弱电系统的计算机设备不允许有断电间隙,因此不管何种交流供电方案,都需为计算机设备专门配置不间断供电电源(Uninterruptable Power System,UPS)。当电网一旦断电时,UPS可将蓄电池的直流电能进行无缝切换变为交流电能,及时给负载系统继续供电。
UPS可按输出功率容量大小、供电方式(在线式或后备式)和供电持续时间分类。最常用的在线式UPS的工作原理是,通过整流器把380/220V交流市电转换为直流电能,然后再用逆变器把直流电能转换为380/220V交流电能,向负载供电,如图1-6所示。
整流器的直流输出还向蓄电池组进行浮充电。当输入交流电源失电时,由蓄电池组向UPS逆变器供电,转换为380/220V交流电能,继续向负载供电。
图1-6 在线式UPS原理图
1.UPS的额定输出功率和波形
UPS的额定输出功率均以电阻性负载为依据,不宜连接电感性负载(如电动机和磁饱和稳压器等)或电容性负载(如打印机等)。UPS的实际负载能力约等于其标称值的70%。如果负载需要较大启动电流时,应按启动电流计算。UPS输出功率的大小取决于整流器和逆变器的功率容量。
UPS的输出波形有方波输出和正弦波输出两类。方波输出逆变器的转换效率高,常用于后备式UPS。正弦波输出逆变器的转换效率较低,但电源引起的干扰小,应用更普遍。
2.蓄电池组的电气特性
蓄电池是决定UPS供电持续时间长短的设备,UPS普遍采用VRLA固定型阀控密封铅酸蓄电池组,这类蓄电池在充放电时不逸出气体,不会漏液,不需补充电液,使用方便。
单体(单节)蓄电池的标称额定电压为2V。额定容量的单位为安时(Ah)。
固定型阀控密封铅酸蓄电池的命名方法为GFM—∗∗∗Ah(见图1-7)。其中字母G代表固定安装型;F代表阀控型;M代表密封型;∗∗∗Ah代表额定安时容量。
1)单体蓄电池通过串联组成的电池组可提高输出电压,蓄电池常用电压规格有2V(单体电池)、12V、24V、48V等数种。
2)单体蓄电池通过并联组成的电池组可增大安时(Ah)容量。常用规格有:
2V系列:100Ah、200Ah、300Ah、400Ah等;
12V系列:4Ah、7Ah、12Ah、17Ah、24Ah、48Ah、65Ah、80Ah、100Ah、150Ah、200Ah等;
24V系列:50Ah、75Ah、100Ah、200Ah等。
图1-7 固定型阀控密封铅 酸蓄电池典型外形
蓄电池浮充工作模式是指在市电正常时,蓄电池与整流器并联运行。蓄电池自放电引起的容量损失在浮充过程中被补足。当市电中断时,由蓄电池单独向负载(UPS逆变器)放电。浮充工作方式下的蓄电池,由于充放电循环次数少,自放电和浅放电后的电量能迅速补足,所以蓄电池的使用寿命较长。2V单体蓄电池的正常浮充电压为2.23V。充电电流随充电电压的提高而增加。
(1)蓄电池的放电特性。蓄电池的放电容量随放电电流的增大而减小。
例如:GFM—4Ah,4Ah/2V单体蓄电池在25℃时的容量-放电特性:(www.daowen.com)
5min放电率:放电电流为16.2A,终止电压为1.60V/单体,容量为1.40Ah。
15min放电率:放电电流为7.2A,终止电压为1.60V/单体,容量为1.9Ah。
30min放电率:放电电流为4.7A,终止电压为1.60V/单体,容量为2.36Ah。
1h放电率:放电电流为2.7A,终止电压为1.70V/单体,容量为3.4Ah。
4h放电率:放电电流为0.93A,终止电压为1.70V/单体,容量为4.3Ah。
5h放电率:放电电流为0.81A,终止电压1.70V/单体,容量为4.32Ah。
8h放电率:放电电流为0.54A,终止电压为1.75V/单体,容量为4.4Ah。
10h放电率:放电电流为0.45A,终止电压为1.75V/单体,容量为4.5Ah。
20h放电率:放电电流为0.25A,终止电压为1.80V/单体,容量为4.8Ah。
(2)温度对蓄电池容量的影响。温度越低,蓄电池的容量减小。
104℉(40℃):102%。
77℉(25℃):100%。
32℉(0℃):85%。
5℉(-15℃):65%。
(3)持续放电时输出电压的变化。表1-1是单体蓄电池持续放电时的输出端电压。
表1-1 单体蓄电池持续放电时的输出端电压(10h放电率)
3.UPS蓄电池额定容量的计算方法
假设:逆变器采用24V蓄电池组供电,额定负载功率为3kV·A,转换效率为75%,应急供电持续时间为30min,逆变器的实际负载能力应按标称额定负载能力的1.3倍计算。那么在满负载情况下逆变器需输入的直流电流I为
I=3kV·A×1.3/0.75=5200V·A/24V≈217A
满足连续0.5h的供电时间的蓄电池功率容量为217A×0.5h≈110Ah。应选用大于计算值的GFM-150Ah/24V标准电池组。
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