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通信交换局中、大型UPS的比较与选型

通信交换局中、大型UPS的比较与选型

 

        当前市场上UPS的种类繁多,其工作模式也多种多样,对如何选择及配置理想的UPS提出了较高的要求。本文针对通信行业交换局(站)所带负载的重要性及对市电电网要求的稳定、安全性,就中大型UPS选购以及从UPS的类型、工作方式、容量大小、参数性能、蓄电池与容量选择、配线的选择等方面进行了详细的阐述。

一、正确选择UPS的类型

  当前的UPS可分为以下几种:在线式、在线互动式、后备式及Delta变换型。

  在线互动式UPS的单机输出功率为0.7~20kVA,后备式单机UPS输出功率为0.25~2kVA,两种类型产品在市电供电正常时逆变器均不投入工作,而是向用户提供经过简单处理的一般市电电源,该类产品供电质量差,输出功率小,只适用于要求不高的用户环境,此选型中不考虑该种产品。

  (一)Delta变换型UPS

  Delta变换型UPS也称为双逆变电压补偿在线式UPS,其单机输出功率为10~480kVA,它的原理是将交流稳压控制技术中的电压补偿原理运用到UPS的主电路中,利用补偿变压器对不稳定的市电电压进行电压调整。其运行工作原理如图1、2所示。

 

 


  1.市电电源供电正常时(即市电电压波动范围小于380V±15%,市电频率波动范围小于50Hz±3Hz),如图1所示,主供电通道上的STS1显示导通状态,STS2处在断开状态。

  当市电电压等于UPS的标称输出电压时,市电电源经补偿变压器(无需补偿)直接送到负载上,此时的电源未经过任何处理;当市电电压高于或低于UPS的标称输出电压时,补偿变压器在Delta变换器的调控下对市电电压进行降压或升压调节后送到负载上。

  2.市电电源供电不正常时(即市电电压波动范围超过380V±15%,市电频率波动范围超过50Hz±3Hz),如图2所示,STS1与STS2处于断开状态,蓄电池组放电,主变换器以逆变器的方式向负载提供纯净的正弦波逆变电源。

  3.当输出短路、输出过载、温升过高、主变换器或Delta变换器发出故障时,STS1关断,STS2导通,市电电源经过交流旁路通道给负载供电。

  由此可以看出Delta变换型UPS在正常工作时市电电网的干扰非常容易直接串入到用户负载端,对于市电电压过/欠压、电压突变、频率漂移、谐波干扰等市电电网的污染没有实质性的改善。

  (二)在线式UPS

  在线式UPS的单机输出功率为0.7~1500kVA,它采用以微处理器、数字信号处理的调控技术使逆变器连续不断地向负载提供高质量的纯净正弦波电源。其运行工作原理如图3所示。


  1.市电电源供电正常时(即市电电压波动小于380V±15%,市电频率波动小于50Hz±3Hz),如图3所示,供电质量较差的普通市电电源经过滤波整流器变成直流稳压电源,然后再经过逆变器重新将直流电源变成纯正的高质量正弦波电源,由于采用了双变换型在线设计方案,它可将市电电源中的干扰几乎都屏蔽掉,保证了向负载提供毫无干扰的纯洁正弦波电源。

  2.当市电电源供电不正常时(即市电电压波动超过380V±15%,市电频率波动超过50Hz±3Hz),市电电源故障或市电供电中断,蓄电池组继续向逆变器提供直流电源,保证了逆变器不间断地向负载提供高质量的正弦波交流电源。

  3.当输出短路、输出过载、逆变器故障、整流器或逆变器中散热片温度过高时,如图3所示,市电电源将由交流旁路通道给负载提供普通市电电源。

  由此可以看到,无论是市电供电正常时,还是市电中断由电池逆变供电期间,逆变器始终处于工作状态,这就从根本上消除了来自电网的电压波动和干扰对负载的影响,真正实现了对负载的无干扰、稳压、稳频以及零转换时间。综上所述,针对于通信局(站)中要求较高的通信设备、敏感仪器、非线性负载等,我们建议使用在线式UPS。

