，造成造成設備前端配電裝置保護跳閘，生產設備不能連續工作。

    2、跳閘，導致負載突然中斷，導致損失產生。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、電力諧波干擾會導致數控機床設備加工精度下降，良品率降低，因此，新增UPS電源系統設備后，不能帶來嚴重的諧波干擾。

    1.2.2客戶問題分析

    1）生產輸變電設備的核心設備是數控機床設備，此設備的主刀頭會應電力突然中斷而損壞，一次的損失約為5萬元。

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

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

    3）客戶設備為機床，內部有多個大功率電動機，特別是主軸刀頭驅動馬達，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）客戶機床設備是用來加工輸變電設備的，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。

    ---------解決方案設備所產生的諧波要小，不能影響其他設備。

    1.2.3 解決方案指導思路

    針對以上分析，我們為客戶提出電力質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，影響其他設備正的加工精度。

    第二章 臺達UPS電源供電方案

    1. 供電系統結構圖:

    2. UPS電源供電解決方案

    本方案主導思想是本著節省、可靠、簡潔高效的原則來制定。盡量結合現場特點，為客戶度身定制成本最低、性能最優的UPS供電解決方案。

    我們建議規劃為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，再經過UPS電源的單機系統給輸出配電柜供電，重要關鍵負載（穩壓器、數控機床設備）全部由UPS輸出配電柜配電供電，次要負載（廠區照明設備、空調設備、消防設備等）全部由輸入配電柜配電供電。

    2.1 數控機床負載特性測量：

    針對工廠生產設備----數控機床設備特殊的負載特性，我們曾經對廣州豐田發動機生產廠的數控機床設備進行波形采集，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%，這些諧波會串擾到其他設備的電力輸入系統，除了會導致損耗加大、電容壽命縮短、繼電器和開關誤動作外，更重要的是會導致其他生產設備—數控機床生產精度變差，生產出殘、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：

    根據用戶實際整個負載最大（夏季高溫期）時為430KVA，空調設備、照明設備等非關鍵性負載為215KVA，關鍵負載（穩壓器及數控機床生產設備）為215KVA作為選擇UPS容量的參考依據。

    2.3  UPS容量的核定

    實際數控機床設備功耗 : P機床關鍵負載=215KVA 

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

    2） 作為UPS電源的負載----數控機床的核心組件為電機，為感性負載；盡管每個數控機床內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），考慮到數控機床設備的安全可靠運行，數控機床啟動時沖擊電流過大而導致UPS電源轉旁路，故UPS容量應適當放大正常使用的容量（放大1.3倍啟動安全系數）。

    UPS電源設計容量

    A/基于上面的分析，結合我們測量的負載設備的電流波形及曲線，我們為客戶選用的UPS容量為400KVA 。 

    蓄電池容量及時間的選定

    B/電池延時時間，我們選擇根據客戶實際情況，選擇為10分鐘。此時間足夠客戶的數控機床設備完成一個生產周期，并且保護并安全關閉設備。

    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              η      逆變轉換效率

    Pnc  每節需要提供的功率           n      機器配置的電池數量

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

    臺達NT系列400KVA UPS，輸出功率因數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。所以每個電池單體需要提供的功率為：

    根據中達電通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2組,滿足系統要求，所以該電源系統應配置12V/150AH電池58節。

    2.4 UPS電源方案優點說明

    1）通過UPS系統供電有如下優點：

    2.4.1 UPS設備輸出電壓穩定度高，輸出電壓諧波小。

    臺達UPS，輸出電壓穩定度為±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、斷電等電力質量問題。為數控機床設備提供可靠穩定的電力供應。

    2.4.2 負載適應性強，可帶沖擊性較強的負載；
臺達UPS采用全橋逆變架構，內置輸出隔離變壓器，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，符合國家一類標準，比一般此架構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備的正常工作。

    2）UPS電源系統集中給負載供電的優勢：

    【1】 實現關鍵負載和非關鍵負載的完全隔離，提高了對關鍵負載數控機床設備的供電可靠性。

    【2】 通過UPS電源供電可以保護關鍵負載設備的不間斷連續工作，一勞永逸的解決了生產線供電的問題。能大大提高產線的生產率。

    【3】 由于UPS設備安裝在低壓配電室，可以避免產線的油污對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】 由于單臺生產設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，完全可以規劃各個正在工作的數控機床完成一個工作周期并正常關機，免受損失。 ■