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图片来源 ：菲尼克斯电气
工业物联网 (IIoT) 依赖于快速准确的通信。关键控制系统无法承受瞬时电源中断，因为这可能会导致工业 PC 或控制器的崩溃。不间断电源 (UPS) 可以防止此类事件的发生。了解 UPS 的基础知识和下面的五方面注意事项，有助于为工业应用选择合适的 UPS 电源。
定义 UPS 的应用需求
UPS 将为哪种负载供电——交流还是直流？传统系统倾向于使用交流电源运行，因此旧系统的改造也就需要交流电源。在过去的 20 年中，工业 PC 市场的增长已转向直流电源。应当充分考虑功率和运行时间的要求，仔细 UPS 的规格并建立切合实际的期望。
如果持续停电，UPS 可确保控制平台安全有序地关闭，从而避免数据丢失、系统崩溃或故障。在设计系统时，请选择合适的电池容量，以便在关闭 PC 或主电源在合理时间内恢复之前，允许系统运行一段时间。超大规格的电池系统，充电的时间可能更长。
大多数 UPS 制造商使用行业标准类型。一些制造商只提供一种技术，例如阀控铅酸 (VRLA)。而其它公司将提供多种产品控制工程网版权所有，例如阀 控铅酸、宽温阀控铅酸和磷酸铁锂等。不同的电池在性能和使用寿命上有所不同。
理想情况下，UPS 将提供电池系统的多个健康状态监测点，因此操作人员可以在电池发生故障前采取预防措施。大多数 UPS 使用 LED，少数则提供具有固定阈值点的干结点输出。较新的 UPS 系统提供上述方法www.cechina.cn，并将数据集成到通过工业以太网协议进行通信的控制平台中。
图 1 ：随着工业物联网和大数据在工业应用中的广泛实施，可靠的电力比以往任何时候都更重要。为应用选择合适的 UPS 系统，可以防止电源中断可能导致的问题和成本。图片来源 ：菲尼克斯电气
分布式交流 UPS 技术
在以交流电压运行的控制系统中，交流 UPS 最合适。离线或待机拓扑结构非常简单明了。这些产品价格低廉，所以是最常见的交流 UPS 类型。在正常情况下，离线 UPS 将主电源从输入端传递到输出端CONTROL ENGINEERING China版权所有，除了为与主电源电路并联的电池充电外，没有其它交互作用。如果主电源出现故障，UPS 将从主电源电路切换到电池电路。从 UPS 失去主电源到电池供电的转换时间，不能超过 10ms。10ms 的切换CONTROL ENGINEERING China版权所有，通常不会影响下游设备，但可以保护对电压波动敏感的系统。
交流 UPS 有两个子集：改进的（模拟）正弦波输出设备和纯正弦波输出设备。每种的交流输出都不相同。
改进的正弦波设备从电池组获取电压，并以最简单的形式创建与正弦波类似的波形输出。虽然这种类型的 UPS 成本相对较低，但也有一些缺点。电压的大幅阶跃会损坏下游设备的输入电路。这些巨大的阶跃还会导致 UPS 输出中产生大量的切换瞬变。这会导致小型 PC 和 PLC 电源模块过早出现故障。
纯正弦波 UPS 会产生与 120/230V 主电源馈送的波形相同的正弦波形输出。纯正弦波 UPS，是可编程逻辑控制器 (PLC)、分布式控制系统 (DCS) 和工业 PC（IPC）等敏感控制设备的更好选择。尽管需要更多的电路，但由 UPS 供电的控制设备的使用寿命更长，从而降低了总拥有成本。
关键任务应用需要更先进的 UPS，即双转换或在线 UPS。这样的 UPS 永远不会处于待机模式。电池电路主动连接到系统。如果主电源中断，则输出不会出现中断或电压骤降，从而实现电池的无缝运行。在线系统具有内置过滤和调节装置。在正常运行期间，它将输入电源从交流转换为直流，然后通过逆变器再转换为交流电。隔离可防止电压波动和轻微的输入功率干扰。这类 UPS 的价格更高，体积也更大。