二、UPS供电方式的选择

  针对于通信局(站)所带负载的重要性,一般要求UPS供电系统无故障率。由于中型UPS电源的平均无故障工作时间为5~16万小时,大型UPS电源的平均无故障工作时间为24~40万小时,为确保UPS供电系统向负载提供万无一失的高质量不间断逆变电源,我们建议采用多机UPS冗余供电配置方案。这可分为:热备份供电方式、直接并机冗余供电方式及双总线冗余供电方式。

  (一)热备份供电方式

  如图4所示,我们一般选用两台具有相同容量的UPS,将UPS-2电源的逆变器输出端连接到UPS-1的交流旁路静态开关的输入端上,从UPS-1的输出端给负载供电。当市电正常时,由UPS-1的逆变器电源输送给负载,UPS-2处于空载运行状态;当UPS-1中的逆变器出现故障时,负载才由UPS-2的逆变器电源输送。


  此种冗余供电方式的优点显而易见,它对UPS单机的锁相同步跟踪控制技术要求不高(仅在两台UPS进行切换瞬间有所要求),热备份冗余供电系统构成也容易、简单。缺点则表现为:长期空载运行的其中一台UPS的配套蓄电池寿命缩短;由于一台带全载,另一台空载,造成平均无故障时间下降;并要求单机具有带“阶跃性负载”的能力来保障主机出故障后能将全部负载立即加到空载运行的从机上,由于从机长期处于空载运行状态,一旦出现切换过程,负载量将由0突变至全部负载,内部电路及元器件由于大电流的冲击,易造成损坏,使UPS的不安全运行稳定性增高。

  (二)直接并机冗余供电方式

  如图5所示,N+1型冗余并机系统要求N台UPS的逆变电源必须具有同相位、同频率、同输出电压幅值,它技术要求高,可实现多台UPS共同均衡地给负载供电,如一台发生故障,会自动将有故障的UPS自动脱机,负载由其它的UPS共同均衡供电,此方法提高了此种并机方式的性能,使平均无故障时间得到了提高,设备的运行也更加稳定。可靠性较高的UPS供电自然成了N+1型直接并机供电系统。


  (三)双总线冗余供电方式

  如图6所示,双总线冗余供电是在N+1式直接并机系统上进行更加安全的供电方式,它由两套UPS供电系统组成,在一套供电系统全部坏掉时,负载由另一套供电系统来保障,大大加强了供电的安全性,但它对经济条件要求较高。

  对于以上三种冗余供电方式,由于热备份方式安全性能不太高,双总线方式虽然安全稳定性最好,但经济因素较高,建议一般采用N+1型冗余供电方式,一般企业可首选1+1型直接并联冗余供电系统。

三、UPS系统容量的选择

  UPS既不宜长期处于满载运行,也不宜长期处于轻载运行。前者易造成UPS电源的逆变器和整流器损坏,后者易造成UPS的蓄电池损坏。因此UPS单机按带载量60%~80%来配置,并机按每台带载35%~40%来配置为佳。另外还要考虑负载系统的扩容问题,其预增加带载量为20%左右。

  例如,UPS的实际负载量为60kVA,则UPS的最小选择容量为:60kVA/60%=100kVA;考虑负载扩容,则UPS的最小选择容量为:60kVA+12kVA/60%=120kVA。
四、UPS电池容量配置的选择

  合理的选择蓄电池的容量,是UPS对负载设备正常供电的重要保证。虽然现通信局(站)大多都采用一路市电加油机或二路市电加油机的多重供电保障方式,但由于当前电网的不稳定性,更应重点对此加大重视。现在通信局(站)要求油机在停电后的启动时间为15分钟,并且对于UPS运行中以并机冗余供电方式达到的实际带载为60%左右,因此建议每台中、大型UPS的后备电池延迟时间(按UPS带满负载计算)一般选择1小时为宜。

  对于UPS电池容量的配置计算为:蓄电池组容量×电池组端电压/主机额定功率=满载时蓄电池工作时间。例如,配备一台60kVA的UPS,电池为12V48节,要求带100%负载,停电后要求延时1小时,则蓄电池配置容量为:C(AH)×12×48/60000=1,得C=104.17(AH)应选100AH电池。

五、UPS主要性能参数的选择

  UPS技术参数是UPS质量优劣的重要指标,是选型的主要依据。针对于UPS能否正常安全地向负载设备进行纯净且不间断供电,这需要对它的性能参数进行详细的了解。其主要技术参数考虑如下。

