蓄电池容量的计算与选择
在查曲线前,首先计算出放电电流值Id
:
式中,Id—放电电流(A);
S—UPS额定功率(VA);
F—负载功率因数,F≤1;
η—逆变器效率,η≤1;
k—负载的利用系数;
Umin—UPS关机前瞬间的电池电压(V)。
例1:一功率因数为0.8的10kVA的负载,市电断电后要求延时8h。用户要求采用100Ah电池,需多少节?
解:根据要求选某标称值为15kVA的UPS,已知逆变器效率η=0.95,直流电压采用16节12V蓄电池,负载利用系数k取1。
往往有这种情况,供应商为了降低价格,提高竞争力,擅自将负载利用系数选小,并说出一段“根据”,在初期用户不知就里的情况下,就抢占了先机。对用户以后的增容埋下了隐患。一般这个负载利用系数k应当由用户自己来选。供应商以选1为宜。按一般情况计算,额定直流电压应为
Un=12V×16=192V(2)
浮充电压为Uf=(2.25×6)×16=216(V)(3)
逆变器的关机电压为Umin=(1.75V×6)×16=168V(4)
首先根据式(1)求出满载时的放电电流Id:
在上式中为什么采用了Umin,而不是Un或Uf呢?这是因为电池放电到最低电压Umin时才使逆变器关机的,也就是说逆变器的关机只和Umin有关,
其含义是:在UPS关机前瞬间仍能提供100%的功率。为了说明这个问题,分别将Un和Uf代入式(1)，求出相应的放电电流:In=44A,If=39A。
是否将得出的放电电流安培数乘上所要求的后备时间就是电池的总安时数呢?有不少使用者就是这样做的。用三个不同的电流值和后备时间相乘得到以下三个电池容量:
Cn=44A×8h=352Ah,总容量Cnt=352Ah×16=5632Ah
Cf =39A×8h=312Ah,总容量Cft=312Ah×16=4992Ah
Cd=50.13A×8h=401Ah,总容量Cdt=401Ah×16=6416Ah
上面这三个总容量值相互之间差之甚远,尤其是Cdt和Cft之间差了1424Ah,放到UPS上就是相差15节蓄电池!如果一节100Ah的蓄电池按800元计,就是12000元之差,而目前15kVA的UPS约40000元,这约为UPS价格的三分之一。尤其值得注意的是由于电池容量相差悬殊,就会把用户搞糊涂:到底哪一个容量值对呢?哪一个电池容量值才能满足要求呢?电池容量小了尽管使价格下降,但却埋下了使用户蒙受损失的隐患。
上面只是容量之差引发的一些担心,因为电池总容量还没有最后确定,孰对孰错有待进一步分析。由于电池的放电电流增大时呈非线性放电规律,单靠计算是不能得出正确结果的。因此还需查如图1所示的放电曲线,这是松下电池100Ah的放电曲线,从图1中可以看出,这里有四条不同温度下的放电曲线,从左至右依次为-15℃,0℃,25℃和40℃。作为一个例子,这里仅查对应25℃的一条曲线。有两种查法:由时间查电流法和由电流查时间法。
由时间查电流法 从8h的一条横线向右找到对应25℃的一条曲线交点,此点有一条垂直的虚线向下与电流轴相交于约17A处,就是说,一组100Ah的16节电池,在以17A电流放电时,才能给出8h。17A约为50A的四分之一,按冗余设计,所以需采用四组100Ah的16节电池(即64节)才能满足要求。 由电流查时间法 从50A处向上作垂线找到与对应25℃的一条曲线交点,约2h,要满足8h的延时时间也需用四组电池(即64节)才能满足要求。
由此可以看出,用Cn和Cf 选择电池容量的方法是不对的。是否可以得出Cd =Id ×延迟时间的小时数h是正确的结论呢?不一定。在这里是碰巧了,因为4组电池,每组电池的放电电流都接近10h放电率,所以结果相近,在另外的场合就不一定了。
例2:一功率因数为0.8的25kVA的负载,市电断电后要求延时1h。用户要求采用100Ah电池,需多少节?
解:根据要求选某标称值为30kVA的UPS,已知逆变器效率η=0.95,直流电压也采用16节12V蓄电池的Umin=168V,根据式(1)求出满载时的放电电流为
根据Cd=Id×延时时间小时数h得出电池容量为125Ah,正好满足要求;若用上述两种方法查图1的曲线:
由时间查电流法:从1h向右找到对应25℃的一条曲线交点为75A,电池的倍数应是125/75=1.67,即167Ah; 2 由电流查时间法:从125A向上找到与对应25℃的一条曲线交点,约37min,电池容量的倍数60/37=1.62,即162Ah。两种查曲线方法的5Ah之差是由于估计误差所致。
由这个例子可以看出,两种查曲线方法得出的电池容量差了37Ah,接近电池总容量的三分之一。所以Cd =Id ×延时时间小时数h只有在特殊情况下才可使用。
在查表前,首先计算出放电功率值Pd:
式中,Pd —放电功率,单位是A;
P—UPS额定功率,单位是VA;
F—负载功率因数,F≤1;
η—逆变器效率,η≤1。
例1:一功率因数为0.8的10kVA的负载,市电断电后要求延时8h。用户要求采用100Ah电池,需多少节?
