將變頻器改造成UPS的可行性

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(cái)產(chǎn)安全將直接受到威脅。因此，《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和《民用建筑電氣設(shè)計(jì)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(xiàng)目總結(jié)出來的。

1、 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(jī)起動時(shí)，因?yàn)檩敵鲭妷汉皖l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2,2~1 500 kW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510～620 V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(shí)現(xiàn)負(fù)載的軟起動或者達(dá)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(shí)現(xiàn)對負(fù)載的不間斷供電?；谶@個(gè)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(jì)成后備式和在線式。該電源的過載能力為150％時(shí)3 s，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(shí)例來說明這種電源的工作原理、架構(gòu)組成和設(shè)計(jì)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(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(hù)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(yùn)行時(shí)，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=2.25 V)。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=(459 V+682v)/2=570.5V。

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

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