選擇控制系統不間斷電源（UPS）的(de)五大(dà)要點

圖片來(lái)源 ：菲尼克斯電氣

　　工業物(wù)聯網 (IIoT) 依賴于快(kuài)速準确的(de)通(tōng)信。關鍵控制系統無法承受瞬時(shí)電源中斷，因爲這(zhè)可(kě)能會導緻工業 PC 或控制器的(de)崩潰。不間斷電源 (UPS) 可(kě)以防止此類事件的(de)發生。了(le)解 UPS 的(de)基礎知識和(hé)下(xià)面的(de)五方面注意事項，有助于爲工業應用(yòng)選擇合适的(de) UPS 電源。

　　定義 UPS 的(de)應用(yòng)需求

　　UPS 将爲哪種負載供電——交流還(hái)是直流？傳統系統傾向于使用(yòng)交流電源運行，因此舊(jiù)系統的(de)改造也(yě)就需要交流電源。在過去的(de) 20 年中，工業 PC 市場(chǎng)的(de)增長(cháng)已轉向直流電源。應當充分(fēn)考慮功率和(hé)運行時(shí)間的(de)要求，仔細 UPS 的(de)規格并建立切合實際的(de)期望。

　　如果持續停電，UPS 可(kě)确保控制平台安全有序地關閉，從而避免數據丢失、系統崩潰或故障。在設計系統時(shí)，請選擇合适的(de)電池容量，以便在關閉 PC 或主電源在合理(lǐ)時(shí)間内恢複之前，允許系統運行一段時(shí)間。超大(dà)規格的(de)電池系統，充電的(de)時(shí)間可(kě)能更長(cháng)。

　　大(dà)多(duō)數 UPS 制造商使用(yòng)行業标準類型。一些制造商隻提供一種技術，例如閥控鉛酸 (VRLA)。而其它公司将提供多(duō)種産品，例如閥 控鉛酸、寬溫閥控鉛酸和(hé)磷酸鐵锂等。不同的(de)電池在性能和(hé)使用(yòng)壽命上有所不同。

　　理(lǐ)想情況下(xià)，UPS 将提供電池系統的(de)多(duō)個(gè)健康狀态監測點，因此操作人(rén)員(yuán)可(kě)以在電池發生故障前采取預防措施。大(dà)多(duō)數 UPS 使用(yòng) LED，少數則提供具有固定阈值點的(de)幹結點輸出。較新的(de) UPS 系統提供上述方法，并将數據集成到通(tōng)過工業以太網協議(yì)進行通(tōng)信的(de)控制平台中。

圖 1 ：随著(zhe)工業物(wù)聯網和(hé)大(dà)數據在工業應用(yòng)中的(de)廣泛實施，可(kě)靠的(de)電力比以往任何時(shí)候都更重要。爲應用(yòng)選擇合适的(de) UPS 系統，可(kě)以防止電源中斷可(kě)能導緻的(de)問題和(hé)成本。圖片來(lái)源 ：菲尼克斯電氣

　　分(fēn)布式交流 UPS 技術 

　　在以交流電壓運行的(de)控制系統中，交流 UPS 最合适。離線或待機拓撲結構非常簡單明(míng)了(le)。這(zhè)些産品價格低廉，所以是最常見的(de)交流 UPS 類型。在正常情況下(xià)，離線 UPS 将主電源從輸入端傳遞到輸出端，除了(le)爲與主電源電路并聯的(de)電池充電外，沒有其它交互作用(yòng)。如果主電源出現故障，UPS 将從主電源電路切換到電池電路。從 UPS 失去主電源到電池供電的(de)轉換時(shí)間，不能超過 10ms。10ms 的(de)切換，通(tōng)常不會影(yǐng)響下(xià)遊設備，但可(kě)以保護對(duì)電壓波動敏感的(de)系統。

