一種新型不間斷電源

摘要：分析了一種新型不間斷電源。在冶金、石化、制藥等行業(yè)，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生瞬時(shí)跌落、斷電時(shí)會(huì)給生產(chǎn)造成重大損失。而工業(yè)不間斷電源以比傳統(tǒng)UPS更小的設(shè)備投資、更多種類(lèi)的電源輸出功能、更高的效率、和易于維護(hù)，提供了一種很好的解決方案。

關(guān)鍵詞：不間斷電源；共母線；變頻電源

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0    引言

    在冶金、石化、制藥等行業(yè)中，有一些重要的生產(chǎn)設(shè)備，如冶金企業(yè)的煉鋼轉(zhuǎn)爐和銅冶煉轉(zhuǎn)爐的傳動(dòng)裝置、煉鋼轉(zhuǎn)爐氧槍提升傳動(dòng)裝置、連鑄機(jī)大包轉(zhuǎn)臺(tái)傳動(dòng)裝置、石化系統(tǒng)的重要泵類(lèi)和制藥廠的攪拌罐設(shè)備、化纖抽絲工藝等，當(dāng)交流電網(wǎng)出現(xiàn)電壓瞬變、停電等故障時(shí)，不允許設(shè)備中斷運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)運(yùn)行至完成當(dāng)前的生產(chǎn)工藝或運(yùn)轉(zhuǎn)到安全位置再停車(chē)，否則會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。一般情況下這些設(shè)備都是由變頻器驅(qū)動(dòng)的，如果采用在線式工業(yè)UPS不僅造價(jià)昂貴、而且電源的利用效率會(huì)下降很多。多數(shù)企業(yè)因沒(méi)有后備電源而不得不承受電網(wǎng)故障造成的損失。因此，對(duì)一種投資小、效率高的不間斷電源系統(tǒng)需求非常旺盛。

1    系統(tǒng)工作原理

    該新型不間斷電源在工業(yè)應(yīng)用中有兩種型式，即共直流母線不間斷電源，和非共直流母線不間斷電源。其原理圖分別如圖1與圖2所示。

圖1    共直流母線不間斷電源原理圖

圖2    非共直流母線不間斷電源原理圖 {{分頁(yè)}}

    共直流母線的不間斷電源系統(tǒng)尤其適合于精度較高的生產(chǎn)線，且在工藝的不同部分要求同步性較高的狀況下有出色的性能。一方面各變頻器的電壓中間回路通過(guò)快速熔斷器耦合在直流母線上，因此，一條線上各變頻器的公共電壓是絕對(duì)一致的，在同樣的控制信號(hào)下提供了出色的同步性能；另一方面當(dāng)某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)制動(dòng)時(shí)，其制動(dòng)能量可以被其它驅(qū)動(dòng)裝置利用，避免一般系統(tǒng)的制動(dòng)能量通過(guò)制動(dòng)電阻白白地浪費(fèi)掉，提高了電源效率。

    在交流電網(wǎng)正常工作情況下，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)共有整流單元工作，蓄電池組工作于浮充狀態(tài)、維持滿(mǎn)容；當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)瞬變或停電時(shí)，交流監(jiān)測(cè)單元將信號(hào)傳遞至監(jiān)控系統(tǒng)，控制輸出耦合單元在幾十μs內(nèi)切換至導(dǎo)通狀態(tài)，接通蓄電池與直流母線，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不間斷工作。當(dāng)市電恢復(fù)工作后，切斷輸出耦合單元，充電裝置恢復(fù)對(duì)蓄電池組充電至滿(mǎn)容。逆變單元為PLC、工控機(jī)等需要交流電源工作的設(shè)備提供高質(zhì)量電源。

    非共直流母線不間斷電源，可以滿(mǎn)足各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作為第二或第三電源的要求。提供500V直流輸出、50Hz交流輸出、同時(shí)提供60Hz交流輸出（可選項(xiàng)應(yīng)用在特殊進(jìn)口設(shè)備對(duì)電源的要求上）。在交流電網(wǎng)正常工作情況下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常工作，蓄電池組通過(guò)充電單元工作于浮充狀態(tài)、維持滿(mǎn)容；當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)瞬變或停電時(shí)，交流監(jiān)測(cè)單元將信號(hào)傳遞至監(jiān)控系統(tǒng)，控制輸出耦合單元在幾十μs內(nèi)切換至導(dǎo)通狀態(tài)，接通蓄電池與直流輸出母線，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不間斷工作，該系統(tǒng)中變頻器的各中間回路是隔離的。當(dāng)市電恢復(fù)工作后，切斷輸出耦合單元，充電裝置對(duì)蓄電池組恢復(fù)充電至滿(mǎn)容。逆變單元為PLC、工控機(jī)等需要交流電源工作的設(shè)備提供高質(zhì)量電源。

2    技術(shù)特點(diǎn)

    系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，不同功率的電源易于重構(gòu)，方便使用、維護(hù)及安裝調(diào)試。共有以下組成部分。

2.1    TZrec(F)整流（回饋）單元

    功率范圍0.5～400kW，內(nèi)含預(yù)充電控制電路，對(duì)電網(wǎng)的沖擊很小。整流單元分為6脈動(dòng)整流單元與12脈動(dòng)整流單元，如圖3及圖4所示。12脈動(dòng)整流單元采用了移相變壓器及雙橋整流，輸出的直流脈動(dòng)小，能顯著提高電源的功率因數(shù)，減少對(duì)電網(wǎng)的污染，配合制動(dòng)單元、為不需要頻繁制動(dòng)的系統(tǒng)提供了簡(jiǎn)潔、低投資的電源饋入方案。整流回饋單元能夠?qū)⑾到y(tǒng)的制動(dòng)能量反饋回電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了交流輸入完美無(wú)諧波，大大提高了能源利用效率和降低了對(duì)電網(wǎng)的污染。

圖3    6脈動(dòng)整流

圖4    12脈動(dòng)整流 {{分頁(yè)}}

2.2    TZchar充電單元及蓄電池組

    1）充電單元集成了對(duì)電池組的管理能力，模塊采用先進(jìn)的全橋軟開(kāi)關(guān)變換器，有突出的抗短路能力，并且采用1＋1冗余備份及無(wú)主從自主均流技術(shù)，具備極高的可靠性。當(dāng)電池虧電時(shí)充電單元以0.1C₁₀的電流充電，當(dāng)滿(mǎn)容時(shí)轉(zhuǎn)入浮充運(yùn)行。當(dāng)一個(gè)充電模塊損壞時(shí)、另一個(gè)承擔(dān)全部輸出功率，極大地提高了可靠性。

    2）蓄電池組采用閥控式免維護(hù)蓄電池，在滿(mǎn)足溫度的條件下電池組壽命可達(dá)10～15年。其容量選擇由負(fù)載功率P（W）及后備時(shí)間T_s（h）來(lái)決定。采用42節(jié)蓄電池串聯(lián)，其容量（A