變頻器改造成UPS的可行性分析

1、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(yán)格規(guī) 定：一級負(fù)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(jī)組、UPS、 EPS等產(chǎn)品，至于它們?nèi)N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。 1、解決問題的方法變頻器無

2、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(jī)起動時，因為輸出電壓和頻率均可從零開始， 就限制了電機(jī)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， 21500kW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510620V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0380V、頻率為O50Hz連續(xù)可調(diào)，

3、實現(xiàn)負(fù)載 的軟起動或者達(dá)到輸出電壓380（13）V，輸 出頻率50（1I）Hz的精度。例如一組蓄電池，就可以實現(xiàn)對 負(fù)載的不間斷供電。基于這個想法開發(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(fù) 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(fù)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(jī)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

4、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(jī)接口單元，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。將變頻 器改成不間斷電源的可行性及應(yīng)用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380460V10f變頻器）；輸出電壓3 相0380V或380（13）V；輸入頻率50/60（ 16%）Hz：輸出頻率0600Hz或50/60 （11）Hz.2.2蓄電池組選用閥控式全密封鉛酸 免維護(hù)電池 ，一般200A.h以上為2V/單只電池。2.2.1組串聯(lián)只

5、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(yùn)行時，系統(tǒng)處于浮充電狀態(tài)，電池只數(shù)N應(yīng)為將 變頻器改成不間斷電源的可行性及應(yīng)用式中：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=510620V，即Ue（min）=510VO.9=459V，Ue （max）=620 x1.1=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=

6、Ue/6Uf=570.5V/（6x2.25V）=42.25，取N =42只。浮充時，電池端電壓Ud=422.25V6=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：將變頻器改 成不間斷電源的可行性及應(yīng)用仍以西門子產(chǎn)品為例，取 Ue=510V則Uz=（O.875x510V）/（642）=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=

7、1.8x6=10.8V，蓄電 池組電壓Ud =10.842=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。2.2.3蓄電池 組容量Q的確定電池 組容量Q（A.h）取決于負(fù)載額定電源電流I及市電停電后 負(fù)載由蓄電池供電延遲的時間T以及電池組放電后的終止 電壓Uz.可根據(jù)電池生產(chǎn)廠家提供的電 池放電曲線或放電表進(jìn)行選擇計算。計算具體可根據(jù)經(jīng) 驗公式，以15kW負(fù)載，停電維持時間lh為例，計算結(jié)果 為：選50A.h電池42只。2.3DC /DC直流變換器降壓充電板充電模塊的工作原理是采用 IGBT電力電子器件組成Buck（降壓）隔離型直流變換器， 耐壓為l

8、200V.電流則根據(jù)電池 容量按0.1C（10）充電，單板可輸出電流1020A，輸出 電壓274300V可調(diào)，可對400A.h以下的電池組進(jìn)行浮充 充電。將電池組分成 相等數(shù)量的若干組（例如將42只電池分為兩組，每組21 只，充電電壓僅為287289V），可降低充電模塊的輸出 電壓值，使模塊結(jié)構(gòu)簡單化從而降低 成本。這種充電板也可并聯(lián)使用。2.4整流二極管采用大 功率整流器件二極管組成直流隔離開關(guān)，當(dāng)市電正常時， 二極管處于關(guān)斷狀態(tài)，切斷電池組與變頻器 的通路，但缺點是電池組在浮充電時有可能因端電壓高 與市電經(jīng)整流后輸出的直流電壓引起放電而不能充滿。 當(dāng)市電停電時二級管瞬時導(dǎo)通，電池組瞬間放電

9、， 可以做到負(fù)載由市電供電和電池組供電的瞬時轉(zhuǎn)換，是 在線式不間斷電源的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2.5DC/DC降壓工作電源 （+24V）模塊采用Buck降壓型D C/DC直流變換器可將通用變頻器直流點電壓轉(zhuǎn)換成邏輯 控制板所需的電壓+24V，供數(shù)字面板表及及半導(dǎo)體節(jié)能 燈人機(jī)接口單元用。2.6數(shù)字面板表及 及半導(dǎo)體節(jié)能燈人機(jī)接口單元用數(shù)字面板表及及半導(dǎo)體 節(jié)能燈人機(jī)接口單元組成具有人機(jī)操作顯示界面的監(jiān)控 系統(tǒng)，其功能為：充電板及電池電壓值、輸出電流 值、輸入市電電壓值、輸出電壓值；電源起停操作；運(yùn) 行參數(shù)顯示；電源工作狀態(tài)顯示；故障狀態(tài)報警以及通 過RS485和上位機(jī)通訊實現(xiàn)四遙功能。2.7 電池平衡管理

10、器及電池檢測系統(tǒng)因為不間斷電源用的電 池較多，根據(jù)以往UPS多是電池故障而影響整個系統(tǒng)崩潰 的教訓(xùn)，在電池組增加了電池巡檢儀（本公司 自己開發(fā)的）來檢測每節(jié)電池的電壓、內(nèi)阻、放電電流 及環(huán)境溫度，這類巡檢儀最多能檢測128節(jié)電池。另外， 為了保持充電及放電時每節(jié)電池的電壓保持一 致，本公司自主研發(fā)了電池平衡管理器。這樣能保持充 電放電時電池的一致性，可把落后的電池挑出來，及早 發(fā)現(xiàn)問題。2.8輸出隔離變壓器及LC濾波器因 為變頻器輸出電壓波形是高頻的階梯波，要使輸出的波 形是完美的正旋波，所以在隔離變壓器后面加上LC濾波 器，其電感值選為1.5mH，電容值為20F.同時為了增加此不間斷電源的帶

11、載能力和可靠性， 避免趕擾負(fù)載，在變頻器的輸出端接一個/Y隔離變壓 器，其變比為300：380，變比的選 擇關(guān)系到輸出的穩(wěn)壓精度（因電池放電時直流電壓逐漸 下降至DC459V時，其變頻器輸出的實際電壓為AC325V）， 這是在線式不間斷電源的關(guān)鍵環(huán)節(jié) ，但缺點是會使變頻器的功率變小。3應(yīng)用實例根據(jù)上述 的工作原理，本文作者于2002年研制成功一臺22kW在線 式可變頻交流不間斷電源的樣機(jī)，原理 見圖1所示，試驗取得成功，并在實際中獲得應(yīng)用，均取 得成功。3.1應(yīng)用實例1北京建筑設(shè)計院會議及食堂多功能 大樓的應(yīng)急照明系統(tǒng)，負(fù)載功率22kW ，后備延時時間為90min，應(yīng)急照明通道及消防設(shè)施在今 年過程中不能停電，否則將引起嚴(yán)重后果。機(jī)器裝機(jī)以 來一直運(yùn)行良好，期間曾多次因施工事故停 電，但該機(jī)不間斷供電保證該大樓的正常運(yùn)行。3.2應(yīng)用 實例2南京新港開發(fā)區(qū)博西華工地上用應(yīng)急電源驅(qū)動卷簾 門，功率18.5kW，由一臺西門子MI CRO-MASTER440變頻器（功率22kW）供電，要求市電停 電后必須接入后備電源保證該公司的倉庫卷簾門能不間 斷運(yùn)行，確保庫存的家電能正常 出貨。2005年我公司為其設(shè)計制造一臺在線式不間斷電 源，電池容量為65A.h，42只，后備延時60min.4結(jié)語可變 頻交流不間斷電源是適