機(jī)電設(shè)備企業(yè)UPS電源解決方案(一）

    引言：

    隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各行業(yè)科技水平不斷提高，用電設(shè)備對(duì)于供電電網(wǎng)的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，生產(chǎn)力水平的提供越來(lái)越得到企業(yè)的重視。由于市電電網(wǎng)中接有各種各樣的負(fù)載，對(duì)電網(wǎng)造成了干擾和污染，惡化了供電質(zhì)量，同時(shí)，由于市電的不穩(wěn)定，供電電壓不穩(wěn)定，欠壓、高壓、瞬斷等情況時(shí)有發(fā)生，影響了負(fù)載設(shè)備的正常運(yùn)行，給用戶(hù)造成了很大的損失。

    第一章  用戶(hù)需求

    1.1 項(xiàng)目概況

    西陵輸變電設(shè)備有限公司的精密數(shù)控機(jī)床因市電供電質(zhì)量問(wèn)題，常導(dǎo)致幾萬(wàn)、甚至幾十萬(wàn)的部件損壞。UPS供電系統(tǒng)的建設(shè)目的，是通過(guò)UPS供電系統(tǒng)給精密設(shè)備供電，為用電設(shè)備提供高質(zhì)量的、不間斷電源，來(lái)保證用電設(shè)備正常工作。UPS不間斷電源系統(tǒng)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(guò)欠壓、電壓波動(dòng)及噪聲電壓等由市電電源質(zhì)量差對(duì)前端設(shè)備造成的危害。

    1.2 用戶(hù)需求分析

    1.2.1客戶(hù)遇到的問(wèn)題

    生產(chǎn)機(jī)床設(shè)備會(huì)因電力問(wèn)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(shè)備前端配電裝置保護(hù)跳閘，生產(chǎn)設(shè)備不能連續(xù)工作。

    2、跳閘，導(dǎo)致負(fù)載突然中斷，導(dǎo)致?lián)p失產(chǎn)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(wú)謂的損失。

    3、電力諧波干擾會(huì)導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床設(shè)備加工精度下降，良品率降低，因此，新增UPS電源系統(tǒng)設(shè)備后，不能帶來(lái)嚴(yán)重的諧波干擾。

    1.2.2客戶(hù)問(wèn)題分析

    1）生產(chǎn)輸變電設(shè)備的核心設(shè)備是數(shù)控機(jī)床設(shè)備，此設(shè)備的主刀頭會(huì)應(yīng)電力突然中斷而損壞，一次的損失約為5萬(wàn)元。

    2）導(dǎo)致客戶(hù)設(shè)備工作突然中斷的原因是電力質(zhì)量問(wèn)題---電壓不穩(wěn)，即欠壓，欠壓造成電流突然增大，空開(kāi)負(fù)荷增大，進(jìn)而導(dǎo)致空開(kāi)跳閘（客戶(hù)空開(kāi)容量已經(jīng)足夠大）。

    -------這要求解決方案要為客戶(hù)的設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的不間斷動(dòng)力。

    3）客戶(hù)設(shè)備為機(jī)床，內(nèi)部有多個(gè)大功率電動(dòng)機(jī)，特別是主軸刀頭驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，功率可達(dá)30KVA,啟動(dòng)瞬間的沖擊電流是是啟動(dòng)后的3-5倍，負(fù)載沖性很大。

    -------這要求解決方案所采用的設(shè)備必須具有強(qiáng)的抗沖性負(fù)載擊能力，同時(shí)過(guò)載能力也要強(qiáng)。

    4）客戶(hù)機(jī)床設(shè)備是用來(lái)加工輸變電設(shè)備的，因此加工精度要求非常高，不能因?yàn)橹C波的干擾而造成加工精度下降。

    ---------解決方案設(shè)備所產(chǎn)生的諧波要小，不能影響其他設(shè)備。

    1.2.3 解決方案指導(dǎo)思路

    針對(duì)以上分析，我們?yōu)榭蛻?hù)提出電力質(zhì)量解決方案必須能夠滿(mǎn)足以上四點(diǎn)要求：

    1、能夠帶來(lái)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(jī)床類(lèi)沖擊性負(fù)載，能夠穩(wěn)定可靠工作；

    4、解決方案不能帶來(lái)諸如諧波干擾等其他常見(jiàn)電力問(wèn)題，影響其他設(shè)備正的加工精度。

    第二章 臺(tái)達(dá)UPS電源供電方案

    1. 供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖:

