圖片來(lái)源 ：菲尼克斯電氣

作者 | Ken Allwine

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 依賴(lài)于快速準(zhǔn)確的通信,。關(guān)鍵控制系統(tǒng)無(wú)法承受瞬時(shí)電源中斷，因?yàn)檫@可能會(huì)導(dǎo)致工業(yè) PC 或控制器的崩潰,。不間斷電源 (UPS) 可以防止此類(lèi)事件的發(fā)生,。了解 UPS 的基礎(chǔ)知識(shí)和下面的五方面注意事項(xiàng),，有助于為工業(yè)應(yīng)用選擇合適的 UPS 電源。

UPS 將為哪種負(fù)載供電——交流還是直流,？傳統(tǒng)系統(tǒng)傾向于使用交流電源運(yùn)行,，因此舊系統(tǒng)的改造也就需要交流電源。在過(guò)去的 20 年中,，工業(yè) PC 市場(chǎng)的增長(zhǎng)已轉(zhuǎn)向直流電源,。應(yīng)當(dāng)充分考慮功率和運(yùn)行時(shí)間的要求，仔細(xì) UPS 的規(guī)格并建立切合實(shí)際的期望,。

如果持續(xù)停電,，UPS 可確保控制平臺(tái)安全有序地關(guān)閉,，從而避免數(shù)據(jù)丟失,、系統(tǒng)崩潰或故障。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),，請(qǐng)選擇合適的電池容量,，以便在關(guān)閉 PC 或主電源在合理時(shí)間內(nèi)恢復(fù)之前，允許系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間,。超大規(guī)格的電池系統(tǒng),，充電的時(shí)間可能更長(zhǎng)。

大多數(shù) UPS 制造商使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型,。一些制造商只提供一種技術(shù),，例如閥控鉛酸 (VRLA)。而其它公司將提供多種產(chǎn)品,，例如閥 控鉛酸,、寬溫閥控鉛酸和磷酸鐵鋰等。不同的電池在性能和使用壽命上有所不同,。

理想情況下,，UPS 將提供電池系統(tǒng)的多個(gè)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，因此操作人員可以在電池發(fā)生故障前采取預(yù)防措施,。大多數(shù) UPS 使用 LED,，少數(shù)則提供具有固定閾值點(diǎn)的干結(jié)點(diǎn)輸出。較新的 UPS 系統(tǒng)提供上述方法,，并將數(shù)據(jù)集成到通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行通信的控制平臺(tái)中,。

▎圖 1 ：隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)在工業(yè)應(yīng)用中的廣泛實(shí)施，可靠的電力比以往任何時(shí)候都更重要,。為應(yīng)用選擇合適的 UPS 系統(tǒng),，可以防止電源中斷可能導(dǎo)致的問(wèn)題和成本。圖片來(lái)源 ：菲尼克斯電氣

在以交流電壓運(yùn)行的控制系統(tǒng)中,，交流 UPS 最合適,。離線(xiàn)或待機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單明了,。這些產(chǎn)品價(jià)格低廉，所以是最常見(jiàn)的交流 UPS 類(lèi)型,。在正常情況下,，離線(xiàn) UPS 將主電源從輸入端傳遞到輸出端，除了為與主電源電路并聯(lián)的電池充電外,，沒(méi)有其它交互作用,。如果主電源出現(xiàn)故障，UPS 將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轉(zhuǎn)換時(shí)間,，不能超過(guò) 10ms。10ms 的切換,，通常不會(huì)影響下游設(shè)備,，但可以保護(hù)對(duì)電壓波動(dòng)敏感的系統(tǒng)。

交流 UPS 有兩個(gè)子集：改進(jìn)的（模擬）正弦波輸出設(shè)備和純正弦波輸出設(shè)備,。每種的交流輸出都不相同。

改進(jìn)的正弦波設(shè)備從電池組獲取電壓,，并以最簡(jiǎn)單的形式創(chuàng)建與正弦波類(lèi)似的波形輸出,。雖然這種類(lèi)型的 UPS 成本相對(duì)較低，但也有一些缺點(diǎn),。電壓的大幅階躍會(huì)損壞下游設(shè)備的輸入電路,。這些巨大的階躍還會(huì)導(dǎo)致 UPS 輸出中產(chǎn)生大量的切換瞬變。這會(huì)導(dǎo)致小型 PC 和 PLC 電源模塊過(guò)早出現(xiàn)故障,。

純正弦波 UPS 會(huì)產(chǎn)生與 120/230V 主電源饋送的波形相同的正弦波形輸出,。純正弦波 UPS，是可編程邏輯控制器 (PLC),、分布式控制系統(tǒng) (DCS) 和工業(yè) PC（IPC）等敏感控制設(shè)備的更好選擇,。盡管需要更多的電路,，但由 UPS 供電的控制設(shè)備的使用壽命更長(zhǎng),，從而降低了總擁有成本。

關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用需要更先進(jìn)的 UPS,，即雙轉(zhuǎn)換或在線(xiàn) UPS,。這樣的 UPS 永遠(yuǎn)不會(huì)處于待機(jī)模式,。電池電路主動(dòng)連接到系統(tǒng)。如果主電源中斷,，則輸出不會(huì)出現(xiàn)中斷或電壓驟降,，從而實(shí)現(xiàn)電池的無(wú)縫運(yùn)行。在線(xiàn)系統(tǒng)具有內(nèi)置過(guò)濾和調(diào)節(jié)裝置,。在正常運(yùn)行期間,，它將輸入電源從交流轉(zhuǎn)換為直流,，然后通過(guò)逆變器再轉(zhuǎn)換為交流電。隔離可防止電壓波動(dòng)和輕微的輸入功率干擾,。這類(lèi) UPS 的價(jià)格更高,，體積也更大。

