机电设备企业UPS电源解决方案

引言

随着国民经济的飞速发展，各行业科技水平不断提高，用电设备对于供电电网的质量要求也越来越高，生产力水平的提供越来越得到企业的重视。由于市电电网中接有各种各样的负载，对电网造成了干扰和污染，恶化了供电质量，同时，由于市电的不稳定，供电电压不稳定，欠压、高压、瞬断等情况时有发生，影响了负载设备的正常运行，给用户造成了很大的损失。

第一章 用户需求
1.1 项目概况

西陵输变电设备有限公司的精密数控机床因市电供电质量问题，常导致几万、甚至几十万的部件损坏。UPS供电系统的建设目的，是通过UPS供电系统给精密设备供电，为用电设备提供高质量的、不间断电源，来保证用电设备正常工作。UPS不间断电源系统可以解决电源断电、电压尖峰、电压浪涌、频率漂移、谐波干扰、过欠压、电压波动及噪声电压等由市电电源质量差对前端设备造成的危害。
1.2 用户需求分析
1.2.1客户遇到的问题
生产机床设备会因电力问题造成损失的原因主要有三种情况：
1、市电电压欠压，造成造成设备前端配电装置保护跳闸，生产设备不能连续工作。
2、跳闸，导致负载突然中断，导致损失产生。因此，必须解决电力欠压和电力中断的情况，才能避免这种无谓的损失。
3、电力谐波干扰会导致数控机床设备加工精度下降，良品率降低，因此，新增UPS电源系统设备后，不能带来严重的谐波干扰。
1.2.2客户问题分析
1）生产输变电设备的核心设备是数控机床设备，此设备的主刀头会应电力突然中断而损坏，一次的损失约为5万元。
2）导致客户设备工作突然中断的原因是电力质量问题---电压不稳，即欠压，欠压造成电流突然增大，空开负荷增大，进而导致空开跳闸（客户空开容量已经足够大）。
-------这要求解决方案要为客户的设备提供稳定可靠的不间断动力。
3）客户设备为机床，内部有多个大功率电动机，特别是主轴刀头驱动马达，功率可达30KVA,启动瞬间的冲击电流是是启动后的3-5倍，负载冲性很大。
-------这要求解决方案所采用的设备必须具有强的抗冲性负载击能力，同时过载能力也要强。
4）客户机床设备是用来加工输变电设备的，因此加工精度要求非常高，不能因为谐波的干扰而造成加工精度下降。
---------解决方案设备所产生的谐波要小，不能影响其他设备。
1.2.3 解决方案指导思路
针对以上分析，我们为客户提出电力质量解决方案必须能够满足以上四点要求：
1、能够带来显著的效益提升；
2、能够有效的解决电力供电欠压、断电等情况；
3、适合带机床类冲击性负载，能够稳定可靠工作；
4、解决方案不能带来诸如谐波干扰等其他常见电力问题，影响其他设备正的加工精度。
第二章 台达UPS电源供电方案
1. 供电系统结构图:

2. UPS电源供电解决方案
本方案主导思想是本着节省、可靠、简洁高效的原则来制定。尽量结合现场特点，为客户度身定制成本最低、性能最优的UPS供电解决方案。

我们建议规划为UPS集中供电的解决方案，采用1台UPS的输入交流可以选择采用输入配电柜供给UPS市电输入，再经过UPS电源的单机系统给输出配电柜供电，重要关键负载（稳压器、数控机床设备）全部由UPS输出配电柜配电供电，次要负载（厂区照明设备、空调设备、消防设备等）全部由输入配电柜配电供电。
2.1 数控机床负载特性测量

针对工厂生产设备----数控机床设备特殊的负载特性，我们曾经对广州丰田发动机生产厂的数控机床设备进行波形采集，并测试了1小时的电流跟踪。如下图：

从上图我们可以看到，负载电流谐波很大，测量谐波量会达到26%，这些谐波会串扰到其他设备的电力输入系统，除了会导致损耗加大、电容寿命缩短、继电器和开关误动作外，更重要的是会导致其他生产设备—数控机床生产精度变差，生产出残、次品。

上图粉红色为一段时间的负载电流变化曲线，我们可以看到负载电流会从100A左右，突变到最大170A,负载电流变化率非常大，达到了70%，这对UPS逆变器耐受冲击性能、和负载突变时的电压变化量要求都非常高。
2.2 UPS电源容量的核算

根据用户实际整个负载最大（夏季高温期）时为430KVA，空调设备、照明设备等非关键性负载为215KVA，关键负载（稳压器及数控机床生产设备）为215KVA作为选择UPS容量的参考依据。
2.3 UPS容量的核定
实际数控机床设备功耗 : P机床关键负载=215KVA
1） 为保证UPS电源正常工作，为保证UPS长期稳定地运行,负载容量一般为UPS容量的70%-80%。
2） 作为UPS电源的负载----数控机床的核心组件为电机，为感性负载；尽管每个数控机床内部均有变频器可以使电机得到平缓启动，其启动冲击电流为额定电流的1-3倍；（如果没有变频器的情况下电机的起动电流为额定电流的5-7倍），考虑到数控机床设备的安全可靠运行，数控机床启动时冲击电流过大而导致UPS电源转旁路，故UPS容量应适当放大正常使用的容量（放大1.3倍启动安全系数）。
UPS电源设计容量 =372.67KVA
A/基于上面的分析，结合我们测量的负载设备的电流波形及曲线，我们为客户选用的UPS容量为400KVA 。
蓄电池容量及时间的选定
B/电池延时时间，我们选择根据客户实际情况，选择为10分钟。此时间足够客户的数控机床设备完成一个生产周期，并且保护并安全关闭设备。
因为UPS实际工作时，负载一般不变，是个固定值，所以电池放电的功率也相对固定，可视为恒功率放电，因此电池容量计算按恒功率法计算，计算步骤如下：
P（W） 电池提供总功率 P（VA） UPS标称容量（VA）
Pf UPS功率因数 η 逆变转换效率
Pnc 每节需要提供的功率 n 机器配置的电池数量
P（W）={P（VA）*Pf}/η Pn 每节电池所提供的功率
台达NT系列400KVA
UPS，输出功率因数Pf=0.8，额定容量为400KVA，逆变效率0.95，额定电池电压为348V,所以需要12V电池29节。所以每个电池单体需要提供的功率为：
Pn= = =1040.53W

根据中达电通DCF126-12/150电池的恒功率曲线表，可查得，中达电通DCF126-12/150AH电池放电至每单体1.70时10分钟恒功率放电功率为513W，1040.53W/513W=2.02组,取整数2组,满足系统要求，所以该电源系统应配置12V/150AH电池58节。
2.4 UPS电源方案优点说明
1）通过UPS系统供电有如下优点：
2.4.1 UPS设备输出电压稳定度高，输出电压谐波小。

台达UPS，输出电压稳定度为±1%（线性负载），非线性负载为±3%，输出电压谐波≤3%，能够有效解决欠压、断电等电力质量问题。为数控机床设备提供可靠稳定的电力供应。
2.4.2 负载适应性强，可带冲击性较强的负载；
台达UPS采用全桥逆变架构，内置输出隔离变压器，抗冲击能力强，逆变器过载能强，可达125% 10分钟，150% 60秒。
2.4.3 输出电流谐波小，不会影响干扰其他设备正常工作；