Определение необходимой емкости батарей.

Для долгой и надёжной работы системы бесперебойного питания необходимо грамотно подобрать ёмкость батареи, её напряжение, количество паралельно включённых веток. А также максимально точно просчитать время автономной работы.

VRLA Батареи серии “Dynasty” для применения в системах бесперебойного питания.

Определение необходимой емкости батарей.

В соответствии со схематикой On-Line ИБП питающее напряжение электро сети 60 Гц/120 Вольт (АС напряжение) подается на вход выпрямителя/подзарядного устройства, которое выпрямляет напряжение (DC - напряжение постоянного тока) заряжает этим током батареи ИБП и питает преобразователь тока из постоянного в переменное напряжение (инвертер DC/AC). Далее инвертер DC/AC преобразует напряжение от выпрямителя или батарей в напряжение переменного тока и питает ответственную нагрузку на выходе ИБП. Трансформаторы и инвертер ИБП компенсируют провалы или скачки входного напряжения электро сети, а также осуществляют регулирование и коррекцию выходной частоты ИБП в независисмости от флюктуации частоты на входе ИБП.  В случае отсутствия входного напряжения на ИБП батареи являются источником энергии для инвертера DC/AC и обеспечивают непрерывное снабжение нагрузки переменным напряжением в течение определенного промежутка времени.

Размер (емкость) батареи определяется временем в течение которого инвертер DC/AC будет снабжать нагрузку напряжением переменного тока. Небольшие ИБП могут питать нагрузку в течение 10…180 минут. Для больших ИБП используются батареи, которые питают нагрузку в течение 10…30 минут.  Вполне достаточного времени для безопастного закрытия приложений или запуска дизель-генератора для долговременного питания нагрузки.

 

Разграничения по мощности систем ИБП.

 

Большие ИБП определяются по мощности в соответствие с выходной мощностью в Вольт-Амперах при соответствующем факторе выходной мощности.

 Например ИБП имеющий возможность подавать на нагрузку 120В при 4 амперах выходного тока и факторе выходной мощности 0.8 имеет мощность 384 Вата:

 384Вт = 120В х 4А х 0.8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Большие ИБП определяются по мощности в тысячах вольт-ампер или КВА при определенном факторе выходной мощности. Помимо прочего должна учитываться энергия, расходуемая на потери в процессе заряда батарей больших ИБП.  

 

Нагрузка на батареях ИБП и мощность батарей.

DC/AC инвертер ИБП подает постоянную мощность (в Вт) на нагрузку. В следствие этого инвертер является постоянной нагрузкой (в ВА) для батарей. Например, как показано на рисунке 3, если нагрузка на батареях изначально была 114 Вольт DC при 117 амперах DC (114 вольт х 117 ампер = 13,34 КВт), то нагрузка (инвертер) будет потреблять 133,4 ампера при 100 Вольт на батареях в процессе разряда батарей (133,4 ампера х 100 Вольт = 13,34 КВт). 
Рисунок 2.
 Батареи производят мощность в Ваттах (Вольт х Амперы) в процессе разрядки. Как показано на рисунке 2 каждая из 6 ячеек батарей производит 75 ампер тока при 2 вольт напряжения или 150 Ватт (2 Вольт х 75 Ампер = 150 Ватт). При 150 Ваттах с ячейки производимой мощности 6-ячейная батарея производит в общем 900Ватт энергии (0,9 КВт).

 Для удобства в определении мощности (емкости) батарей берется мощность в Ваттах одной ячейки при определенной длительности разрядки до опредленного конечного напряжения на этой ячейке. Определение мощности батареи производится при температуре 77 градусов по Фаренгейту (25 градусов по Цельсию). Например в таблице 1 перечислены мощности (емкости) батарей серии “Dynasty” при различных временах разрядки до определенного значения конечного напряжения разрядки на ячейке.

 Каталожный номер батарей серии “Dynasty” также отражает приблизительную емкость батареи. Например, батарея UPS12-370 – это 12-ти вольтовая батарея с 6-ю ячейками, имеющая возможность поставлять 370 Ватт энергии с каждой ячейки в течение 15 минут до конечного напряжения разрядки на ячейке 1,67 Вольт.

Таблица 1.

 Выбирая батареи для ИБП.

 Обычно нагрузка на батареях ИБП определяется в килоВаттах (КВт) вместе с номинальным напряжением шины постоянного тока ИБП, минимальным рабочим входным напряжением на инвертере DC/AC и необходимым временем автономной работы от батарей. 
Исходя из этой информации должно быть посчитано необходимое количество ячеек батарей необходимой мощности, при определенном значении конечного напряжения разряда на одной ячейке – и выбраны из таблицы 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Например, ИБП на 250ВА может использовать шину постоянного тока на 12В, где инвертер может работать при минимальном напряжении 10,5В. Нагрузка инвертера на батареи составит 300Вт, а необходимое время автономной работы 45 минут. Количество ячеек батарей может быть посчитано следующим образом:

Количество ячеек батарей = напряжение на шине постоянного тока / напряжение на одной ячейке батареи.