▎圖 2 ：離線(xiàn)式 UPS 在正常情況下將主電源從輸入 端傳遞到輸出端,，除了與主電源電路并聯(lián)的電池充 電電路外,，沒(méi)有其他互動(dòng)。

交流 UPS 的缺點(diǎn)是所有下游設(shè)備都是交流供電的,，并依賴(lài)于該 UPS,。控制柜應(yīng)用可能需要一個(gè)非常大的交流 UPS 來(lái)為所有下游設(shè)備供電,。如果交流 UPS 出現(xiàn)故障,，下游設(shè)備相應(yīng)的也會(huì)出現(xiàn)故障。分布式直流 UPS 可以節(jié)省成本和空間,。大多數(shù)控制柜都基于直流電壓,。交流 UPS 在入口處實(shí)現(xiàn)備用。對(duì)于直流 UPS,，后備電源則在交流 / 直流轉(zhuǎn)變之后實(shí)現(xiàn),。

負(fù)載可以分為緩沖負(fù)載和非緩沖負(fù)載。非緩沖負(fù)載是指可在主電源丟失期間斷電,，而不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障的設(shè)備,。交流 / 直流電源可以直接為這些負(fù)載供電。直流 UPS 將為執(zhí)行重 要功能的設(shè)備或緩沖負(fù)載供電,。這可以顯著降 低直流 UPS 的負(fù)載,。安培數(shù)降低，也就意味著更小的 UPS 規(guī)格和電池容量,。

直流 UPS 技術(shù)比交流 UPS 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,。直流產(chǎn)品不需要交流 - 直流轉(zhuǎn)換器或直流 - 交流逆變器。UPS 中的所有電壓,，都是 24Vdc,，屬于安全超低電壓 (SELV)。這使電源和電池組更有效,。將額外的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器用于其它 DC 電壓,，會(huì)在轉(zhuǎn)換中消耗更多的電流，并會(huì)寄生在系統(tǒng)上,。在功能更高級(jí)的 UPS 系統(tǒng)中,， 唯一的直流轉(zhuǎn)換發(fā)生在電池充電電路中。直流 UPS 系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載優(yōu)先,。優(yōu)先為連接到 UPS 的負(fù)載供電,。

當(dāng) UPS 以主電源模式為負(fù)載供電并為電池組充電時(shí),，UPS 將監(jiān)控負(fù)載電流。如果負(fù)載電流和充電電流組合會(huì)使主交流 / 直流電源過(guò)載,，UPS 將自動(dòng)降 低充電電流,，以防止過(guò)載。由于電路更簡(jiǎn)單,，直流 UPS 的體積通常比交流小,。一些模塊化直流 UPS 系統(tǒng)帶 有內(nèi)置診斷功能。有了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息,，就可以在故障發(fā)生前更換電池,，而不是靠猜測(cè)來(lái)更換電池。

▎圖3 ：在“在線(xiàn)”或 “雙轉(zhuǎn)換”配置中,， UPS 從不處于待機(jī)模式,。

電池是 UPS 系統(tǒng)的支柱。當(dāng)停電時(shí),，電池會(huì)繼續(xù)工作,。那么如何確保電池不是 UPS 的薄弱環(huán)節(jié)呢？在 工業(yè) UPS 應(yīng)用中,，常見(jiàn)電池類(lèi)型包括閥控鉛酸,、寬溫閥控鉛酸和磷酸鐵鋰的電池。

最常見(jiàn)的類(lèi)型是標(biāo)準(zhǔn)閥控式鉛酸蓄電池,，具有成本低、兼顧成本和容量的優(yōu)點(diǎn),，但耐用性不佳,。標(biāo)準(zhǔn)電池的標(biāo)稱(chēng)工作溫度為 0 至 40℃。它 們?cè)?27℃左右的恒溫房間內(nèi)表現(xiàn)最佳,。雖然它們?cè)谑芸丨h(huán)境中很常見(jiàn),，但許多工業(yè)應(yīng)用的溫度范圍為 -40 到 70℃，這會(huì)大大縮短閥控鉛酸電池的使用壽命,。

寬溫閥控鉛酸電池可在 -25 至 60℃的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行,。它們的使用 壽命比標(biāo)準(zhǔn)閥控鉛酸稍長(zhǎng)。它們通常 用于戶(hù)外應(yīng)用,?；瘜W(xué)性能與標(biāo)準(zhǔn)閥控 鉛酸不同，寬溫閥控鉛酸通常更大且價(jià)格更高,。在出現(xiàn)故障之前,，閥控鉛酸和寬溫閥控鉛酸電池可以運(yùn)行大約 250 到 300 個(gè)充電周期，因此閥控鉛酸可持續(xù)六個(gè)月,，而寬溫閥控鉛酸可持續(xù)一年半到兩年,。鋰電池壽命和溫度范圍與寬溫閥控鉛酸電池相似,。鋰電池最多可充電 7,000 次，從而延長(zhǎng)使用壽命,。鋰電池的成本可能是寬溫閥控鉛酸的 3 倍,，但性能更好。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來(lái)了更多互聯(lián)性,，設(shè)備也更智能,。通過(guò)可靠的網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議，UPS 性能數(shù)據(jù)可連接到工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò),，從而可以訪(fǎng)問(wèn)這些數(shù)據(jù),，使最終用戶(hù)能夠及時(shí)了解所安裝的 UPS 的電池性能。