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| 應(yīng)用領(lǐng)域 | 電氣 | 主要用途 | UPS專用 |
宇泰蓄電池6FM-80 12V80AH尺寸規(guī)格參數(shù)！
宇泰UPS鉛酸蓄電池容量的確定（上）
UPS是用于數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)等關(guān)鍵負(fù)載的不間斷電源系統(tǒng)。正常情況下,UPS以市電為輸入能源,一般經(jīng)整流-逆變兩次變換和調(diào)節(jié),為關(guān)鍵負(fù)載提供穩(wěn)定可靠高質(zhì)量的交流電源;市電停時(shí),UPS由蓄電池取得輸入能源,經(jīng)逆變器將直流電變換為穩(wěn)定可靠高質(zhì)量的交流電,不間斷地供給關(guān)鍵負(fù)載。因此,UPS有兩個(gè)重要功能:在市電正常時(shí),UPS可以改善市電質(zhì)量,濾除市電的各種*;市電停電時(shí),UPS通過(guò)蓄電池-逆變器產(chǎn)生高質(zhì)量的交流電,可以不間斷地為關(guān)鍵負(fù)載供電。蓄電池是確保UPS不間斷供電的關(guān)鍵設(shè)備。
正確計(jì)算和選擇蓄電池容量是至關(guān)重要的。
如果蓄電池選擇不當(dāng),蓄電池供電時(shí)間將不能滿足工程要求,甚至?xí)斐赏ｋ?。必須指?目前一些UPS工程中蓄電池的選擇不盡合理,往往忽略了一些重要的設(shè)計(jì)考慮。甚至有些UPS廠家配置的蓄電池的容量也不符合標(biāo)準(zhǔn)。因此,深入了解和掌握確定蓄電池容量的正確方法,確保工程質(zhì)量,對(duì)于UPS工程設(shè)計(jì)和管理人員是非常必要的。
當(dāng)前應(yīng)用多的UPS蓄電池是鉛酸蓄電池,包括閥控鉛酸(VRLA)蓄電池和排氣鉛酸(VLA)蓄電池。本文根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),介紹UPS鉛酸蓄電池的容量確定方法。詳解我國(guó)傳統(tǒng)的安時(shí)(Ah)容量法和上流行的恒功率法(恒電流法)的計(jì)算公式,討論必要的設(shè)計(jì)考慮,并給出設(shè)計(jì)實(shí)例。供正規(guī)工程中蓄電池容量確定和核對(duì)蓄電池配置容量時(shí)參考。這些方法和設(shè)計(jì)考慮也適用于直流供電系統(tǒng)的蓄電池容量的確定。
1 安時(shí)(Ah)容量法
蓄電池容量的傳統(tǒng)計(jì)算方法是以負(fù)載電流和放電時(shí)間的乘積(Ah容量)為基礎(chǔ),并考慮安全系數(shù)(老化系數(shù))、放電容量系數(shù)、放電溫度系數(shù),計(jì)算出需要的10h率安時(shí)(Ah)容量。據(jù)此按照10h率容量選擇蓄電池。
1.1 基本計(jì)算公式
根據(jù)YD/T5040-2005《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》,蓄電池組容量按下式計(jì)算
(1)
式中, Q ——蓄電池容量(Ah);
K ——安全系數(shù);
I ——負(fù)載電流(A);
T ——放電小時(shí)數(shù)(h);
t ——蓄電池低環(huán)境溫度(℃);
η ——放電容量系數(shù);
α ——蓄電池放電溫度系數(shù)。
1.2 公式解讀和設(shè)計(jì)考慮
1.2.1 安全系數(shù)(老化系數(shù)) K
當(dāng)鉛酸蓄電池的可用容量下降到額定容量的80%時(shí),即為壽命終止。因此,當(dāng)鉛酸蓄電池的實(shí)際容量下降到其額定容量的80%時(shí),就應(yīng)更換。為保證蓄電池在整個(gè)壽命期內(nèi)均能滿足計(jì)算負(fù)載的要求,蓄電池的計(jì)算容量至少應(yīng)增加25%的富裕量,使蓄電池在壽命終止時(shí)仍有足夠的容量供給負(fù)載。蓄電池的額定容量一般應(yīng)至少為壽命終止時(shí)剩余容量(亦即負(fù)載容量)的125%。安全系數(shù) K 是考慮這種情況的系數(shù)( K 取值1.25)。