解:根据要求选某标称值为15kVA的UPS,已知逆变器效率η=0.95,直流电压采用16节12V蓄电池,按一般情况计算,放电功率应为
表1的上表是100Ah恒功率放电表,表内所列:
最左端为12V电池的放电终止电压,该例中取10.5V。最上一排是电池的放电时间。
其余各格内是对应终止电压和放电时间的功率数,比如2h就放电到10.5V,这时的放电功率应是330W,换言之:一节100Ah的电池,如果以330W的恒功率放电,在2h末,其电池端电压就降到了10.5V。
从放电表中还可以看到,表中无8h对应的功率,只有6h和10h,碰到这种情况应如何办?是否可近似取相邻二值(这里是6h和10h)的平均值,去除所得放电功率值Pd。于是就可求出100Ah电池的数量nw:
和查曲线得出的4组电池(64节)相差甚远,此法误差太大。
若用表1中下表的恒电流放电表来求出100Ah电池组的数量nA,按式(5)Id=50A,在表1中对应终止电压为10.5V,取6h和10h的放电电流值,则
这时电池的总容量为100Ah×16×4=6400Ah
和查曲线得出的4组电池(64节)6400Ah相吻合。不过由此可能要提出两个问题:
为什么用恒功率放电表得出的是电池的节数,用恒电流放电表得出的不是节数而是组数呢? 为什么用恒功率放电表得出的电池节数和用恒电流放电表或曲线得出的电池数量不一样呢?
对以上两个问题逐一进行讨论:
从式(7)中可以看出,该式中的量纲是功率单位(W),得出的结果是负载需要电池给出8421W的功率。而恒功率放电表中表示的是在满足后备时间的前提下一个电池所能给出的功率,一个电池大约可以给出的功率(143+82)/2=112.5(W),所以用这个值去除总功率数得出的当然是电池的数量。 50A是由式(5)得来,式中的168V是一组电池的串联电压值,串联连接的所有电池都流过同一个电流。而在恒电流放电表中表示的是一个电池(也就是一组电池)流过的电流,用一组电池流过的电流去除总电流数,得出的就是并联的电池组数。 实际上应该是一样的,比如利用式(4)和式(5)求得的50A×168V=8421.84W与式(7)相符。用恒功率放电表求得的误差较大,是因为没有8h对应的或非常相近的值,所以只好用平均值。但这并不影响电池容量的选择,因为这种电池没有恰当的对应值,其他品牌的也许会有,如果非要认真地去做,不妨用另一个品牌去验证,因为一般同容量正规电池的性能是相近的。表2给出的是SenryFM65(65Ah)恒功率放电表,此中有对应8h的数据。从表中可以看出,在8h放电到终止电压1.75V时的恒功率数是14W。要注意:这里放电的终止电压是1.75V,而不是10.5V,这说明表中的功率值不是12V组合电池的放电功率,而是一个单元电池的放电功率,因此得出的数量是单元电池数,把这个数再除以6才是12V的电池数。因此得:N=(8421W÷14W)÷6≈100(只)但这里的只数是65Ah,总容量为6500Ah。这和上面的结果就一致了,但每一组仅有16只,所以实际中只能配6组(96只)或7组(112只)。
在上述各放电表中的最左边一列表示的是电池放电的终止电压。由此有可能提出两个问题:为什么两个表的值不一样呢,他们的含义是什么?为什么会有着么多的终止值,这些值有什么用处呢?
关于放电终止值不一样的问题 表1中恒功率放电表和表2实际上是一致的,表1给出的是6个2V单元电池组成12V电池后的放电终止值;表2给出的是1个2V单元电池的放电终止值,两者的对应关系见表3。 关于有许多放电终止值的问题 厂家给出如此多的放电终止值,主要是为了用户的方便。因为一般用户大都没有这样的恒流或恒功率放电条件,而在实际应用中又确实需要这些数据,比如32节12VUPS逆变器的关机电压就不能低于315V,因为在输出交流220V的情况下,其峰值电压为311V,如果再加上逆变器功率管的导通压降已接近315V。如果再加上输出滤波器的压降,这个电压已非常紧张了。即使有变压器的情况,变压器的输入电压范围也不是无限的。因为一般三相输出的UPS逆变器输出电压为220V,不论是输出端接变压器还是不接变压器,在输出220V的情况下,其输出电压峰值311V是不变的,为了保证这个电压,逆变器的输入直流电压必须高于它,如图2所示。 在这个例子中可以看出,当加到逆变器上的直流电压足够大时,其脉宽输出所包含的正弦波波形是非常好的。对输入端加变压器的负载尤为不利。