6 ячеек = 12 В DC / 2Вольта на ячейку.

Мощность одной ячейки может быть посчитана:

Ватты на ячейку = нагрузка инвертера на батареи / Количество ячеек.

50 Ватт на ячейку = 300Ватт / 6 ячеек.

Конечное напряжение разрядки на ячейке может быть посчитано так:

Конечное напряжение разряда на ячейке = Минимальное рабочее напряжение инвертора / Количество ячеек.

1,75В/ячейку = 10,5В / 6 ячеек

Для данного примера необходима батарея с 50 Ваттами на ячейке при 45 минутах разрядки разрядится до напряжения не менее 1,75В на ячейку. Из таблицы 1 подходит батарея UPS12-140 – имеющая мощность 54 Ватта на ячейку при 45 минут автономной работы и конечном напряжении разряда на ячейке 1,75 Вольта.

Для большего ИБП  мощностью 60КВА  должно быть использовано батарей на 360 Вольт постоянного тока при нагрузке инвертера на батареи 53 КВатта и 15 минутах необходимой автономной работы. Минимальное рабочее напряжение инвертера 300 Вольт.

В этом примере необходимо 1800 ячеек батарей (360 Вольт / 2 В на ячейку).

Мощность одной ячейки будет такова:

53КВатта / 180 Ячеек = 290Ватт на ячейку.

Минимальное напряжение на ячейке при разряде равно:

300Вольт / 180 Ячеек = 1,67 Вольт

Из таблицы 1 выбираем батарею UPS12-310, которая имеет емкость, дающую 310 Ватт на ячейке при 15 минутах автономной работы и конечном напряжении разряда на ячейке 1,67 Вольт. Поскольку для данного ИБП необходимо 180 ячеек, то необходимо установить 30 батарей в последовательном соединении.

Рабочие характеристики батарей и температура.

Рабочие характеристики батарей даны для температуры 77 градусов по Фаренгейту. Более низкие температуры снижают время автономной работы в то время как более высокие температуры увеличивают его. На рисунке 4 показана зависимость соотношения тока разрядки / мощность батареи от температуры батареи. Низкие температуры наисильнейшим образом ухудшают рабочие характеристики батарей для наиболее коротких времен разрядки. При 77 градусах по Фаренгейту (25градусах по Цельсию) для 15 минут автономной работы батарея имеет 100% соотношения тока разрядки к мощности батареи. При температуре батареи 70 и 60 град. Ф. Это соотношение равно 96% и 91% процент соответственно.

Рисунок 4.

 Когда температура батареи может оказаться ниже чем 77 град. Ф. при определенном времени автономной работы, необходимо брать более мощные батареи для компенсации пемпературных ухудшений рабочих характеристик.

 

 

 

 

 

 

В предыдущем примере 290 Ватт на ячейку нужны были для 15 минут автономной работы. Если время автономии расчитывать для 60 град Ф. мощность батареи 290 Ватт на ячейку должна быть при 91% эффективности. Для этой температуры нужно брать батарею с 318 Ваттами на ячейку (290 / 0,91 = 318). Для температуры в 60 град. Ф. нужно брать батарею UPS12-370, которая при температуре 77 град. Ф. обеспечивает 21 минуту автономной работы.

Возраст батареи и их характеристики.

Обычно VRLA  батареи улучшают свои рабочие характеристики в течение первых 5% от их срока службы, затем наблюдается стабилизация рабочих характеристик на приблизительно 100% уровне до истечения 70% срока службы. Момент когда емкость батареи упадет до 80% считается моментом окончания срока службы батареи (смотри рисунок 5).

Рисунок 5.

Когда от батареи требуется 15 минут автономной работы при окончании срока ее службы (когда емкость батареи упала до 80% от начальной) необходимо пропорционально увеличивать емкости батарей для компенсации возрастных ухудшений рабочих характеристик.

В предыдущем примере 318 Ватт с ячейки новой батареи обеспечивали 15 минут автономной работы при 60 град. Ф. Для тех же требуемых 15 минут автономной работы но для батареи в конце срока жизни изначально нужно брать более мощную новую батарею с 398 Ваатами на ячейку (318 Ватт / 0,8 = 398 Ватт). Из таблицы 1 выбираем батарею UPS12-475, которая обеспечивает 290 Ватт на ячейку при 30…40 минутах автономии ( в среднем 33 минуты) при 77 град. Ф., когда батарея новая.