图 2 ：离线式 UPS 在正常情况下将主电源从输入 端传递到输出端CONTROL ENGINEERING China版权所有，除了与主电源电路并联的电池充 电电路外，没有其他互动。
分布式直流 UPS 设计
交流 UPS 的缺点是所有下游设备都是交流供电的，并依赖于该 UPS。控制柜应用可能需要一个非常大的交流 UPS 来为所有下游设备供电。如果交流 UPS 出现故障，下游设备相应的也会出现故障。分布式直流 UPS 可以节省成本和空间。大多数控制柜都基于直流电压。交流 UPS 在入口处实现备用。对于直流 UPS，后备电源则在交流 / 直流转变之后实现。
负载可以分为缓冲负载和非缓冲负载。非缓冲负载是指可在主电源丢失期间断电，而不会导致系统故障的设备。交流 / 直流电源可以直接为这些负载供电。直流 UPS 将为执行重 要功能的设备或缓冲负载供电。这可以显著降 低直流 UPS 的负载。安培数降低，也就意味着更小的 UPS 规格和电池容量。
直流 UPS 技术比交流 UPS 设计简单。直流产品不需要交流 - 直流转换器或直流 - 交流逆变器。UPS 中的所有电压，都是 24Vdc，属于安全超低电压 (SELV)。这使电源和电池组更有效。将额外的 DC/DC 转换器用于其它 DC 电压，会在转换中消耗更多的电流，并会寄生在系统上。在功能更高级的 UPS 系统中， 唯一的直流转换发生在电池充电电路中。直流 UPS 系统可以实现负载优先。优先为连接到 UPS 的负载供电。
当 UPS 以主电源模式为负载供电并为电池组充电时，UPS 将监控负载电流。如果负载电流和充电电流组合会使主交流 / 直流电源过载，UPS 将自动降 低充电电流，以防止过载。由于电路更简单，直流 UPS 的体积通常比交流小。一些模块化直流 UPS 系统带 有内置诊断功能。有了实时监测信息，就可以在故障发生前更换电池，而不是靠猜测来更换电池。
图3 ：在“在线”或 “双转换”配置中， UPS 从不处于待机模式。
工业 UPS 电池
电池是 UPS 系统的支柱。当停电时，电池会继续工作。那么如何确保电池不是 UPS 的薄弱环节呢？在 工业 UPS 应用中，常见电池类型包括阀控铅酸、宽温阀控铅酸和磷酸铁锂的电池。
最常见的类型是标准阀控式铅酸蓄电池，具有成本低、兼顾成本和容量的优点，但耐用性不佳。标准电池的标称工作温度为 0 至 40℃。它 们在 27℃左右的恒温房间内表现最佳。虽然它们在受控环境中很常见，但许多工业应用的温度范围为 -40 到 70℃，这会大大缩短阀控铅酸电池的使用寿命。
宽温阀控铅酸电池可在 -25 至 60℃的温度范围内运行。它们的使用 寿命比标准阀控铅酸稍长。它们通常 用于户外应用。化学性能与标准阀控 铅酸不同，宽温阀控铅酸通常更大且价格更高。在出现故障之前，阀控铅酸和宽温阀控铅酸电池可以运行大约 250 到 300 个充电周期，因此阀控铅酸可持续六个月，而宽温阀控铅酸可持续一年半到两年。锂电池寿命和温度范围与宽温阀控铅酸电池相似。锂电池最多可充电 7,000 次www.cechina.cn，从而延长使用寿命。锂电池的成本可能是宽温阀控铅酸的 3 倍，但性能更好。
连接 UPS 数据
工业物联网的发展带来了更多互联性，设备也更智能。通过可靠的网络和协议，UPS 性能数据可连接到工业以太网网络，从而可以访问这些数据，使最终用户能够及时了解所安装的 UPS 的电池性能。（作者：Ken Allwine）
关键概念：
■ 在选择 UPS 之前应先定义 UPS 的应用需 求。
■ 了解分布式交流和直流 UPS 设计。
■ 考虑电池的性能和通信。
思考一下：
可靠的 UPS 电源系统可以在多大程度上防止关键控制系统因停电故障？
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