1.2.2 負(fù)載電流 I (恒定電流)
(1)將恒功率轉(zhuǎn)換為恒電流
計(jì)算公式(1)中負(fù)載電流 I 規(guī)定為恒定電流。
但是,UPS的逆變器和直流通信負(fù)載均為恒功率負(fù)載。蓄電池電壓在放電時(shí)是不斷下降的,恒功率負(fù)載的輸入電流將隨著蓄電池電壓的下降而增大。如果恒功率負(fù)載距蓄電池較遠(yuǎn),由于電纜上的壓降,使恒功率負(fù)載輸入電壓變得更低,因而輸入電流更大。所以應(yīng)考慮電纜壓降的影響。
為了按照式(1)計(jì)算蓄電池的容量,必須將負(fù)載的恒功率轉(zhuǎn)換為恒電流。一般可以先求出蓄電池放電周期的平均電壓 U 平均 ,再根據(jù)負(fù)載有功功率P 求出平均電流 I 平均 。即
(2)
蓄電池放電平均電壓的確定方法有以下3種:
①計(jì)算平均電壓 U 平均
根據(jù)單體浮充電壓和終止電壓, U 平均 為
(3)
式中, U 浮充 ——單體電池浮充電壓;
U 終止 ——單體電池終止電壓;
n——電池只數(shù)。
(如果 U 浮充 =2.25V, U 終止 =1.67V,則 U 平均=1.96n)
②根據(jù)YD/T5040-2005《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定
U 平均 =1.85n (4)
(取單體電池平均電壓為1.85V/只,以留有裕量)
③根據(jù)IEEE std 485-2010建議,采用保守估算方法,將終止電壓視為平均電壓
U 平均 = U 終止 ×n (5)
(按低電壓,計(jì)算出大電流,留有更大裕量)
如果將終止電壓視為平均電壓,不但設(shè)計(jì)裕量較大,而且平均電流的計(jì)算非常簡(jiǎn)單。
例如,假設(shè)-48V直流系統(tǒng)(配置24只鉛酸蓄電池)的恒功率負(fù)載為10kW,單體放電終止電壓為1.75V/只(系統(tǒng)終止電壓1.75×24=42V),電纜壓降為2V,則平均放電電流 I 平均為
(2)蓄電池只數(shù)n和單體終止電壓 U 單終 的計(jì)算
蓄電池只數(shù)n等于逆變器系統(tǒng)高輸入電壓除以單體電池的均充電壓。因?yàn)槟孀兤鞲唠妷撼霈F(xiàn)在蓄電池均充時(shí),而充電末期電流和壓降很小,所以可以不考慮電纜壓降的影響,按下式計(jì)算蓄電池的只數(shù)
(6)
蓄電池組低電壓(放電終止電壓)等于逆變器系統(tǒng)允許的低輸入電壓加上額定條件下的電纜壓降。單體電池低電壓 U 單終 (單體放電終止電壓)等于蓄電池組低電壓除以蓄電池只數(shù)n,按下式計(jì)算,單體電池低電壓為
(7)
(3)蓄電池的平均放電電流 I 平均 (逆變器平均輸入電流)
蓄電池帶UPS逆變器時(shí),蓄電池的平均放電電流 I 平均 等于逆變器平均輸入電流
(8)
式中, I 平均 ——蓄電池的平均放電電流(A)(即UPS逆變器的平均輸入電流);
P ——UPS輸入有功功率(kW);
S ——UPS輸出視在功率(kVA);
cosφ---UPS的負(fù)載功率因數(shù);
μ ——逆變器效率;
U 平均 ——逆變器平均輸入電壓(V),即蓄電池放電期間的平均電壓;
U 電纜壓降 ——逆變器與蓄電池之間的電纜壓降(V),逆變器距蓄電池很近時(shí)可以忽略。
1.2.3 蓄電池放電溫度系數(shù)α的概念
蓄電池的額定容量是以環(huán)境溫度為25℃時(shí)為基準(zhǔn)的,當(dāng)環(huán)境溫度高于25℃時(shí),蓄電池的實(shí)際容量會(huì)比額定容量增大一些,故計(jì)算蓄電池容量時(shí)可以考慮適當(dāng)減小一些(但如下文所述,實(shí)際計(jì)算時(shí)并不進(jìn)行調(diào)整,以留有裕量),當(dāng)環(huán)境溫度低于25℃時(shí),蓄電池的實(shí)際容量會(huì)比額定容量低一些,計(jì)算蓄電池容量時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)增大一些。即將所需蓄電池容量提高到25℃時(shí)的容量。如果環(huán)境溫度恰好為25℃,則不進(jìn)行調(diào)整。放電溫度系數(shù)α是根據(jù)溫度調(diào)整蓄電池計(jì)算容量的系數(shù),實(shí)際上是每偏離基準(zhǔn)溫度(25℃)1℃的補(bǔ)償值(單位:1/℃)。α的取值與放電電流有關(guān),放電電流(放電率)越大,溫度變化對(duì)蓄電池實(shí)際容量的影響越大,故α的取值越大。當(dāng)放電小時(shí)≥10h,取α=0.006;當(dāng)10>放電小時(shí)≥1h,取α=0.008;當(dāng)放電小時(shí)<1h,取α=0.01。