Расчет нагрузки подаваемой на батареи в ИБП.

Очень часто мощность нагрузки на батареи, создаваемой инвертером, не дается и должна быть расчитана.  Потребляемая мощность инвертера зависит от выходной мощности ИБП в КВА и эффективности инвертера. Для инвертера с эффективностью 0,93 потребляемая мощность инвертера 100КВА ИБП, а следовательно мощность нагрузки на батареи равна:

Мощность нагрузки на батареи = ИБП КВА х фактор выходной мощности / Эффективность инвертера;

86,02 Кватт (батарей) = 100КВА х 0,8 / 0,93.

Расчет минимального и максимального количества ячеек батарей.

В некоторых случаях требуется расчитать необходимое количество ячеек батарей, необходимых для работы конкретого ИБП. Для этого необходимо знать максимальное рабочее напряжение выпрямитель/подзарядное устройство может подать на батареи при подзарядке и минимальное рабочее напряжение инвертера.

Максимальное количество ячеек.

Максимальное количество ячеек батарей может быть посчитано как максимальное напряжение подзарядного устройства ИБП деленное на рекомендованное напряжение подзарядки на каждой ячейке:

Максимальное количество ячеек батарей = Максимальное напряжение на выходе подзарядного устройства / Рекомендованное напряжение подзарядки ячейки

Например, максимальное напряжение на выходе блока подзарядки 460 Вольт DC и рекомендованное напряжение подзарядки 2,4 Вольт/на ячейку, то максимальное количество ячеек батарей:

191,7 ячеек максимум = 460 Вольт /2,4 Вольт

Минимальное количество ячеек.

Минимальное количество ячеек это соотношение между минимальным рабочим напряжением на входе инвертера и выбранным конечным напряжением разряда ячейки.

Минимальное количество ячеек = Минимальное рабочее напряжение инвертера / выбранное конечное напряжение разряда на ячейке.

Например, ИБП из предыдущего примера работал от батарей 15 минут до минимального напряжения разряда батарей в 299 Вольт DC при выбранном значении конечного напряжения разряда на ячейке батареи в размере 1,67 Вольта, минимальное количество ячеек батарей будет:

179 ячеек минимум = 299 Вольт / 1,67 Вольт

Оптимальное количество ячеек.

В этом конкретном примере количество ячеек батарей лежит между 179 и 192. Обычно количество ячеек выбирают кратным 6 или 3, так как серия батарей Dynasty имеет 3 или 6 ячеек в батарее. Выбираем число в 180 ячеек.

В процессе расчета необходимого количества ячеек батарей может получится что требуемая мощность на ячейке немного больше этого значения для выбранной конкретной батареи. В этом случае дополнительные 6 или 3  ячейки могут быть добавлены в цепочку батарей и новые значения необходимой мощности ячейки и конечного напряжения разряда могут быть посчитаны. Добавляя лишние ячейки в расчет может получится так что и не будет необходимости использовать более мощные батареи – может получится более экономичная система.

Работа цепочек батарей в параллель.

После расчета необходимой мощности одной ячейки, количество Ватт может превосходить число Ватт на ячейке конкретной батареи. В этом случае можно воспользоваться соединением батарей в паралель.

Из предыдущих примеров получается, что необходима батарея с 1200Ватт на ячейке, общее количество ячеек 180 и конечное напряжение разряда 1,67 Вольт на ячейке после 15 минут разряда. Наимощнейшая батарея UPS6-620 имеет мощность ячейки 620 Ватт. Тем не менее можно воспользоваться соединением в параллель двух цепочек из 180 ячеек батарей как показано на рисунке 6. Параллельное соединение цепочек дает 1240 Ватт мощности каждой условной ячейки.

Обычно для ИБП систем со 120 ячейками батарей и больше не более четырех параллельных цепочек батарей рекомендуется использовать, исходя из требований регулярного обслуживания и количества соединений под болт.

Следующие рекомендации должны быть учтены при работе параллельных цепочек батарей:

-       Батареи должны быть одного и того же каталожного номера.

-       Каждая цепочка  должна быть присоединена к индивидуальному коннектору.

-       Длина соединений между батареями и ее размеры должны быть одинаковы для каждой цепочки батарей – для достижения одинакового сопротивления каждой цепочки.

-       Должны выбираться кабели соединения в стандарте “NEC” – с определенным значением линейных потерь напряжения и допустимого тока.

-       Все цепочки должны соединяться в параллель в отдельных “J” – ящиках или в ИБП.

-       Количество параллельных цепочек не должно превышать четырех.