    2. UPS電源供電解決方案

    本方案主導(dǎo)思想是本著節(jié)省、可靠、簡(jiǎn)潔高效的原則來(lái)制定。盡量結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)，為客戶(hù)度身定制成本最低、性能最優(yōu)的UPS供電解決方案。

    我們建議規(guī)劃為UPS集中供電的解決方案，采用1臺(tái)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(jīng)過(guò)UPS電源的單機(jī)系統(tǒng)給輸出配電柜供電，重要關(guān)鍵負(fù)載（穩(wěn)壓器、數(shù)控機(jī)床設(shè)備）全部由UPS輸出配電柜配電供電，次要負(fù)載（廠(chǎng)區(qū)照明設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、消防設(shè)備等）全部由輸入配電柜配電供電。

    2.1 數(shù)控機(jī)床負(fù)載特性測(cè)量：

    針對(duì)工廠(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備----數(shù)控機(jī)床設(shè)備特殊的負(fù)載特性，我們?cè)��?jīng)對(duì)廣州豐田發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)的數(shù)控機(jī)床設(shè)備進(jìn)行波形采集，并測(cè)試了1小時(shí)的電流跟蹤。如下圖：

    從上圖我們可以看到，負(fù)載電流諧波很大，測(cè)量諧波量會(huì)達(dá)到26%，這些諧波會(huì)串?dāng)_到其他設(shè)備的電力輸入系統(tǒng)，除了會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗加大、電容壽命縮短、繼電器和開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作外，更重要的是會(huì)導(dǎo)致其他生產(chǎn)設(shè)備—數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)精度變差，生產(chǎn)出殘、次品。

    上圖粉紅色為一段時(shí)間的負(fù)載電流變化曲線(xiàn)，我們可以看到負(fù)載電流會(huì)從100A左右，突變到最大170A,負(fù)載電流變化率非常大，達(dá)到了70%，這對(duì)UPS逆變器耐受沖擊性能、和負(fù)載突變時(shí)的電壓變化量要求都非常高。

    2.2 UPS電源容量的核算：

    根據(jù)用戶(hù)實(shí)際整個(gè)負(fù)載最大（夏季高溫期）時(shí)為430KVA，空調(diào)設(shè)備、照明設(shè)備等非關(guān)鍵性負(fù)載為215KVA，關(guān)鍵負(fù)載（穩(wěn)壓器及數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)設(shè)備）為215KVA作為選擇UPS容量的參考依據(jù)。

    2.3  UPS容量的核定

    實(shí)際數(shù)控機(jī)床設(shè)備功耗 : P機(jī)床關(guān)鍵負(fù)載=215KVA 

    1） 為保證UPS電源正常工作，為保證UPS長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行,負(fù)載容量一般為UPS容量的70%-80%。

    2） 作為UPS電源的負(fù)載----數(shù)控機(jī)床的核心組件為電機(jī)，為感性負(fù)載；盡管每個(gè)數(shù)控機(jī)床內(nèi)部均有變頻器可以使電機(jī)得到平緩啟動(dòng)，其啟動(dòng)沖擊電流為額定電流的1-3倍；（如果沒(méi)有變頻器的情況下電機(jī)的起動(dòng)電流為額定電流的5-7倍），考慮到數(shù)控機(jī)床設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，數(shù)控機(jī)床啟動(dòng)時(shí)沖擊電流過(guò)大而導(dǎo)致UPS電源轉(zhuǎn)旁路，故UPS容量應(yīng)適當(dāng)放大正常使用的容量（放大1.3倍啟動(dòng)安全系數(shù)）。

    UPS電源設(shè)計(jì)容量

    A/基于上面的分析，結(jié)合我們測(cè)量的負(fù)載設(shè)備的電流波形及曲線(xiàn)，我們?yōu)榭蛻?hù)選用的UPS容量為400KVA 。 

    蓄電池容量及時(shí)間的選定

    B/電池延時(shí)時(shí)間，我們選擇根據(jù)客戶(hù)實(shí)際情況，選擇為10分鐘。此時(shí)間足夠客戶(hù)的數(shù)控機(jī)床設(shè)備完成一個(gè)生產(chǎn)周期，并且保護(hù)并安全關(guān)閉設(shè)備。