　　交流 UPS 有兩個(gè)子集：改進的(de)（模拟）正弦波輸出設備和(hé)純正弦波輸出設備。每種的(de)交流輸出都不相同。

　　改進的(de)正弦波設備從電池組獲取電壓，并以最簡單的(de)形式創建與正弦波類似的(de)波形輸出。雖然這(zhè)種類型的(de) UPS 成本相對(duì)較低，但也(yě)有一些缺點。電壓的(de)大(dà)幅階躍會損壞下(xià)遊設備的(de)輸入電路。這(zhè)些巨大(dà)的(de)階躍還(hái)會導緻 UPS 輸出中産生大(dà)量的(de)切換瞬變。這(zhè)會導緻小型 PC 和(hé) PLC 電源模塊過早出現故障。

　　純正弦波 UPS 會産生與 120/230V 主電源饋送的(de)波形相同的(de)正弦波形輸出。純正弦波 UPS，是可(kě)編程邏輯控制器 (PLC)、分(fēn)布式控制系統 (DCS) 和(hé)工業 PC（IPC）等敏感控制設備的(de)更好選擇。盡管需要更多(duō)的(de)電路，但由 UPS 供電的(de)控制設備的(de)使用(yòng)壽命更長(cháng)，從而降低了(le)總擁有成本。

　　關鍵任務應用(yòng)需要更先進的(de) UPS，即雙轉換或在線 UPS。這(zhè)樣的(de) UPS 永遠(yuǎn)不會處于待機模式。電池電路主動連接到系統。如果主電源中斷，則輸出不會出現中斷或電壓驟降，從而實現電池的(de)無縫運行。在線系統具有内置過濾和(hé)調節裝置。在正常運行期間，它将輸入電源從交流轉換爲直流，然後通(tōng)過逆變器再轉換爲交流電。隔離可(kě)防止電壓波動和(hé)輕微的(de)輸入功率幹擾。這(zhè)類 UPS 的(de)價格更高(gāo)，體積也(yě)更大(dà)。

圖 2 ：離線式 UPS 在正常情況下(xià)将主電源從輸入 端傳遞到輸出端，除了(le)與主電源電路并聯的(de)電池充 電電路外，沒有其他(tā)互動。

　　分(fēn)布式直流 UPS 設計 

　　交流 UPS 的(de)缺點是所有下(xià)遊設備都是交流供電的(de)，并依賴于該 UPS。控制櫃應用(yòng)可(kě)能需要一個(gè)非常大(dà)的(de)交流 UPS 來(lái)爲所有下(xià)遊設備供電。如果交流 UPS 出現故障，下(xià)遊設備相應的(de)也(yě)會出現故障。分(fēn)布式直流 UPS 可(kě)以節省成本和(hé)空間。大(dà)多(duō)數控制櫃都基于直流電壓。交流 UPS 在入口處實現備用(yòng)。對(duì)于直流 UPS，後備電源則在交流 / 直流轉變之後實現。

　　負載可(kě)以分(fēn)爲緩沖負載和(hé)非緩沖負載。非緩沖負載是指可(kě)在主電源丢失期間斷電，而不會導緻系統故障的(de)設備。交流 / 直流電源可(kě)以直接爲這(zhè)些負載供電。直流 UPS 将爲執行重 要功能的(de)設備或緩沖負載供電。這(zhè)可(kě)以顯著降 低直流 UPS 的(de)負載。安培數降低，也(yě)就意味著(zhe)更小的(de) UPS 規格和(hé)電池容量。

　　直流 UPS 技術比交流 UPS 設計簡單。直流産品不需要交流 - 直流轉換器或直流 - 交流逆變器。UPS 中的(de)所有電壓，都是 24Vdc，屬于安全超低電壓 (SELV)。這(zhè)使電源和(hé)電池組更有效。将額外的(de) DC/DC 轉換器用(yòng)于其它 DC 電壓，會在轉換中消耗更多(duō)的(de)電流，并會寄生在系統上。在功能更高(gāo)級的(de) UPS 系統中， 唯一的(de)直流轉換發生在電池充電電路中。直流 UPS 系統可(kě)以實現負載優先。優先爲連接到 UPS 的(de)負載供電。