1.2.4 蓄電池低環(huán)境溫度 t
式(1)中的( t -25)是蓄電池環(huán)境溫度偏離基準(zhǔn)溫度(25℃)的差值,與放電溫度系數(shù)α結(jié)合,調(diào)整蓄電池計(jì)算容量。需要說(shuō)明的是,計(jì)算蓄電池容量時(shí)蓄電池環(huán)境溫度 t 只考慮低于25℃的情況,而且是指低溫度,以便將蓄電池計(jì)算容量調(diào)高一些。一般有采暖設(shè)備時(shí)按15℃考慮,無(wú)采暖設(shè)備時(shí)按5℃考慮。環(huán)境溫度高于25℃時(shí),不考慮將蓄電池計(jì)算容量調(diào)低,故按 t =25℃,即 t -25=0處理,由此產(chǎn)生的蓄電池容量的增大作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)裕量的一部分。
1.2.5 放電容量系數(shù) η 的概念
蓄電池在不同的放電率放電時(shí),所能放出的容量是不同的。根據(jù)YD/T799-2010,閥控鉛酸蓄電池10h率放電容量為 C 10 ,3h率放電容量 C 3 為
0.75 C 10 ,1h率放電容量 C 1 為0.55 C10 。故閥控鉛酸蓄電池10h率放電時(shí)的 η 為1,3h率和1h率放電時(shí)分別為0.75和0.55。即放電率較大時(shí)(放電小時(shí)數(shù)<10),能放出的能量較小。在計(jì)算蓄電池容量時(shí),應(yīng)考慮將蓄電池容量適當(dāng)取得大一些。放電率較小時(shí)(放電小時(shí)數(shù)>10),能放出的能量較大,在計(jì)算蓄電池容量時(shí),為了留有裕量,仍按10h率考慮。鉛酸蓄電池在各種放電率時(shí)的放電容量系數(shù)( η ),如表1所示。
1.2.6 蓄電池安時(shí)(Ah)容量 Q
Q 是計(jì)算得出的蓄電池安時(shí)(Ah)容量。因?yàn)榻?jīng)放電容量系數(shù) η 調(diào)整,無(wú)論實(shí)際放電小時(shí)數(shù)多大,計(jì)算出的蓄電池容量均為10h率容量( C 10 )。故選擇蓄電池時(shí)應(yīng)按10h率容量考慮。
1.2.7 放電時(shí)間 T (h)或放電小時(shí)數(shù) T
蓄電池放電時(shí)間 T 應(yīng)以小時(shí)(h)為單位,一般根據(jù)通信局站及其市電的類別、備用發(fā)電機(jī)組配置等情況,按照設(shè)計(jì)規(guī)范確定。
1.3 安時(shí)(Ah)法計(jì)算實(shí)例
假設(shè)某UPS的輸出視在功率 S 為200kVA,負(fù)載功率因數(shù)cosφ=0.8,效率 μ =0.92,逆變器工作電壓范圍為320～451V,蓄電池的低工作溫度為15℃。蓄電池均充電壓為2.35V/只,浮充電壓為2.25V/只。要求蓄電池放電20min(0.33h),不考慮蓄電池與UPS設(shè)備之間的電纜壓降,計(jì)算和選擇蓄電池。
1.3.1 蓄電池的安時(shí)(Ah)容量的計(jì)算
(1)單體電池只數(shù)n
按式(6)計(jì)算單體電池只數(shù)n
(2)單體電池放電終止電壓 U 單終
按式(7)計(jì)算單體電池放電終止電壓 U 單終 (假設(shè)忽略電纜壓降):
(3)蓄電池放電平均電壓 U 平均
按式(3)計(jì)算(假設(shè)浮充電壓為2.25V/只)
(也可以按式(4)或式(5)計(jì)算)
(4)蓄電池平均放電電流 I 平均 (將恒功率轉(zhuǎn)換為恒流)
按式(8)計(jì)算 I 平均 (假設(shè)忽略電纜壓降)
(5)計(jì)算蓄電池安時(shí)容量 Q
