摘要：介紹了將變頻器改成不間斷電源的工作原理和系統(tǒng)組成，指出了變頻器改成普通UPS可能出現(xiàn)的問題及解決的辦法，說明了該電源的選型和計算方法氢滋，并介紹了該電源在實際生產(chǎn)中的部分應(yīng)用實例。

關(guān)鍵詞：變頻器;不間斷電源;可行性和應(yīng)用

0 引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展跟努，人民生活水平的不斷提高价忙，人們對建筑物內(nèi)的環(huán)境、使用功能垛撬、消防安全等提出了更高的要求皮围。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)移达快，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)害事故捏裂，人民的生命財產(chǎn)安全將直接受到威脅。因此甸胃，《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)二路電源吩屹。目前，市場上常用的備用電源有發(fā)電機組拧抖、UPS煤搜、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%不間斷徙鱼。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)出來的宅楞。

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袱吆，即電機起動時厌衙，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绞绒，甚至小于額定電流就可以正常起動婶希。變頻器的容量，在380V電壓等級蓬衡，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)用范圍喻杈。

　　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狰晚，是三相交流電壓經(jīng)過三相不受控整流后得到的筒饰。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乒萝，而且其電壓為0~380V捶益、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想预，輸出頻率50(1±I%)Hz的精度锌拾。例如一組蓄電池，就可以實現(xiàn)對負載的不間斷供電‰忍基于這個想法開發(fā)出一種新型UPS姆已，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)用碉晾。因UPS輸出是三相正弦波且穩(wěn)壓穩(wěn)頻急响，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低通濾波器陋窗。

　　根據(jù)負載性質(zhì)鸭僧，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揩页，整機效率為98%以上旷偿。

　　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)計方法爆侣。

2 系統(tǒng)組成和工作原理

　　該電源主要單元有：矢量型變頻器萍程，蓄電池組，DC/DC直流變換器降壓充電模塊兔仰，控制邏輯板茫负，DC/DC降壓工作電源(+24V)模塊，輸出隔離變壓器及LC濾波器乎赴，數(shù)字面板表及及半導(dǎo)體節(jié)能燈人機接口單元忍法，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)品為例榕吼，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饿序。

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/單只電池羹蚣。

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原探。不間斷電源在正常運行時，系統(tǒng)處于浮充電狀態(tài)忘当，電池只數(shù)N應(yīng)為

　　式中：N為蓄電池組串聯(lián)只數(shù)芯妇，

　　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圈蛹。

　　以12V/單只電池為例肃刁，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奇茫，即Ue(min)=510V×O.9=459V孙泵，Ue(max)=620x1.1=682V，是變頻器能正常工作的電壓上限和下限值褐泊，取平均值：Ue=(459V+682v)/2= 570.5V芦槽。

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

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

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取決于市電停電后催舅，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)品為例蓄氧，取Ue=510V則Uz=(O.875x510V)/(6×42)=1.77V函似，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喉童，通常取Uz=1.8V撇寞。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堂氯，略小于變頻器允許的最小電壓值Ue(min)=459V蔑担，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)取決于負載額定電源電流I及市電停電后負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咽白∑∥眨可根據(jù)電池生產(chǎn)廠家提供的電池放電曲線或放電表進行選擇計算。計算具體可根據(jù)經(jīng)驗公式晶框，以15kW負載排抬，停電維持時間lh為例，計算結(jié)果為：選50A.h電池42只授段。

2.3 DC/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)隔離型直流變換器蹲蒲，耐壓為l200V.電流則根據(jù)電池容量按0.1C(10)充電，單板可輸出電流10～20A悄函，輸出電壓274~300V可調(diào)镀材，可對400A·h以下的電池組進行浮充充電。將電池組分成相等數(shù)量的若干組(例如將42只電池分為兩組蒜材，每組21只忍具，充電電壓僅為287~289V)，可降低充電模塊的輸出電壓值抖臭，使模塊結(jié)構(gòu)簡單化從而降低成本却怪。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)倾伶，當(dāng)市電正常時殷感，二極管處于關(guān)斷狀態(tài)，切斷電池組與變頻器的通路感戴，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熏迷。當(dāng)市電停電時二級管瞬時導(dǎo)通，電池組瞬間放電，可以做到負載由市電供電和電池組供電的瞬時轉(zhuǎn)換谐歪，是在線式不間斷電源的關(guān)鍵環(huán)節(jié)敦间。

2.5 DC/DC降壓工作電源(+24V)模塊

　　采用Buck降壓型DC/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)能燈人機接口單元用束铭。

2.6 數(shù)字面板表及及半導(dǎo)體節(jié)能燈人機接口單元

　　用數(shù)字面板表及及半導(dǎo)體節(jié)能燈人機接口單元組成具有人機操作顯示界面的監(jiān)控系統(tǒng)廓块，其功能為：充電板及電池電壓值、輸出電流值契沫、輸入市電電壓值带猴、輸出電壓值;電源起停操作;運行參數(shù)顯示;電源工作狀態(tài)顯示;故障狀態(tài)報警以及通過RS485和上位機通訊實現(xiàn)四遙功能，如圖2所示懈万。

2.7 電池平衡管理器及電池檢測系統(tǒng)

　　因為不間斷電源用的電池較多拴清，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)電池的電壓会通、內(nèi)阻贷掖、放電電流及環(huán)境溫度，這類巡檢儀最多能檢測128節(jié)電池渴语。另外苹威，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驾凶，可把落后的電池挑出來阿魏，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氛灸，要使輸出的波形是完美的正旋波耘泰，所以在隔離變壓器后面加上LC濾波器，其電感值選為1.5mH剑碌，電容值為20μF嘀醋。同時為了增加此不間斷電源的帶載能力和可靠性，避免趕擾負載孟溯，在變頻器的輸出端接一個△/Y隔離變壓器讲侵，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時呜款，其變頻器輸出的實際電壓為AC325V)耸壮，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剩症。

3 應(yīng)用實例

根據(jù)上述的工作原理笑驶，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，原理見圖1所示胞饭，試驗取得成功嫌变，并在實際中獲得應(yīng)用吨艇，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)腾啥，負載功率22kW东涡，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碑宴，否則將引起嚴重后果。機器裝機以來一直運行良好桑谍，期間曾多次因施工事故停電延柠，但該機不間斷供電保證該大樓的正常運行。

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)動卷簾門锣披，功率18.5kW贞间，由一臺西門子MICRO-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行雹仿，確保庫存的家電能正常出貨增热。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胧辽，42只嗤矾，后備延時60min。

4 結(jié)語

　　可變頻交流不間斷電源是適用于各種負載的應(yīng)用電源悄锈，它具備普通交流不間斷電源和變頻器的雙重功能拒牡。據(jù)查目前國內(nèi)外電源廠家很多已將此電源改成應(yīng)急電源，但這方面的文章極少菌渐，本人寫這篇文章希望對國內(nèi)的電源技術(shù)提高盡微薄之力随去。對于不允許停電的負載負載，選擇這種電源要比選擇普通UPS具有很高的性能價格比暖娃。因此是一種值得推廣應(yīng)用的電源設(shè)備扔泵。

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