UPS容量与负载量的计算

www.mgeups.com UPS容量 与 负载量的计算 梅兰日兰电子（中国）有限公司 《UPS电源保护方案研讨会》 N°2 梅兰日兰电子（中国）有限公司T H E U N I N T E R R U P T I B L E P O W E R P R O V I D E R Š一、UPS容量的相关因素 >与UPS容量相关的电气参数 >与UPS配置相关的因素 >与UPS运行环境相关的因素 Š二、负载容量的相关因素 >负载的电气参数 >负载的工作性质 Š三、负载容量的计算 >计算举例（一） >计算举例（二） 目录 N°3 梅兰日兰电子（中国）有限公司T H E U N I N T E R R U P T I B L E P O W E R P R O V I D E R 一、UPS容量的相关因素 Š与UPS容量相关的电气参数 > 额定视在功率(KVA)； > 额定有功功率(KW)； > 过载能力（xIn）； > 短路能力(xIn）。 注： > 前两者描述了UPS的额定容量和功率因数； > 后两种描述了UPS的极限容量。 N°4 梅兰日兰电子（中国）有限公司T H E U N I N T E R R U P T I B L E P O W E R P R O V I D E R > UPS额定容量的标度 –根据IEC 62040-3的UPS性能 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 （UPS Performance）和IEC 60146-4的UPS设计标准（UPS Design），UPS的额定容量是以 额定输出的视在功率（KVA）和有功功率（KW）标度的，其 输出的功率因数为： PF = KW / KVA –在UPS设计时是以线性负载Cos.ϕ=0.8作为设计标准的，但这 并不表示UPS只能带Cos.ϕ=0.8的负载。根据上述两个标准， UPS允许使用的线性负载功率因数为0.6超前到0.6滞后 （Range of load power factor permitted - linear load 0.6 lead to 0.6 lag ）； UPS允许使用的非线性负载功率因数与线性负 载的功率因数相同。 一、UPS容量的相关因素 N°5 梅兰日兰电子（中国）有限公司T H E U N I N T E R R U P T I B L E P O W E R P R O V I D E R > UPS过载（短路）能力的标度 –过载或短路特性表示了UPS在极短时间内所允许的最大工作能力： 限流过载 10mn 1mn 1s 1,25InIn 1,65In 2,33In I 1.1In �UPS的过载能力 )1.05In -连续工作 )1.1In -2小時 )1.25In -10分钟 )1.35In -3分钟 )1.65In -1分钟 �UPS的短路能力 )以限流方式工作1秒钟 一、UPS容量的相关因素 N°6 梅兰日兰电子（中国）有限公司T H E U N I N T E R R U P T I B L E P O W E R P R O V I D E R > UPS过载（短路）的检测 –过载检测：在逆变器的输出端（负载侧）进行采样； –短路检测：在逆变器支路的末端（变压器之前）进行采样，当负 载电流超过1.65In有效值时，以2.33In峰值进行限流，持续1秒钟。 一、UPS容量的相关因素 Uo 2.33 In 输出限流时，输出电压降低 V(t) N°7 梅兰日兰电子（中国）有限公司T H E U N I N T E R R U P T I B L E P O W E R P R O V I D E R Š 与UPS配置相关的因素： > UPS安装的环境、容量是否有更新的要求； > UPS系统配置所需的电气条件，如：上线电源容量、接地系统、 是否有发电机供电等； > 是否易于维修，是否可安全维护，现场的平均修理时间MTTR； > 希望的供电系统平均无故障时间MTBF、可用性指标等。 Š 与UPS运行环境相关的因素： > 温度、湿度、海拔高度（大于1000米需要功率折算）、IP保护等 级（影响散热和功率折算）； > 运行环境内是否有空调辅助散热（空载、满载的热损耗、排风 量）、电池房间的通风散热等。 一、UPS容量的相关因素 N°8 梅兰日兰电子（中国）有限公司T H E U N I N T E R R U P T I B L E P O W E R P R O V I D E R 二、负载容量的相关因素 Š负载的工作性质： >是否24小时连续工作； >是否365天不能停机； >是否允许停电检修…... 由此确定系统的所要求的MTBF、MTTR、电源可用性… Š负载的电气参数： >负载类型、额定电压、额定电流、输入功率因数、峰值因数、启 动电流、工作时的最大电流…... N°9 梅兰日兰电子（中国）有限公司T H E U N I N T E R R U P T I B L E P O W E R P R O V I D E R >负载的电气参数 –负载类型： 计算机房的负载大都是开关电源型的非线性负载设备，在IEC 62040-3标 准中称之为“RCD型负载”，表现为低额定电流、高峰值因数、低输入功 率因数、2～4In的起动电流，打印机/扫描仪类的负载伴随有2In左右的工 作电流，在计算额定容量时应予以考虑。 