    因?yàn)閁PS實(shí)際工作時(shí)，負(fù)載一般不變，是個(gè)固定值，所以電池放電的功率也相對(duì)固定，可視為恒功率放電，因此電池容量計(jì)算按恒功率法計(jì)算，計(jì)算步驟如下：

    P（W）  電池提供總功率           P（VA）  UPS標(biāo)稱(chēng)容量（VA）

    Pf    UPS功率因數(shù)              η      逆變轉(zhuǎn)換效率

    Pnc  每節(jié)需要提供的功率           n      機(jī)器配置的電池?cái)?shù)量

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

    臺(tái)達(dá)NT系列400KVA UPS，輸出功率因數(shù)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(jié)。所以每個(gè)電池單體需要提供的功率為：

    根據(jù)中達(dá)電通DCF126-12/150電池的恒功率曲線(xiàn)表，可查得，中達(dá)電通DCF126-12/150AH電池放電至每單體1.70時(shí)10分鐘恒功率放電功率為513W，1040.53W/513W=2.02組,取整數(shù)2組,滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，所以該電源系統(tǒng)應(yīng)配置12V/150AH電池58節(jié)。

    2.4 UPS電源方案優(yōu)點(diǎn)說(shuō)明

    1）通過(guò)UPS系統(tǒng)供電有如下優(yōu)點(diǎn)：

    2.4.1 UPS設(shè)備輸出電壓穩(wěn)定度高，輸出電壓諧波小。

    臺(tái)達(dá)UPS，輸出電壓穩(wěn)定度為±1%（線(xiàn)性負(fù)載），非線(xiàn)性負(fù)載為±3%，輸出電壓諧波≤3%，能夠有效解決欠壓、斷電等電力質(zhì)量問(wèn)題。為數(shù)控機(jī)床設(shè)備提供可靠穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

    2.4.2 負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)，可帶沖擊性較強(qiáng)的負(fù)載；
臺(tái)達(dá)UPS采用全橋逆變架構(gòu)，內(nèi)置輸出隔離變壓器，抗沖擊能力強(qiáng)，逆變器過(guò)載能強(qiáng)，可達(dá)125% 10分鐘，150%  60秒。

    2.4.3 輸出電流諧波小，不會(huì)影響干擾其他設(shè)備正常工作；

    我們建議客戶(hù)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(nèi)，符合國(guó)家一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，比一般此架構(gòu)UPS的30%的電流諧波，大大降低。因此，使用，此裝置不會(huì)影響到其他設(shè)備的正常工作。

    2）UPS電源系統(tǒng)集中給負(fù)載供電的優(yōu)勢(shì)：

    【1】 實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵負(fù)載和非關(guān)鍵負(fù)載的完全隔離，提高了對(duì)關(guān)鍵負(fù)載數(shù)控機(jī)床設(shè)備的供電可靠性。

    【2】 通過(guò)UPS電源供電可以保護(hù)關(guān)鍵負(fù)載設(shè)備的不間斷連續(xù)工作，一勞永逸的解決了生產(chǎn)線(xiàn)供電的問(wèn)題。能大大提高產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)率。

    【3】 由于UPS設(shè)備安裝在低壓配電室，可以避免產(chǎn)線(xiàn)的油污對(duì)UPS造成的影響，可大大提高UPS供電的可靠性的延長(zhǎng)UPS壽命。

    【4】 由于單臺(tái)生產(chǎn)設(shè)備的沖擊性和負(fù)載波動(dòng)性都很大，必須配置容量余量較大的UPS，但在整個(gè)產(chǎn)線(xiàn)來(lái)看，由于負(fù)載不是同時(shí)達(dá)到最大值和同時(shí)啟動(dòng)，因此它們的波動(dòng)和沖擊等可以相互補(bǔ)充，這樣，整個(gè)系統(tǒng)的UPS配置較單臺(tái)配置UPS來(lái)的小很多，即整體UPS的配置容量會(huì)小很多，大大降低了UPS配置成本。

    【5】 通過(guò)UPS電源供電可以回避因交流突然停電造成的機(jī)床刀具損壞，通過(guò)UPS電源后備蓄電池，完全可以規(guī)劃各個(gè)正在工作的數(shù)控機(jī)床完成一個(gè)工作周期并正常關(guān)機(jī)，免受損失。 ■