圖片來源 ：菲尼克斯電氣

作者 | Ken Allwine

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關鍵控制系統需要配置不間斷電源(UPS)，來預防可能導緻控制器崩潰的瞬時電源中斷。

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工業物聯網 (IIoT) 依賴于快速準确的通信。關鍵控制系統無法承受瞬時電源中斷，因為這可能會導緻工業 PC 或控制器的崩潰。不間斷電源 (UPS) 可以防止此類事件的發生。了解 UPS 的基礎知識和下面的五方面注意事項，有助于為工業應用選擇合适的 UPS 電源。

UPS 将為哪種負載供電——交流還是直流？傳統系統傾向于使用交流電源運行，因此舊系統的改造也就需要交流電源。在過去的 20 年中，工業 PC 市場的增長已轉向直流電源。應當充分考慮功率和運行時間的要求，仔細 UPS 的規格并建立切合實際的期望。

如果持續停電，UPS 可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，請選擇合适的電池容量，以便在關閉 PC 或主電源在合理時間内恢複之前，允許系統運行一段時間。超大規格的電池系統，充電的時間可能更長。

大多數 UPS 制造商使用行業标準類型。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種産品，例如閥 控鉛酸、寬溫閥控鉛酸和磷酸鐵锂等。不同的電池在性能和使用壽命上有所不同。

理想情況下，UPS 将提供電池系統的多個健康狀态監測點，因此操作人員可以在電池發生故障前采取預防措施。大多數 UPS 使用 LED，少數則提供具有固定阈值點的幹結點輸出。較新的 UPS 系統提供上述方法，并将數據集成到通過工業以太網協議進行通信的控制平台中。

▎圖 1 ：随着工業物聯網和大數據在工業應用中的廣泛實施，可靠的電力比以往任何時候都更重要。為應用選擇合适的 UPS 系統，可以防止電源中斷可能導緻的問題和成本。圖片來源 ：菲尼克斯電氣

在以交流電壓運行的控制系統中，交流 UPS 最合适。離線或待機拓撲結構非常簡單明了。這些産品價格低廉，所以是最常見的交流 UPS 類型。在正常情況下，離線 UPS 将主電源從輸入端傳遞到輸出端，除了為與主電源電路并聯的電池充電外，沒有其它交互作用。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轉換時間，不能超過 10ms。10ms 的切換，通常不會影響下遊設備，但可以保護對電壓波動敏感的系統。

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

改進的正弦波設備從電池組獲取電壓，并以最簡單的形式創建與正弦波類似的波形輸出。雖然這種類型的 UPS 成本相對較低，但也有一些缺點。電壓的大幅階躍會損壞下遊設備的輸入電路。這些巨大的階躍還會導緻 UPS 輸出中産生大量的切換瞬變。這會導緻小型 PC 和 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 (DCS) 和工業 PC（IPC）等敏感控制設備的更好選擇。盡管需要更多的電路，但由 UPS 供電的控制設備的使用壽命更長，從而降低了總擁有成本。

關鍵任務應用需要更先進的 UPS，即雙轉換或在線 UPS。這樣的 UPS 永遠不會處于待機模式。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，從而實現電池的無縫運行。在線系統具有内置過濾和調節裝置。在正常運行期間，它将輸入電源從交流轉換為直流，然後通過逆變器再轉換為交流電。隔離可防止電壓波動和輕微的輸入功率幹擾。這類 UPS 的價格更高，體積也更大。

▎圖 2 ：離線式 UPS 在正常情況下将主電源從輸入 端傳遞到輸出端，除了與主電源電路并聯的電池充 電電路外，沒有其他互動。

交流 UPS 的缺點是所有下遊設備都是交流供電的，并依賴于該 UPS。控制櫃應用可能需要一個非常大的交流 UPS 來為所有下遊設備供電。如果交流 UPS 出現故障，下遊設備相應的也會出現故障。分布式直流 UPS 可以節省成本和空間。大多數控制櫃都基于直流電壓。交流 UPS 在入口處實現備用。對于直流 UPS，後備電源則在交流 / 直流轉變之後實現。

負載可以分為緩沖負載和非緩沖負載。非緩沖負載是指可在主電源丢失期間斷電，而不會導緻系統故障的設備。交流 / 直流電源可以直接為這些負載供電。直流 UPS 将為執行重 要功能的設備或緩沖負載供電。這可以顯著降 低直流 UPS 的負載。安培數降低，也就意味着更小的 UPS 規格和電池容量。

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。将額外的 DC/DC 轉換器用于其它 DC 電壓，會在轉換中消耗更多的電流，并會寄生在系統上。在功能更高級的 UPS 系統中， 唯一的直流轉換發生在電池充電電路中。直流 UPS 系統可以實現負載優先。優先為連接到 UPS 的負載供電。

當 UPS 以主電源模式為負載供電并為電池組充電時，UPS 将監控負載電流。如果負載電流和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 的體積通常比交流小。一些模塊化直流 UPS 系統帶 有内置診斷功能。有了實時監測信息，就可以在故障發生前更換電池，而不是靠猜測來更換電池。

▎圖3 ：在“在線”或 “雙轉換”配置中， UPS 從不處于待機模式。

電池是 UPS 系統的支柱。當停電時，電池會繼續工作。那麼如何确保電池不是 UPS 的薄弱環節呢？在 工業 UPS 應用中，常見電池類型包括閥控鉛酸、寬溫閥控鉛酸和磷酸鐵锂的電池。

最常見的類型是标準閥控式鉛酸蓄電池，具有成本低、兼顧成本和容量的優點，但耐用性不佳。标準電池的标稱工作溫度為 0 至 40℃。它 們在 27℃左右的恒溫房間内表現最佳。雖然它們在受控環境中很常見，但許多工業應用的溫度範圍為 -40 到 70℃，這會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℃的溫度範圍内運行。它們的使用 壽命比标準閥控鉛酸稍長。它們通常 用于戶外應用。化學性能與标準閥控 鉛酸不同，寬溫閥控鉛酸通常更大且價格更高。在出現故障之前，閥控鉛酸和寬溫閥控鉛酸電池可以運行大約 250 到 300 個充電周期，因此閥控鉛酸可持續六個月，而寬溫閥控鉛酸可持續一年半到兩年。锂電池壽命和溫度範圍與寬溫閥控鉛酸電池相似。锂電池最多可充電 7,000 次，從而延長使用壽命。锂電池的成本可能是寬溫閥控鉛酸的 3 倍，但性能更好。

工業物聯網的發展帶來了更多互聯性，設備也更智能。通過可靠的網絡和協議，UPS 性能數據可連接到工業以太網網絡，從而可以訪問這些數據，使最終用戶能夠及時了解所安裝的 UPS 的電池性能。

關鍵概念：

■ 在選擇 UPS 之前應先定義 UPS 的應用需 求。

■ 了解分布式交流和直流 UPS 設計。

■ 考慮電池的性能和通信。

思考一下：

可靠的 UPS 電源系統可以在多大程度上防止關鍵控制系統因停電故障？

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