將變頻器改成不間斷電源的可行性及應(yīng)用

   0 引言

    隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，人們對建筑物內(nèi)的環(huán)境、使用功能、消防安全等提出了更高的要求。越現(xiàn)代化的建筑對電的依賴越高，但電力故障是不以人的意志為轉(zhuǎn)移，一旦發(fā)生災(zāi)害事故將導(dǎo)致電力中斷或電力中斷后發(fā)生災(zāi)害事故，人民的生命財產(chǎn)安全將直接受到威脅。因此，《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》和《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》中嚴格規(guī)定：一級負荷中特別重要的設(shè)備必須增設(shè)二路電源。目前，市場上常用的備用電源有發(fā)電機組、UPS、EPS等產(chǎn)品，至于它們?nèi)�種供電方案以及衍生方案并不能保證電源100%不間斷。本文的內(nèi)容是筆者根據(jù)工作幾年來從事EPS及UPS項目總結(jié)出來的。

    l 解決問題的方法

    變頻器無論是頻率控制型還是矢量控制型或者轉(zhuǎn)矩控制型，都是具有變頻軟起動功能，即電機起動時，因為輸出電壓和頻率均可從零開始，就限制了電機的起動電流，甚至小于額定電流就可以正常起動。變頻器的容量，在380V電壓等級，功率范圍從2,2~1500kW的產(chǎn)品幾乎可以覆蓋目前所有的應(yīng)用范圍。

    目前常用的變頻器都是交-直-交類型的電壓源型變頻器，其中間直流環(huán)節(jié)的電壓約為510～620V，是三相交流電壓經(jīng)過三相不受控整流后得到的。如果在市電停電后能為變頻器的中間環(huán)節(jié)提供另一路510～620V的直流電源，其IGBT逆變器就能不間斷地輸出三相正弦交流電壓，而且其電壓為0~380V、頻率為O～50Hz連續(xù)可調(diào)，實現(xiàn)負載的軟起動或者達到輸出電壓380(1±3%)V，輸出頻率50(1±I%)Hz的精度。例如一組蓄電池，就可以實現(xiàn)對負載的不間斷供電�；�于這個想法開發(fā)出一種新型UPS，即可成為變頻型交流不間斷電源，使變頻器在新的應(yīng)用領(lǐng)域中得到應(yīng)用。因UPS輸出是三相正弦波且穩(wěn)壓穩(wěn)頻，為了增加設(shè)備的可靠性及避免對負載的干擾，在變頻器的輸出增加變壓器和LC低通濾波器。

    根據(jù)負載性質(zhì)，這種可變頻UPS同樣可以像普通UPS一樣設(shè)計成后備式和在線式。該電源的過載能力為150%時3s，整機效率為98%以上。

    本文以西門子公司通用變頻器產(chǎn)品為應(yīng)用實例來說明這種電源的工作原理、架構(gòu)組成和設(shè)計方法。

    2 系統(tǒng)組成和工作原理

    該電源主要單元有：矢量型變頻器，蓄電池組，DC/DC直流變換器降壓充電模塊，控制邏輯板，DC/DC降壓工作電源(+24V)模塊，輸出隔離變壓器及LC濾波器，數(shù)字面板表及及半導(dǎo)體節(jié)能燈人機接口單元，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。    

    2.1矢量型變頻器

    本文仍以西門子產(chǎn)品為例，其技術(shù)參數(shù)為：

    輸入電壓3相380～460V±10%f變頻器);

    輸出電壓3相0~380V或380(1±3%)V;

    輸入頻率50/60(1±6%)Hz：

    輸出頻率0~600Hz或50/60(1±1%)Hz。

    2.2蓄電池組

    選用閥控式全密封鉛酸免維護電池，一般200A·h以上為2V/單只電池。

    2.2.1組串聯(lián)只數(shù)N的確定

    串聯(lián)只數(shù)M取決于通用變頻器中間環(huán)節(jié)直流電壓的最大和最小允許值。不間斷電源在正常運行時，系統(tǒng)處于浮充電狀態(tài)，電池只數(shù)N應(yīng)為    

   式中：N為蓄電池組串聯(lián)只數(shù)，

    Ue為變頻器中間直流環(huán)節(jié)額定電壓，

    Uf為單體電池的浮充電電壓。

    以12V/單只電池為例，浮充電壓Uf=13.5V(單體電池的浮充電壓Uf=2.25V)。以西門子變頻器為例：Ue=510～620V，即Ue(min)=510V×O.9=459V，Ue(max)=620x1.1=682V，是變頻器能正常工作的電壓上限和下限值，取平均值：Ue=(459V+682v)/2=

    570.5V。

    則N=Ue/6Uf=570.5V/(6x2.25V)=42.25，取N=42只。

    浮充時，電池端電壓Ud=42×2.25V×6=567V，電壓均在設(shè)備允許范圍內(nèi)。

    2.2.2蓄電池放電終止電壓Uz的確定

    蓄電池放電終止電壓Uz取決于市電停電后，電池組脫離充電模塊轉(zhuǎn)為向變頻器至終止電壓的數(shù)值要滿足變頻器正常工作的最低電壓值。Uz可按式(2)計算：    

    仍以西門子產(chǎn)品為例，取Ue=510V則Uz=(O.875x510V)/(6×42)=1.77V，考慮到電池和變頻器工作的可靠性，電池放電終止電壓Uz不要小于1.75V，通常取Uz=1.8V。即單只電池終止電壓Uz=1.8x6=10.8V，蓄電池組電壓Ud=10.8×42=453V，略小于變頻器允許的最小電壓值Ue(min)=459V，尚能滿足變頻器工作要求。

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