1.3 弱電系統供電電源

弱電系統采用了很多計算機和數字化設備，為防止數據丟失，這些設備不允許突然停電，供電系統均需備有不間斷供電電源（UPS）。系統的供電電源雖然耗電量不大，但用電要求較復雜，不僅有交流供電、直流供電，還有柴油機應急發電供電和UPS。為了消除交流電源紋波對弱電系統產生干擾，對交流電源的波形失真有較嚴格的規定。

1.3.1 交流供電電源

不同類型建筑物的供電要求也不相同。建筑物中的重要負荷（如弱電系統和計算機房等）設備應確保不發生突然停電事故。交流電源供電方式有兩種方案：

1）兩路380/220V交流市電輸入自動交互切換+專為弱電系統計算機設備供電的UPS不間斷供電電源，如圖1-4所示。優點是兩路市電自動切換可在瞬間完成，UPS的供電持續時間不需很長（不超過15～30min）；可滿足整個大樓所有用電設備供電。

2）一路380/220V交流市電輸入和一路柴油機自發電源輸入+專為弱電系統計算機設備供電的UPS。市電與柴油發電機電源自動切換，如圖1-5所示。備用自發電系統可滿足整個大樓所有用電設備的供電需求，優點是供電可靠性高。市電與自發電電源自動切換的間隙時間約需5～10min。

圖1-4 兩路市電電源和UPS交流供電自動切換系統

圖1-5 一路市電電源+柴油發電機組和UPS交流供電自動切換系統

1.3.2 UPS

弱電系統的計算機設備不允許有斷電間隙，因此不管何種交流供電方案，都需為計算機設備專門配置不間斷供電電源（Uninterruptable Power System，UPS）。當電網一旦斷電時，UPS可將蓄電池的直流電能進行無縫切換變為交流電能，及時給負載系統繼續供電。

UPS可按輸出功率容量大小、供電方式（在線式或后備式）和供電持續時間分類。最常用的在線式UPS的工作原理是，通過整流器把380/220V交流市電轉換為直流電能，然后再用逆變器把直流電能轉換為380/220V交流電能，向負載供電，如圖1-6所示。

整流器的直流輸出還向蓄電池組進行浮充電。當輸入交流電源失電時，由蓄電池組向UPS逆變器供電，轉換為380/220V交流電能，繼續向負載供電。

圖1-6 在線式UPS原理圖

1.UPS的額定輸出功率和波形

UPS的額定輸出功率均以電阻性負載為依據，不宜連接電感性負載（如電動機和磁飽和穩壓器等）或電容性負載（如打印機等）。UPS的實際負載能力約等于其標稱值的70%。如果負載需要較大啟動電流時，應按啟動電流計算。UPS輸出功率的大小取決于整流器和逆變器的功率容量。

UPS的輸出波形有方波輸出和正弦波輸出兩類。方波輸出逆變器的轉換效率高，常用于后備式UPS。正弦波輸出逆變器的轉換效率較低，但電源引起的干擾小，應用更普遍。

2.蓄電池組的電氣特性

蓄電池是決定UPS供電持續時間長短的設備，UPS普遍采用VRLA固定型閥控密封鉛酸蓄電池組，這類蓄電池在充放電時不逸出氣體，不會漏液，不需補充電液，使用方便。

單體（單節）蓄電池的標稱額定電壓為2V。額定容量的單位為安時（Ah）。

固定型閥控密封鉛酸蓄電池的命名方法為GFM—???Ah（見圖1-7）。其中字母G代表固定安裝型；F代表閥控型；M代表密封型；???Ah代表額定安時容量。

1）單體蓄電池通過串聯組成的電池組可提高輸出電壓，蓄電池常用電壓規格有2V（單體電池）、12V、24V、48V等數種。

2）單體蓄電池通過并聯組成的電池組可增大安時（Ah）容量。常用規格有：

2V系列：100Ah、200Ah、300Ah、400Ah等；

12V系列：4Ah、7Ah、12Ah、17Ah、24Ah、48Ah、65Ah、80Ah、100Ah、150Ah、200Ah等；

24V系列：50Ah、75Ah、100Ah、200Ah等。

圖1-7 固定型閥控密封鉛 酸蓄電池典型外形

蓄電池浮充工作模式是指在市電正常時，蓄電池與整流器并聯運行。蓄電池自放電引起的容量損失在浮充過程中被補足。當市電中斷時，由蓄電池單獨向負載（UPS逆變器）放電。浮充工作方式下的蓄電池，由于充放電循環次數少，自放電和淺放電后的電量能迅速補足，所以蓄電池的使用壽命較長。2V單體蓄電池的正常浮充電壓為2.23V。充電電流隨充電電壓的提高而增加。

（1）蓄電池的放電特性。蓄電池的放電容量隨放電電流的增大而減小。

例如：GFM—4Ah，4Ah/2V單體蓄電池在25℃時的容量-放電特性：

5min放電率：放電電流為16.2A，終止電壓為1.60V/單體，容量為1.40Ah。

15min放電率：放電電流為7.2A，終止電壓為1.60V/單體，容量為1.9Ah。

30min放電率：放電電流為4.7A，終止電壓為1.60V/單體，容量為2.36Ah。

1h放電率：放電電流為2.7A，終止電壓為1.70V/單體，容量為3.4Ah。

4h放電率：放電電流為0.93A，終止電壓為1.70V/單體，容量為4.3Ah。

5h放電率：放電電流為0.81A，終止電壓1.70V/單體，容量為4.32Ah。

8h放電率：放電電流為0.54A，終止電壓為1.75V/單體，容量為4.4Ah。

10h放電率：放電電流為0.45A，終止電壓為1.75V/單體，容量為4.5Ah。

20h放電率：放電電流為0.25A，終止電壓為1.80V/單體，容量為4.8Ah。

（2）溫度對蓄電池容量的影響。溫度越低，蓄電池的容量減小。

104℉（40℃）：102%。

77℉（25℃）：100%。

32℉（0℃）：85%。

5℉（-15℃）：65%。

（3）持續放電時輸出電壓的變化。表1-1是單體蓄電池持續放電時的輸出端電壓。

表1-1 單體蓄電池持續放電時的輸出端電壓（10h放電率）

3.UPS蓄電池額定容量的計算方法

假設：逆變器采用24V蓄電池組供電，額定負載功率為3kV·A，轉換效率為75%，應急供電持續時間為30min，逆變器的實際負載能力應按標稱額定負載能力的1.3倍計算。那么在滿負載情況下逆變器需輸入的直流電流I為

I=3kV·A×1.3/0.75=5200V·A/24V≈217A

滿足連續0.5h的供電時間的蓄電池功率容量為217A×0.5h≈110Ah。應選用大于計算值的GFM-150Ah/24V標準電池組。

1.3.3 直流供電系統

不少建筑弱電系統需要直流供電電源，例如，電視監控系統中有些攝像機采用12V直流電源，火災報警系統采用24V直流電源，程控交換機采用48V直流電源，等等。

建筑弱電系統的直流供電電源通常取自交流供電系統。由于這些直流用電設備的安裝位置非常分散，用電量又不大，因此都采用分散供電方式，即采用各用電設備自帶的重量輕、體積小、安裝方便、適應性強的開關式直流穩壓電源。