  额定运行参数:额定输出功率;额定最大输出、输入电流;额定输出输入频率,我国均为50Hz;标称输入、输出电压,根据进、出线的方式来确定,主要有单进单出、三进单出、三进三出方式,大、中型UPS采用三进三出的进出线方式。

  输入参数:输入电压范围,根据我国电网质量不高的情况,应选择较宽范围的UPS,目前用可控硅设计的UPS范围为-15%、+10%,用IGBT整流器设计的范围为-25%、+23%;频率范围最好选择范围较宽的50Hz±5Hz;交流旁路电压范围选择±10%,如超过此值将增大UPS的故障率;UPS应具有三相输入相序错误和三相缺相输入的自动保护功能。

  输出参数:输出电压的静态稳定度,中、大型UPS为±1%;输出电压的瞬态电压波动值,中、大型UPS小于±5%;输出电压的可调范围,中、大型UPS从额定值起最小可调节±5%;输出频率,中、大型UPS为50Hz±0.1%;输出过载能力,中、大型UPS在10分钟以上时满足125%负载,在1分钟以上时满足150%负载;具有带三相100%不平衡负载能力,其三相电压差不应超过±3%;输出电压的谐波失真度<2%,并带100%线性负载。

  其它参数:平均无故障时间为20~40万小时(大型),15~22万小时(中型);并机能力,要求UPS具备直接并机输出能力,各台UPS输出电流的均流不平衡度为2%~5%,此值应越小越好;应具备远程监控、故障报警、运行状况记录功能;应具备防雷击抗浪涌抑制,抗静电放电功能。

  此外,还要求UPS具有ABM先进型电池自动化管理功能。由于蓄电池的好坏直接影响到UPS向负载不间断供电,现大多数UPS中,都将蓄电池长期置于浮充状态,在市电供电正常时只充电不放电,长此以往会造成电池极板的钝化,使电池容量下降,严重影响后备供电时间。而ABM先进型电池自动化管理系统是一种“短时的快速恒流、均充充电、恒压浮充充电、长时间的微小电流放电的电池管理+实时的电池性能老化检测的综合型电池充放电管理系统”,并且可定期充电,延长电池的使用寿命。在与发电机组匹配上,当需用发电机组带动UPS时,发电机组所送出的电源不但本身电压畸变大,而且它的内阻远比市电电网大,因此应用额定功率大于UPS标称输出功率的发电机组来向UPS负载供电,应为UPS标称输出功率的1.6倍以上。此外,大型UPS必须具有输出隔离变压器。隔离变压器可以先对市电电网进行优化,给UPS提供宽松的工作环境以保证UPS故障率的减小。在UPS转到旁路时,先对市电进行优化,减小了市电电网各种污染源对负载的冲击。

六、UPS配线的选择

  合理选择配线是很重要的,配线线径太细,电流太大,容易发热而引起火灾;线径太粗,则造成浪费。

  交流电源线的选择:铜缆线径S=最大负载电流I/经济电流密度J,(J为2~4A/mm2)。例如,一个通信局最大用电负载电流为100A,则S=100/2.25=44.44,所以使用50mm2的铜缆最佳。对于UPS电源系统中线的截面积应选为相线电缆截面积的1.5~1.7倍;对于UPS电源系统中地线的截面积应为相线截面积的0.5~1倍,但不小于6mm2。

  直流电缆的选择(蓄电池电缆):导线上的降电压U=流过导体电流I×导线长度/导体的电阻率×导体截面积,例如一通信局站最大负载电流为100A,电池线20米,固定压降为0.2V,则电池线经为S=(100×10)/(47×0.2)=106.5mm2,应使用120mm2的铜电缆。除选择技术先进可靠的UPS设备外,对于UPS厂家的规模、信用保障、售后维修、服务保障水平等也需进行考虑。

  随着科技水平的不断提高,现代UPS也将越来更智能化、实用化,安全稳定性更好、技术含量更高,提供的纯净的不间断电源更加稳定。大家在选型中也应更多地了解其功能特点以此来保证UPS在我们各个行业更加安全的运行,为我们各自领域的飞速发展做好坚强的后盾。
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