知乎周刊 epub:台达工业用UPS电源解决方案

摘要：本次UPS供电系统建设主要是为工厂内的产线生产设备供电，因产线几秒钟的断电也会让用户蒙受很大的损失，因此需要提供高可靠的供电电源方案。
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第一章 用户需求
1.1 用户需求分析
本次UPS供电系统建设主要是为工厂内的产线生产设备供电，因产线几秒钟的断电也会让用户蒙受很大的损失，因此需要提供高可靠的供电电源方案。
1、通过与工厂相关部门沟通，我们了解到：
A、产线设备主要为数控机床，单台机床设备为380V供电，额定电流为3A;
B、工厂分为三个厂房，共有上述机床设备1000台左右，每个厂房的机床数量按330台左右配置;
C、工厂配有发电机组。UPS后备延时时间按10分钟配置。
D、有一定的冗余度，以保证高可靠的用电保障。
2、根据以上信息，计算得：
A、单台数控机床功率为： 380*3*1.732=1974.48KVA。
B、故厂房数控机床总功率为：1974.48*1000=1974.48KVA。
C、所有负载差不多平均分为3个厂房，故每个厂房负载量为：1974.48/3=658.16KW。
3、UPS配置方案设计原则——适合、够用，避免浪费和不必要的成本提升
A、根据实际经验，在正常生产中产线设备的实际功率约为标称值的60%左右。即以上负载实际使用时负载量约为1974.48*80%≈1600KVA。故每个厂房负载约为530KVA。我们会以此负载量来配置UPS，做到为客户配置合适、够用的UPS，尽量避免UPS容量配置过大，造成浪费和成本的提升。
B、UPS的容量选择主要是由负载的大小,负载的特性以及预留容量的大小来确定的。通常考虑的因数是：
首先,UPS的容量必须大于所带负载的总容量;
其次,不同特性的负载对UPS的容量要求也不同.如负载接近电阻特性,输入功率因子大于UPS的输出功率因子(一般为0.7-0.8)，则按 UPS的输出功率因子来计算;如负载的输入功率因子小于UPS的输出功率因子,则按负载的输入功率因子来计算。
第三,为保证UPS长期稳定地运行,负载容量一般不超过UPS容量的80%, 并且新装UPS一般还要留出一定的负载扩容余量。
第四，为了提高可靠度，可采用N+1并联冗余的方式，为负载高可靠的电力供应。即N台设备为负载提供电力供应，1台设备保证冗余度，当系统中有任意一台设备故障时，负载的电力供应还可得到保障。
第二章　UPS电源供电方案
2.1 UPS供电方式设计原则
1)采用冗余供电的方式，为负载提供高可靠的电力供应。
2)在保证可靠的前提下，避免UPS容量设计过大，造成不必要的浪费成本提升。
3)电池采用多台UPS共用的方式，以减低电池成本，提高电池利用率。
2.2 UPS供电方案：
2.2.1 UPS的选择：
1、基于前面分析和技术，可知每个厂房的实际负载功率约为530KVA 左右，我们建议UPS供电方总容量不小于530KVA。
2、基于客户负载为数控机床，为机械马达类感性负载，对UPS的性能要求较高。故我们建议客户选择台达NT 系列UPS，此UPS单机功率为20KVA 至500KVA ，是专门设计用在大型工矿企业的高可靠工业级UPS。由于其逆变器采用全桥设计架构，具有输出隔离变压器，负载适应性最强，能适应各种负载特性的负载，且过载能力突出，可经受负载运行高峰的冲击，且可带100%不平衡负载，设备技术成熟，性能稳定可靠。最适合为企业的大型生产线提供稳定、可靠的运行保障。
2.2.2 UPS供电方案
每个厂房采用4台台达NT 200KVA UPS组成3+1并联冗余供电系统。即系统总容量为800KVA，可保证一台UPS做冗余备份，即当供电系统中有任意一台UPS故障时，UPS系统的输出容量任可达到600KVA ，满足负载的用电需求，负载的供电任可得到保障，从而大大提高供电可靠度。UPS供电系统图如下：

电池采用多台UPS共享配置的方式，可大大提高电池的利用率，同时，还可降低电池配置成本。
2.2.3 电池配置方案
2.2.3.1 多机共用电池组
所谓共享电池组就是指两台或多台UPS同时利用一组或多组电池的解决方案。市电正常时各台UPS同时为蓄电池组充电，市电异常或者终断时，各UPS又同时利用电池组的能量逆变成交流电供给负载使用。
多机并联共用电池组供电架构说明：

