机电设备企业UPS电源解决方案(一）

    引言：

    随着国民经济的飞速发展，各行业科技水平不断提高，用电设备对于供电电网的质量要求也越来越高，生产力水平的提供越来越得到企业的重视。由于市电电网中接有各种各样的负载，对电网造成了干扰和污染，恶化了供电质量，同时，由于市电的不稳定，供电电压不稳定，欠压、高压、瞬断等情况时有发生，影响了负载设备的正常运行，给用户造成了很大的损失。

    第一章  用户需求

    1.1 项目概况

    西陵输变电设备有限公司的精密数控机床因市电供电质量问题，常导致几万、甚至几十万的部件损坏。UPS供电系统的建设目的，是通过UPS供电系统给精密设备供电，为用电设备提供高质量的、不间断电源，来保证用电设备正常工作。UPS不间断电源系统可以解决电源断电、电压尖峰、电压浪涌、频率漂移、谐波干扰、过欠压、电压波动及噪声电压等由市电电源质量差对前端设备造成的危害。

    1.2 用户需求分析

    1.2.1客户遇到的问题

    生产机床设备会因电力问题造成损失的原因主要有三种情况：

    1、市电电压欠压，造成造成设备前端配电装置保护跳闸，生产设备不能连续工作。

    2、跳闸，导致负载突然中断，导致损失产生。因此，必须解决电力欠压和电力中断的情况，才能避免这种无谓的损失。

    3、电力谐波干扰会导致数控机床设备加工精度下降，良品率降低，因此，新增UPS电源系统设备后，不能带来严重的谐波干扰。

    1.2.2客户问题分析

    1）生产输变电设备的核心设备是数控机床设备，此设备的主刀头会应电力突然中断而损坏，一次的损失约为5万元。

    2）导致客户设备工作突然中断的原因是电力质量问题---电压不稳，即欠压，欠压造成电流突然增大，空开负荷增大，进而导致空开跳闸（客户空开容量已经足够大）。

    -------这要求解决方案要为客户的设备提供稳定可靠的不间断动力。

    3）客户设备为机床，内部有多个大功率电动机，特别是主轴刀头驱动马达，功率可达30KVA,启动瞬间的冲击电流是是启动后的3-5倍，负载冲性很大。

    -------这要求解决方案所采用的设备必须具有强的抗冲性负载击能力，同时过载能力也要强。

    4）客户机床设备是用来加工输变电设备的，因此加工精度要求非常高，不能因为谐波的干扰而造成加工精度下降。

    ---------解决方案设备所产生的谐波要小，不能影响其他设备。

    1.2.3 解决方案指导思路

    针对以上分析，我们为客户提出电力质量解决方案必须能够满足以上四点要求：

    1、能够带来显著的效益提升；

    2、能够有效的解决电力供电欠压、断电等情况；

    3、适合带机床类冲击性负载，能够稳定可靠工作；

    4、解决方案不能带来诸如谐波干扰等其他常见电力问题，影响其他设备正的加工精度。

    第二章 台达UPS电源供电方案

    1. 供电系统结构图:

    2. UPS电源供电解决方案

    本方案主导思想是本着节省、可靠、简洁高效的原则来制定。尽量结合现场特点，为客户度身定制成本最低、性能最优的UPS供电解决方案。

    我们建议规划为UPS集中供电的解决方案，采用1台UPS的输入交流可以选择采用输入配电柜供给UPS市电输入，再经过UPS电源的单机系统给输出配电柜供电，重要关键负载（稳压器、数控机床设备）全部由UPS输出配电柜配电供电，次要负载（厂区照明设备、空调设备、消防设备等）全部由输入配电柜配电供电。

    2.1 数控机床负载特性测量：

    针对工厂生产设备----数控机床设备特殊的负载特性，我们曾经对广州丰田发动机生产厂的数控机床设备进行波形采集，并测试了1小时的电流跟踪。如下图：

    从上图我们可以看到，负载电流谐波很大，测量谐波量会达到26%，这些谐波会串扰到其他设备的电力输入系统，除了会导致损耗加大、电容寿命缩短、继电器和开关误动作外，更重要的是会导致其他生产设备—数控机床生产精度变差，生产出残、次品。

    上图粉红色为一段时间的负载电流变化曲线，我们可以看到负载电流会从100A左右，突变到最大170A,负载电流变化率非常大，达到了70%，这对UPS逆变器耐受冲击性能、和负载突变时的电压变化量要求都非常高。

