機電設備企業UPS電源解決方案

引言

隨著國民經濟的飛速發展，各行業科技水平不斷提高，用電設備對于供電電網的質量要求也越來越高，生產力水平的提供越來越得到企業的重視。由于市電電網中接有各種各樣的負載，對電網造成了干擾和污染，惡化了供電質量，同時，由于市電的不穩定，供電電壓不穩定，欠壓、高壓、瞬斷等情況時有發生，影響了負載設備的正常運行，給用戶造成了很大的損失。

第一章 用戶需求
1.1 項目概況

西陵輸變電設備有限公司的精密數控機床因市電供電質量問題，常導致幾萬、甚至幾十萬的部件損壞。UPS供電系統的建設目的，是通過UPS供電系統給精密設備供電，為用電設備提供高質量的、不間斷電源，來保證用電設備正常工作。UPS不間斷電源系統可以解決電源斷電、電壓尖峰、電壓浪涌、頻率漂移、諧波干擾、過欠壓、電壓波動及噪聲電壓等由市電電源質量差對前端設備造成的危害。
1.2 用戶需求分析
1.2.1客戶遇到的問題
生產機床設備會因電力問題造成損失的原因主要有三種情況：
1、市電電壓欠壓，造成造成設備前端配電裝置保護跳閘，生產設備不能連續工作。
2、跳閘，導致負載突然中斷，導致損失產生。因此，必須解決電力欠壓和電力中斷的情況，才能避免這種無謂的損失。
3、電力諧波干擾會導致數控機床設備加工精度下降，良品率降低，因此，新增UPS電源系統設備后，不能帶來嚴重的諧波干擾。
1.2.2客戶問題分析
1）生產輸變電設備的核心設備是數控機床設備，此設備的主刀頭會應電力突然中斷而損壞，一次的損失約為5萬元。
2）導致客戶設備工作突然中斷的原因是電力質量問題---電壓不穩，即欠壓，欠壓造成電流突然增大，空開負荷增大，進而導致空開跳閘（客戶空開容量已經足夠大）。
-------這要求解決方案要為客戶的設備提供穩定可靠的不間斷動力。
3）客戶設備為機床，內部有多個大功率電動機，特別是主軸刀頭驅動馬達，功率可達30KVA,啟動瞬間的沖擊電流是是啟動后的3-5倍，負載沖性很大。
-------這要求解決方案所采用的設備必須具有強的抗沖性負載擊能力，同時過載能力也要強。
4）客戶機床設備是用來加工輸變電設備的，因此加工精度要求非常高，不能因為諧波的干擾而造成加工精度下降。
---------解決方案設備所產生的諧波要小，不能影響其他設備。
1.2.3 解決方案指導思路
針對以上分析，我們為客戶提出電力質量解決方案必須能夠滿足以上四點要求：
1、能夠帶來顯著的效益提升；
2、能夠有效的解決電力供電欠壓、斷電等情況；
3、適合帶機床類沖擊性負載，能夠穩定可靠工作；
4、解決方案不能帶來諸如諧波干擾等其他常見電力問題，影響其他設備正的加工精度。
第二章 臺達UPS電源供電方案
1. 供電系統結構圖:

2. UPS電源供電解決方案
本方案主導思想是本著節省、可靠、簡潔高效的原則來制定。盡量結合現場特點，為客戶度身定制成本最低、性能最優的UPS供電解決方案。

我們建議規劃為UPS集中供電的解決方案，采用1臺UPS的輸入交流可以選擇采用輸入配電柜供給UPS市電輸入，再經過UPS電源的單機系統給輸出配電柜供電，重要關鍵負載（穩壓器、數控機床設備）全部由UPS輸出配電柜配電供電，次要負載（廠區照明設備、空調設備、消防設備等）全部由輸入配電柜配電供電。
2.1 數控機床負載特性測量

針對工廠生產設備----數控機床設備特殊的負載特性，我們曾經對廣州豐田發動機生產廠的數控機床設備進行波形采集，并測試了1小時的電流跟蹤。如下圖：

從上圖我們可以看到，負載電流諧波很大，測量諧波量會達到26%，這些諧波會串擾到其他設備的電力輸入系統，除了會導致損耗加大、電容壽命縮短、繼電器和開關誤動作外，更重要的是會導致其他生產設備—數控機床生產精度變差，生產出殘、次品。

上圖粉紅色為一段時間的負載電流變化曲線，我們可以看到負載電流會從100A左右，突變到最大170A,負載電流變化率非常大，達到了70%，這對UPS逆變器耐受沖擊性能、和負載突變時的電壓變化量要求都非常高。
2.2 UPS電源容量的核算

根據用戶實際整個負載最大（夏季高溫期）時為430KVA，空調設備、照明設備等非關鍵性負載為215KVA，關鍵負載（穩壓器及數控機床生產設備）為215KVA作為選擇UPS容量的參考依據。
2.3 UPS容量的核定
實際數控機床設備功耗 : P機床關鍵負載=215KVA
1） 為保證UPS電源正常工作，為保證UPS長期穩定地運行,負載容量一般為UPS容量的70%-80%。
2） 作為UPS電源的負載----數控機床的核心組件為電機，為感性負載；盡管每個數控機床內部均有變頻器可以使電機得到平緩啟動，其啟動沖擊電流為額定電流的1-3倍；（如果沒有變頻器的情況下電機的起動電流為額定電流的5-7倍），考慮到數控機床設備的安全可靠運行，數控機床啟動時沖擊電流過大而導致UPS電源轉旁路，故UPS容量應適當放大正常使用的容量（放大1.3倍啟動安全系數）。
UPS電源設計容量 =372.67KVA
A/基于上面的分析，結合我們測量的負載設備的電流波形及曲線，我們為客戶選用的UPS容量為400KVA 。
蓄電池容量及時間的選定
B/電池延時時間，我們選擇根據客戶實際情況，選擇為10分鐘。此時間足夠客戶的數控機床設備完成一個生產周期，并且保護并安全關閉設備。
因為UPS實際工作時，負載一般不變，是個固定值，所以電池放電的功率也相對固定，可視為恒功率放電，因此電池容量計算按恒功率法計算，計算步驟如下：
P（W） 電池提供總功率 P（VA） UPS標稱容量（VA）
Pf UPS功率因數 η 逆變轉換效率
Pnc 每節需要提供的功率 n 機器配置的電池數量
P（W）={P（VA）*Pf}/η Pn 每節電池所提供的功率
臺達NT系列400KVA
UPS，輸出功率因數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。所以每個電池單體需要提供的功率為：
Pn= = =1040.53W

根據中達電通DCF126-12/150電池的恒功率曲線表，可查得，中達電通DCF126-12/150AH電池放電至每單體1.70時10分鐘恒功率放電功率為513W，1040.53W/513W=2.02組,取整數2組,滿足系統要求，所以該電源系統應配置12V/150AH電池58節。
2.4 UPS電源方案優點說明
1）通過UPS系統供電有如下優點：
2.4.1 UPS設備輸出電壓穩定度高，輸出電壓諧波小。

臺達UPS，輸出電壓穩定度為±1%（線性負載），非線性負載為±3%，輸出電壓諧波≤3%，能夠有效解決欠壓、斷電等電力質量問題。為數控機床設備提供可靠穩定的電力供應。
2.4.2 負載適應性強，可帶沖擊性較強的負載；
臺達UPS采用全橋逆變架構，內置輸出隔離變壓器，抗沖擊能力強，逆變器過載能強，可達125% 10分鐘，150% 60秒。
2.4.3 輸出電流諧波小，不會影響干擾其他設備正常工作；