二、负载容量的相关因素 U Rs Uc C Rl–额定输入电压及工作电压范围： 220V/380V ±5% –额定输入电流In： 指负载的输入电流有效值，但某些设备铭牌上有时并不直接标出，而标出 的只是输入有功功率P =__W，需计算一下。 N°10 梅兰日兰电子（中国）有限公司T H E U N I N T E R R U P T I B L E P O W E R P R O V I D E R >负载的电气参数 –起动电流: 在设备铭牌上一般不标出，通常为2～4In，但由于作用时间较短，而且只 发生在设备启动瞬间，因此只需进行起动电流的核算。 2In的起动电流通常会 在第二个周期内消失 二、负载容量的相关因素 –工作时的最大电流Imax： 在打印机等设备铭牌上一般都有标出，由于它是随机的、频繁的，在计算 额定容量时应按此电流予以考虑。 N°11 梅兰日兰电子（中国）有限公司T H E U N I N T E R R U P T I B L E P O W E R P R O V I D E R >负载的电气参数 –输入功率因数： 大多数情况下并不直接标出，但对于计算机类型负载，其输入功率因数 (Power Factor)大多数为0.6 ～ 0.7。 对于非线性负载，其功率因数PF不等于Cos.ϕ 二、负载容量的相关因素 N°12 梅兰日兰电子（中国）有限公司T H E U N I N T E R R U P T I B L E P O W E R P R O V I D E R >负载的电气参数 –输入功率因数： 对于非线性负载，其功率因数PF不等于Cos.ϕ )( )( kVAS kWP=λ非线性负载的功率因数： )( )(cos 1 1 1 kVAS kWP=ϕ非线性负载的相移功率因数 功率因数与相移功率因数的关系 21 1/cos THD+= ϕλ 其中：THD表示电流的总谐波失真度 二、负载容量的相关因素 N°13 梅兰日兰电子（中国）有限公司T H E U N I N T E R R U P T I B L E P O W E R P R O V I D E R >负载的电气参数 – THDI：电流的总谐波失真度 负载谐波波形 RCD(微机) 小型计算机 可控硅整流器 H3 = 80% H5 = 35% H7 = 18% H9 = 9% H11= 5% THDI=90% 峰值因数：2.5-3 H5 = 21% H7 = 16% H9 = 0% H11= 10% H13= 9% THDI=30% 峰值因数：2-2.5 H5 =32% H7 =3% H9 =0% H11= 7% THDI=33% 峰值因数：1.5-2 谐波频谱 二、负载容量的相关因素 N°14 梅兰日兰电子（中国）有限公司T H E U N I N T E R R U P T I B L E P O W E R P R O V I D E R >负载的电气参数 –峰值因数： 峰值因数(Cf)定义为峰值（最大幅值Ipeak）与有效值Irms的比率，用来表 示电流或电压形状的特征： 二、负载容量的相关因素 负载峰值因数越高，表示非线 性程度越严重 典型负载的峰值因数： !线性负载： Cf = 1.414 !六脉冲整流器：Cf＝1.5到2 !计算机主机： Cf = 2 到 2.5 !微机： Cf = 2 到 3。 有效值 峰值=Cf Cf = 3,5 In 非线性负载 线性负载 Cf = 2 x In N°15 梅兰日兰电子（中国）有限公司T H E U N I N T E R R U P T I B L E P O W E R P R O V I D E R >负载的电气参数 –峰值因数对UPS容量的影响举例： 例如： 200KVA UPS的峰值因数Cf=3:1，UPS额定电流In=303A， 则： UPS峰值电流为303A x 3 = 909A。 假设： 负载峰值因数为3.5:1； 则: UPS对于该负载所提供的电流有效值为909A / 3.5 = 259.7A 即: UPS的使用容量为259.7A x 660V = 171.4KVA 因此： %7.85857.0 200 4.171UPS ==的功率折算＝ 二、负载容量的相关因素 非线性负载 Cf = 3,5 In 线性负载 2 x InCf = N°16 梅兰日兰电子（中国）有限公司T H E U N I N T E R R U P T I B L E P O W E R P R O V I D E R Š负载容量的确定容量计算方法 实际上，精确计算负载容量是一个非常复杂的计算过程，这是因为： (1)：负载容量S不等于S1+S2+S3+...+Sn的总和： -对于线性负载，必须用不同的cos ϕ所对应的角度来计算矢量和； -而对于非线性负载，则不能用矢量和来进行计算。 (2)：负载的合成功率因数PF： 必须在现场进行实际测量或根据以往的经验进行估算； (3)：负载有功功率是可以直接相加的(不存在相位差)： P = PF * S = Σ PFi * S i (4): 当负载的PF ≥ 0.8时，则选UPS有功功率 Pn=0.8*Sn > P； 当负载的PF < 0.8时，则选UPS有功功率 Pn=PF*Sn >P。 