    2.2 UPS电源容量的核算：

    根据用户实际整个负载最大（夏季高温期）时为430KVA，空调设备、照明设备等非关键性负载为215KVA，关键负载（稳压器及数控机床生产设备）为215KVA作为选择UPS容量的参考依据。

    2.3  UPS容量的核定

    实际数控机床设备功耗 : P机床关键负载=215KVA 

    1） 为保证UPS电源正常工作，为保证UPS长期稳定地运行,负载容量一般为UPS容量的70%-80%。

    2） 作为UPS电源的负载----数控机床的核心组件为电机，为感性负载；尽管每个数控机床内部均有变频器可以使电机得到平缓启动，其启动冲击电流为额定电流的1-3倍；（如果没有变频器的情况下电机的起动电流为额定电流的5-7倍），考虑到数控机床设备的安全可靠运行，数控机床启动时冲击电流过大而导致UPS电源转旁路，故UPS容量应适当放大正常使用的容量（放大1.3倍启动安全系数）。

    UPS电源设计容量

    A/基于上面的分析，结合我们测量的负载设备的电流波形及曲线，我们为客户选用的UPS容量为400KVA 。 

    蓄电池容量及时间的选定

    B/电池延时时间，我们选择根据客户实际情况，选择为10分钟。此时间足够客户的数控机床设备完成一个生产周期，并且保护并安全关闭设备。

    因为UPS实际工作时，负载一般不变，是个固定值，所以电池放电的功率也相对固定，可视为恒功率放电，因此电池容量计算按恒功率法计算，计算步骤如下：

    P（W）  电池提供总功率           P（VA）  UPS标称容量（VA）

    Pf    UPS功率因数              η      逆变转换效率

    Pnc  每节需要提供的功率           n      机器配置的电池数量

    P（W）={P（VA）*Pf}/η           Pn    每节电池所提供的功率 

    台达NT系列400KVA UPS，输出功率因数Pf=0.8，额定容量为400KVA，逆变效率0.95，额定电池电压为348V,所以需要12V电池29节。所以每个电池单体需要提供的功率为：

    根据中达电通DCF126-12/150电池的恒功率曲线表，可查得，中达电通DCF126-12/150AH电池放电至每单体1.70时10分钟恒功率放电功率为513W，1040.53W/513W=2.02组,取整数2组,满足系统要求，所以该电源系统应配置12V/150AH电池58节。

    2.4 UPS电源方案优点说明

    1）通过UPS系统供电有如下优点：

    2.4.1 UPS设备输出电压稳定度高，输出电压谐波小。

    台达UPS，输出电压稳定度为±1%（线性负载），非线性负载为±3%，输出电压谐波≤3%，能够有效解决欠压、断电等电力质量问题。为数控机床设备提供可靠稳定的电力供应。

    2.4.2 负载适应性强，可带冲击性较强的负载；
台达UPS采用全桥逆变架构，内置输出隔离变压器，抗冲击能力强，逆变器过载能强，可达125% 10分钟，150%  60秒。

    2.4.3 输出电流谐波小，不会影响干扰其他设备正常工作；

    我们建议客户选用的是采用12脉冲整流器的UPS,其输入电流谐波可控制在10%之内，符合国家一类标准，比一般此架构UPS的30%的电流谐波，大大降低。因此，使用，此装置不会影响到其他设备的正常工作。

    2）UPS电源系统集中给负载供电的优势：

    【1】 实现关键负载和非关键负载的完全隔离，提高了对关键负载数控机床设备的供电可靠性。

    【2】 通过UPS电源供电可以保护关键负载设备的不间断连续工作，一劳永逸的解决了生产线供电的问题。能大大提高产线的生产率。

    【3】 由于UPS设备安装在低压配电室，可以避免产线的油污对UPS造成的影响，可大大提高UPS供电的可靠性的延长UPS寿命。

    【4】 由于单台生产设备的冲击性和负载波动性都很大，必须配置容量余量较大的UPS，但在整个产线来看，由于负载不是同时达到最大值和同时启动，因此它们的波动和冲击等可以相互补充，这样，整个系统的UPS配置较单台配置UPS来的小很多，即整体UPS的配置容量会小很多，大大降低了UPS配置成本。

    【5】 通过UPS电源供电可以回避因交流突然停电造成的机床刀具损坏，通过UPS电源后备蓄电池，完全可以规划各个正在工作的数控机床完成一个工作周期并正常关机，免受损失。 ■