因此共享电池组具有以下优点：
(1) 节省购买电池的资金投资
(2)节省安装空间
(3)扩容方便
(4)延长电池寿命和提高电池利用率
2.2.3.2 电池配置及容量计算
经过前面的分析，我们知道实际量约为530KVA，一般厂房的数控机床设备类设备的功率因数约为0.7～0.8。为使电池延时做够，我们取负载的功率因数为0.8，则 根据恒功率电池容量计算法：
电池容量计算方法：
恆功率后备时间对应电池容量计算方式：
P(W) -- 电池提供总功率 A -- UPS标称容量(VA) N -- 电池CELL 数
C -- 电池组数 D -- UPS实际带载量(UPS实际带载量一般不超过满载80%)
Pf -- UPS功率因数 η -- 逆变转换效率 Pc -- 电池放电曲线表中查的放电功率
Pnc -- 电池每CELL需要提供的功率 B -- UPS主机配置1组12V电池的节数
P(W)= { A * Pf } 或D / η
Pnc=P(W)/(B*N)
然后根据计算出电池的每个CELL需提供的功率，再查找电池恒功率放电曲线表对应时间的最匹配的功率值。则此功率对应的容量的电池就是我们要选用的电池。若计算出的功率大于最大容量电池相应时间的放电功率，则就表明需要并联电池组。
并联电池组数(取整)= Pnc / Pc
因此，计算如下：
P(W)= { A * Pf*D } / η=530KVA*0.8/0.95≈446.3KW
Pnc=P(W)/(B*N)=446.3KW/(29*6)≈2565W
查表，可知，中达电池200AH/12电池10分钟对应的功率为592.9W(放电到1.75V时)
则：并联的电池组数=2656/592.9=4.3组，故电池组数取整数为4，即200AH/12V电池29*4=116只。
说明：以上计算中功率因数PF为0.8，UPS的逆变效率η为0.95，每组电池的颗数B为29只，每只电池的CELL 数N为6。

2.2.3.3 电池组监控：
电池为UPS供电系统的重要部分，故我们特为本次电池组提供单体电池监控系统。本系统能实现UPS中备用电池组的在线侦测，测量数据包括单体电池电压，单体电池温度，单体电池内阻，电池组电流，电池组端电压以及环境温度等，通过网络方式实现远距离数据传输，在主控单元上进行数据搜集，处理和存储，并能通过通讯与上位机相连，实现数据传输。
使用本系统可以对电池进行远程检测，从而方便地随时对系统故障和电池使用状态进行分析，
从图中可以看出系统包括： 1 个电池组侦测模块 (SCMM)，负责测量每组电池组的充放电电流和电池组的端电压;最多240 个电池侦测模块 (CMM)，负责测量电池的电压，温度和配合计算内阻的相关信息;1 个数据处理模块 (DPM )，处理来自CMM 和 SCMM 的无线数据。
2.2.4 UPS监控方案
台达UPS所设计的此次方案，采用了电力管理大师管理者的监控软件，监控软件来将三个厂房的所有UPS作集中监控。以下对此集中监控作进一步介绍。
台达UPS UPSentry Manager远程集中监控管理软件:可以对所有的UPS系统经由广域网或专线网络进行集中监管﹐以监视各UPS的运行情况并作记录﹐当各UPS有事件告警时﹐manager软件会自动亮灯告警﹐并跳出图屏﹐显示该告警UPS的问题﹐平时也可以点阅各联网UPS，以阶层式管理方式完成集中管理,同时可以实现远程控制，当机房内出现火灾等情况时，可以实现对UPS的远程关机。如图：
2.2.4.1 网络管理达成效果﹕
集中管理的好处不仅是减少人力资源的浪费﹐并能在电力事件发生的瞬间便可以获得准确的信息﹐同时缩短反应的时间。一旦电力事件发生时可以马上获得最快最正确的信息﹐并可以主动联系第一线的人员﹐指导其正确地处理程序﹐以减少损失。
(1) 安全可靠的高品质供电。
(2) 分散供电﹐集中管理﹐人力资源的高效化。
(3) 同时对全区多于500个的UPS集中监管。
(4) 对UPS无人职守的监管﹐可达到实进告警﹐实时处理。
2.2.4.2 完整电源事件预防及应急管理：
电力管理大师对24个不同的电源事件或UPS状态(如：断电、复电、电池低电压、过载、跳旁路、故障、预约开关机等)均可提前制定应急计划和控制。可安全与自动存档关机，自动化事件记录，自动语音广播，自动寻呼及发送电子邮件，告警，自动触发运行可执行文件，插座控制等多种反应行动可供选择。
2.2.4.3 电源状态记录、分析：
根据使用者喜好提供2-12个电表显示实时值。可记录电力中断、复电、旁路等各项事件资讯。可记录并图示电压、频率、故障情况，并可在Excel下作资料分析。
2.3 UPS供电系统的配电方案