三、负载容量的计算 其中：Sn为UPS的输出视在功率，Pn为UPS的输出有功功率，P为负载的有功功率。 N°17 梅兰日兰电子（中国）有限公司T H E U N I N T E R R U P T I B L E P O W E R P R O V I D E R �举例（一）: UPS的负载如下： ŠPC机50台： P=150W/台, Imax=1A; (PF=0.68, 则S1=220VA x 50台 = 11KVA) Š服务器5台： P=200W/台, Imax=1.2A; (PF=0.75, 则S2=264VA x 5台 = 1.32KVA) Š网络打印机2台：P=1000W/台, Imax=6.5A; (PF=0.7, 则S3=1430VA x 2台 = 2.86KVA) Š110V变压器1台：P=8KW/台,三相，In=15A; (PF=0.8, 则S4 = 10KVA) Š应急照明10个： P=200W/个, In=1A (PF=0.9, 则S5=220VA x 10个 = 2.2KVA)。 三、负载容量的计算（一） 总负载量： P=20.5KW。根据PF < 0.8时，Pn = Sn*PF，根据经验取PF = 0.7， 则：UPS容量 Sn = 30KVA > 20.5KW / 0.7 = 29.28KVA。 N°18 梅兰日兰电子（中国）有限公司T H E U N I N T E R R U P T I B L E P O W E R P R O V I D E R �举例（一）: UPS容量（30KVA）的核算： �若按PC机峰值因数为2.5计算，50台PC机的峰值功率为: 50Ax2.5/1.414x220Vx0.68 =13.22KW �再加上其它负载的稳态功率，则为： P =13.22KW+1KW+2KW+8KW+2KW =26.22KW � UPS容量Sn > S = P / Pf =26.22 / 0.7 =37.46KVA，显然30KVA UPS会 发生过载，应选择40KVA UPS为宜。 三、负载容量的计算（一） �另外还应考虑大多数负载为单相负载，在三相系统中可能存在的三相不平 衡现象；某些负载存在着2 In的起动电流，UPS也应留有一定的余量。 �若按一般UPS容量的经验估算——负载总容量除以0.7系数，则 Sn＝S / 0.7 =S1+S2+S3+S4+S5＝27.38KVA / 0.7 =39.11KVA � 40KVA 也应选择40KVA UPS。 N°19 梅兰日兰电子（中国）有限公司T H E U N I N T E R R U P T I B L E P O W E R P R O V I D E R page 19 主电源 中压 低压 计算机 变频调速器 隔离变压器 发电 机组 旁路 4 x 10 kVA 20 kVA 20 kVA λ1 = 0.6 λ2 = 0.7 cos φ = 0.8 UPS的额定视在功率： S = 54 / 0.68 = 79.4 kVA 应选择100 kVA或更大一级的UPS。 � 举例（二）：UPS的负载如下 视在功率 (kVA) 输入功率因数 有功功率(kW) 计算机系统 40 0.6 24 变频调速器 20 0.7 14 变压器 20 0.8 16 总计 S ＝？ λ = 0.68 P = 54 kW （测量得到） 三、负载容量的计算（二） N°20 梅兰日兰电子（中国）有限公司T H E U N I N T E R R U P T I B L E P O W E R P R O V I D E R �举例（二）: UPS容量的核算：UPS的额定视在功率 Sn =100 kVA > 计算机系统 -每台计算机的起动电流为 8 In，持续四个周期(50 Hz ，80 毫秒)； > 变频调速器 -起动电流为 4 In，持续五个周期(50Hz，100 毫秒)； > 隔离变压器 -起动电流为10 In，持续六个周期 (50Hz，120 毫秒)。 UPS的 过载曲线 UPS在大于165％过载时，以2.33In峰值限流1秒钟 三、负载容量的计算（二） N°21 梅兰日兰电子（中国）有限公司T H E U N I N T E R R U P T I B L E P O W E R P R O V I D E R �举例（二）: UPS容量的核算：UPS的额定视在功率 Sn =100 kVA �核实有功功率 > UPS能够为负载提供的有功功率：100 x 0.8 = 80 kW > 54 kW. �核实负载率和额定电流 >负载率：79.4 / 100 = 79.4% > UPS的额定电流：In = 100,000 / (400 x 1.732) = 144 A �核实计算机系统的起动电流： >每台计算机的额定电流：I = 10,000 / (400 x 1.732) = 14.4 A， >每台计算机的起动电流：8 I ≈ 115 A，并持续80毫秒； >如果四台计算机同时起动，则起动电流为： 4 x 115 = 460 A > 336 A（336A为UPS的 2.33In峰值限流） UPS将在80毫秒内限流运行（非正弦波输出电压）。 其它负载的起动则不会发生UPS过载限流的现象。 三、负载容量的计算（二）