　　當 UPS 以主電源模式爲負載供電并爲電池組充電時(shí)，UPS 将監控負載電流。如果負載電流和(hé)充電電流組合會使主交流 / 直流電源過載，UPS 将自動降 低充電電流，以防止過載。由于電路更簡單，直流 UPS 的(de)體積通(tōng)常比交流小。一些模塊化(huà)直流 UPS 系統帶 有内置診斷功能。有了(le)實時(shí)監測信息，就可(kě)以在故障發生前更換電池，而不是靠猜測來(lái)更換電池。

圖3 ：在“在線”或 “雙轉換”配置中， UPS 從不處于待機模式。

　　工業 UPS 電池 

　　電池是 UPS 系統的(de)支柱。當停電時(shí)，電池會繼續工作。那麽如何确保電池不是 UPS 的(de)薄弱環節呢(ne)？在 工業 UPS 應用(yòng)中，常見電池類型包括閥控鉛酸、寬溫閥控鉛酸和(hé)磷酸鐵锂的(de)電池。

　　最常見的(de)類型是标準閥控式鉛酸蓄電池，具有成本低、兼顧成本和(hé)容量的(de)優點，但耐用(yòng)性不佳。标準電池的(de)标稱工作溫度爲 0 至 40℃。它 們在 27℃左右的(de)恒溫房(fáng)間内表現最佳。雖然它們在受控環境中很常見，但許多(duō)工業應用(yòng)的(de)溫度範圍爲 -40 到 70℃，這(zhè)會大(dà)大(dà)縮短閥控鉛酸電池的(de)使用(yòng)壽命。

　　寬溫閥控鉛酸電池可(kě)在 -25 至 60℃的(de)溫度範圍内運行。它們的(de)使用(yòng) 壽命比标準閥控鉛酸稍長(cháng)。它們通(tōng)常 用(yòng)于戶外應用(yòng)。化(huà)學性能與标準閥控 鉛酸不同，寬溫閥控鉛酸通(tōng)常更大(dà)且價格更高(gāo)。在出現故障之前，閥控鉛酸和(hé)寬溫閥控鉛酸電池可(kě)以運行大(dà)約 250 到 300 個(gè)充電周期，因此閥控鉛酸可(kě)持續六個(gè)月(yuè)，而寬溫閥控鉛酸可(kě)持續一年半到兩年。锂電池壽命和(hé)溫度範圍與寬溫閥控鉛酸電池相似。锂電池最多(duō)可(kě)充電 7,000 次，從而延長(cháng)使用(yòng)壽命。锂電池的(de)成本可(kě)能是寬溫閥控鉛酸的(de) 3 倍，但性能更好。

　　連接 UPS 數據 

　　工業物(wù)聯網的(de)發展帶來(lái)了(le)更多(duō)互聯性，設備也(yě)更智能。通(tōng)過可(kě)靠的(de)網絡和(hé)協議(yì)，UPS 性能數據可(kě)連接到工業以太網網絡，從而可(kě)以訪問這(zhè)些數據，使最終用(yòng)戶能夠及時(shí)了(le)解所安裝的(de) UPS 的(de)電池性能。（作者：Ken Allwine）  

　　關鍵概念： 

　　■ 在選擇 UPS 之前應先定義 UPS 的(de)應用(yòng)需 求。 

　　■ 了(le)解分(fēn)布式交流和(hé)直流 UPS 設計。 

　　■ 考慮電池的(de)性能和(hé)通(tōng)信。

　　思考一下(xià)： 

　　可(kě)靠的(de) UPS 電源系統可(kě)以在多(duō)大(dà)程度上防止關鍵控制系統因停電故障？