2.3.1 每个厂房UPS供电系统的输入端配电
1)UPS输入配电柜，开关采用施奈德NSX系列塑壳开关，同时配置数字表头和指示灯。连接线径在图纸上亦有标注。具体如下图：

2.3.2 每个厂房UPS供电系统的输出端配电
开关采用施奈德NSX系列塑壳开关，同时配置数字表头和指示灯。连接线径在图纸上亦有标识。
输出配电分路暂时先按8路250A开关来配置。这个也可根据具体的要求后，更改数量和容量。
配电图如下：
2.4 系统配置清单
名称
型号
数量
选型说明
UPS系统
UPS
台达GES-NT200KVA
12台
台 达NT UPS为高可靠工业级UPS，广泛应用与各行业。其中上海世博会使用此型号UPS十数套。富士康每年此UPS的采购量大1000万人民币。每台厂房使用4 台200KVA 组成3+1冗余供电系统。三个厂房共使用12套。单台UPS的尺寸为：1200mm*830mm*1700mm。
UPS电池
DCF126-12/1200
348只
台达UPS配套中达电通电池，稳定性强，服务完善。每个厂房配置116只电池，可保证后备延时10分钟。
电池架
中达（定制）
3套
电池架根据厂房空间定制，可有效节省空间，每个厂房每组1套。电池架尺寸为：1800mm*2800mm*1500mm。
配电柜
UPS输入配电柜
中达（定制）
3套
采用施奈德NSX塑壳开关。1*1250A 3P ;8*630A 3P。
尺寸为：1200mm*800mm*2000mm。
UPS输出配电柜
中达（定制）
3套
采用施奈德NSX塑壳开关。4*400A 3P ;8*250A 3P。
尺寸为:1200mm*800mm*2000mm。
监控系统
UPS监控系统
SNMP
12
每台UPS配置一个SNMP卡，可实现网络监控。
InsightPowe
r Manager
1
在一个监控平台上实现所有上述设备和机关环境的管理和监控
电池监控
定制
3
对每只电池进行单体监控，可及时发现和预防电池故障。
2.5       台达NT UPS与艾默生/易事特同等级UPS比较
1)台达UPS与艾默生UPS同为世界级一线品牌。其中台达NT UPS和艾默生UPS在可靠度等级要求最高的通信运营商领域有广泛的应用。另外，在富士康、广汽丰台发动机等世界级的工厂里，台达NT UPS也有广泛的应用，可见后面的应用图例。易事特为国内UPS厂商，小功率UPS应用较多。但在大功率UPS方面，较少厂家采用。
2)台达UPS和艾默生UPS皆通过了众多的世界级严苛认证，比如可出口欧盟的CE/CB、国内工信部的TLC认证等。另外还通过了抗震认证。
3)台达NT UPS为适应国内工作环境，输入工作电压范围为±30%，为业界最宽，可适应恶劣的电力条件。而艾默生和易事特为±15%和±25%。
4)台达NT UPS与艾默生UPS效率皆可达92%以上，而易事特UPS效率仅为≥80%，这将耗费大量的电能，带来运营成本的提升。(注：易事特UPS用户手册上的标注效率为≥80%，而彩页上标注的效率为95%，显然用户手册上标注的效率值是可信的。应为，在业界，工频架构的UPS，还没有一个厂家在线效率能达到95%。)
5)台达NT UPS具有电池漏液侦测功能和电池组共享功能，此为台达UPS专利技术，特及早发现铅酸蓄电池漏液问题，还能大大提升电池组利用率，降低用户成本。
6)过载能力。台达与艾默生UPS过载能力皆为125%负载时10分钟，而易事特UPS过载能力为125% 1分钟。前者过载能力是后者的10倍。