按式(1)計(jì)算蓄電池安時(shí)容量 Q :
(式中, K =1.25, I =462.14, T =0.33, η =0.48,α =0.01, t =15)
1.3.2 蓄電池的選擇
UPS蓄電池宜選擇UPSVRLA蓄電池,目前這種蓄電池容量一般在200Ah以下,此案例的安時(shí)容量較大,故需要多組并聯(lián)(一般不超過(guò)4組)。以下是的兩個(gè)選擇實(shí)例。
①查雙登集團(tuán)有限公司的6-GFM-200/12V
閥控密封鉛酸蓄電池?cái)?shù)據(jù)表可知,6-GFM-150的容量為150Ah( C 10 ),根據(jù)蓄電池計(jì)算安時(shí)容量為441.28Ah,因?yàn)?41.28/150=2.94,故可以取3組并聯(lián),每組32只6-GFM-150電池(共包含192只單體電池)。
因150×3=450>441.28,所以有一定裕量。
②查山東圣陽(yáng)電源股份有限公司產(chǎn)品參數(shù)可知,SP12-200/12V閥控鉛酸蓄電池10h率容量為186Ah。根據(jù)蓄電池計(jì)算安時(shí)容量為441.28Ah,因?yàn)?41.28/186=2.37，故可以選這個(gè)蓄電池，3組并聯(lián)，每組32只SP12-200(共包括192只單體電池)。因186×3=558(Ah)>441.28Ah，所以有較大的裕量。
2 恒功率法
2.1 概述
如前所述,UPS蓄電池的負(fù)載逆變器和通信設(shè)備等都是恒功率負(fù)載,蓄電池放電時(shí),蓄電池的輸出電壓逐漸下降,而蓄電池的輸出電流逐漸增大。直到電壓下降到終止電壓時(shí),電流達(dá)到大值。但在整個(gè)放電過(guò)程中蓄電池的輸出功率是恒定的?？紤]到恒功率負(fù)載的這種情況,蓄電池廠家經(jīng)過(guò)試驗(yàn),提供了蓄電池恒功率放電數(shù)據(jù)表,給出每個(gè)單體電池放電到規(guī)定的終止電壓,在規(guī)定的放電時(shí)間內(nèi)所能放出的恒定功率。利用蓄電池恒功率放電數(shù)據(jù)表可以非常方便地選擇蓄電池容量,而且比較準(zhǔn)確。
采用恒功率放電數(shù)據(jù)表選擇蓄電池容量時(shí),首先要合理、準(zhǔn)確地計(jì)算確定每個(gè)單體電池的負(fù)載功率、放電時(shí)間和放電終止電壓等數(shù)據(jù)。
2.2 確定蓄電池容量的設(shè)計(jì)考慮
2.2.1 電壓窗和單體電池只數(shù)的選擇
蓄電池的電壓窗是指蓄電池工作電壓范圍。蓄電池工作電壓范圍與UPS逆變器的輸入電壓范圍和蓄電池的只數(shù)有關(guān)。UPS逆變器的高直流輸入電壓是整流器給蓄電池均衡充電的高電壓。逆變器低直流輸入電壓是蓄電池可以放電到的終止電壓(并減去電纜壓降),UPS逆變器應(yīng)在此電壓范圍內(nèi)正常工作。在UPS逆變器輸入電壓范圍已確定的情況下,應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)男铍姵刂粩?shù),使每只蓄電池可以在廠家規(guī)定的高充電電壓下充電,而放電終止電壓在滿足逆變器允許低輸入電壓要求的前提下應(yīng)盡量選低,但又不低于廠家規(guī)定的低終止電壓值,以便使蓄電池能得到有效的利用。蓄電池只數(shù)等于逆變器系統(tǒng)高輸入電壓除以單體電池的均充電壓。需要說(shuō)明的是,計(jì)算時(shí)可以不考慮電纜壓降,因?yàn)槟孀兤鞲唠妷撼霈F(xiàn)在蓄電池均充時(shí),充電末期電流和壓降很小。
蓄電池組低電壓(放電終止電壓)等于逆變器系統(tǒng)允許的低輸入電壓加上額定條件下的電纜上的壓降。單體電池低電壓(單體放電終止電壓)等于蓄電池組低電壓除以蓄電池只數(shù)。
因此,根據(jù)UPS逆變器的直流輸入電壓范圍和規(guī)定的單體電池的均充電壓和放電終止電壓,可以確定單體電池只數(shù)。一般可以用逆變器系統(tǒng)高輸入電壓除以均充電壓的商數(shù),選擇單體電池只數(shù)。具體計(jì)算公式參見(jiàn)后述2.3.1節(jié)。
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