将变频器改成不间断电源的可行性及应用

0 引言
    随着科学技术的高速发展，人民生活水平的不断提高，人们对建筑物内的环境、使用功能、消防安全等提出了更高的要求。越现代化的建筑对电的依赖越高，但电力故障是不以人的意志为转移，一旦发生灾害事故将导致电力中断或电力中断后发生灾害事故，人民的生命财产安全将直接受到威胁。因此，《高层民用建筑设计防火规范》和《民用建筑电气设计规范》中严格规定：一级负荷中特别重要的设备必须增设二路电源。目前，市场上常用的备用电源有发电机组、UPS、EPS等产品，至于它们三种供电方案以及衍生方案并不能保证电源100％不间断。本文的内容是笔者根据工作几年来从事EPS及UPS项目总结出来的。

l 解决问题的方法
    变频器无论是频率控制型还是矢量控制型或者转矩控制型，都是具有变频软起动功能，即电机起动时，因为输出电压和频率均可从零开始，就限制了电机的起动电流，甚至小于额定电流就可以正常起动。变频器的容量，在380V电压等级，功率范围从2,2~1 500 kW的产品几乎可以覆盖目前所有的应用范围。
    目前常用的变频器都是交-直-交类型的电压源型变频器，其中间直流环节的电压约为510～620V，是三相交流电压经过三相不受控整流后得到的。如果在市电停电后能为变频器的中间环节提供另一路510～620 V的直流电源，其IGBT逆变器就能不间断地输出三相正弦交流电压，而且其电压为0~380V、频率为O～50Hz连续可调，实现负载的软起动或者达到输出电压380(1±3％)V，输出频率50(1±I％)Hz的精度。例如一组蓄电池，就可以实现对负载的不间断供电。基于这个想法开发出一种新型UPS，即可成为变频型交流不间断电源，使变频器在新的应用领域中得到应用。因UPS输出是三相正弦波且稳压稳频，为了增加设备的可靠性及避免对负载的干扰，在变频器的输出增加变压器和LC低通滤波器。
    根据负载性质，这种可变频UPS同样可以像普通UPS一样设计成后备式和在线式。该电源的过载能力为150％时3 s，整机效率为98％以上。
    本文以西门子公司通用变频器产品为应用实例来说明这种电源的工作原理、架构组成和设计方法。

2 系统组成和工作原理
    该电源主要单元有：矢量型变频器，蓄电池组，DC/DC直流变换器降压充电模块，控制逻辑板，DC/DC降压工作电源(+24V)模块，输出隔离变压器及LC滤波器，数字面板表及及半导体节能灯人机接口单元，结构图如图1所示。

2.1 矢量型变频器
    本文仍以西门子产品为例，其技术参数为：
    输入电压 3相380～460V±10％f变频器)；
    输出电压 3相0~380V或380(1±3％)V；
    输入频率 50/60(1±6%)Hz：
    输出频率 0~600Hz或50/60(1±1％)Hz。
2.2 蓄电池组
    选用阀控式全密封铅酸免维护电池，一般200A·h以上为2V/单只电池。
2.2.1 组串联只数N的确定
    串联只数M取决于通用变频器中间环节直流电压的最大和最小允许值。不间断电源在正常运行时，系统处于浮充电状态，电池只数N应为

式中：N为蓄电池组串联只数，
    Ue为变频器中间直流环节额定电压，
    Uf为单体电池的浮充电电压。
    以12V/单只电池为例，浮充电压Uf=13.5V(单体电池的浮充电压Uf=2.25 V)。以西门子变频器为例：Ue=510～620V，即Ue(min)=510V×O.9=459V，Ue(max)=620x1.1=682V，是变频器能正常工作的电压上限和下限值，取平均值：Ue=(459 V+682v)/2=
570.5V。
    则N=Ue/6Uf=570.5 V/(6x2.25 V)=42.25，取N=42只。
    浮充时，电池端电压Ud=42×2.25V×6=567V，电压均在设备允许范围内。
2.2.2 蓄电池放电终止电压Uz的确定
    蓄电池放电终止电压Uz取决于市电停电后，电池组脱离充电模块转为向变频器至终止电压的数值要满足变频器正常工作的最低电压值。Uz可按式(2)计算：

   
    仍以西门子产品为例，取Ue=510V则Uz=(O.875x510V)/(6×42)=1.77V，考虑到电池和变频器工作的可靠性，电池放电终止电压Uz不要小于1.75V，通常取Uz=1.8V。即单只电池终止电压Uz=1.8x6=10.8V，蓄电池组电压Ud=10.8×42=453 V，略小于变频器允许的最小电压值Ue(min)=459 V，尚能满足变频器工作要求。
2.2.3 蓄电池组容量Q的确定
    电池组容量Q(A·h)取决于负载额定电源电流I及市电停电后负载由蓄电池供电延迟的时间T以及电池组放电后的终止电压Uz。可根据电池生产厂家提供的电池放电曲线或放电表进行选择计算。计算具体可根据经验公式，以15 kW负载，停电维持时间l h为例，计算结果为：选50A.h电池42只。
2.3 DC/DC直流变换器降压充电板
    充电模块的工作原理是采用IGBT电力电子器件组成Buck(降压)隔离型直流变换器，耐压为l 200V．电流则根据电池容量按0.1C(10)充电，单板可输出电流10～20A，输出电压274~300V可调，可对400A·h以下的电池组进行浮充充电。将电池组分成相等数量的若干组(例如将42只电池分为两组，每组21只，充电电压仅为287~289V)，可降低充电模块的输出电压值，使模块结构简单化从而降低成本。这种充电板也可并联使用。
2.4 整流二极管
    采用大功率整流器件二极管组成直流隔离开关，当市电正常时，二极管处于关断状态，切断电池组与变频器的通路，但缺点是电池组在浮充电时有可能因端电压高与市电经整流后输出的直流电压引起放电而不能充满。当市电停电时二级管瞬时导通，电池组瞬间放电，可以做到负载由市电供电和电池组供电的瞬时转换，是在线式不间断电源的关键环节。
2.5 DC/DC降压工作电源(+24V)模块
    采用Buck降压型DC/DC直流变换器可将通用变频器直流点电压转换成逻辑控制板所需的电压+24 V，供数字面板表及及半导体节能灯人机接口单元用。
2.6 数字面板表及及半导体节能灯人机接口单元
    用数字面板表及及半导体节能灯人机接口单元组成具有人机操作显示界面的监控系统，其功能为：充电板及电池电压值、输出电流值、输入市电电压值、输出电压值；电源起停操作；运行参数显示；电源工作状态显示；故障状态报警以及通过RS485和上位机通讯实现四遥功能，如图2所示。

2.7 电池平衡管理器及电池检测系统
    因为不间断电源用的电池较多，根据以往UPS多是电池故障而影响整个系统崩溃的教训，在电池组增加了电池巡检仪(本公司自己开发的)来检测每节电池的电压、内阻、放电电流及环境温度，这类巡检仪最多能检测128节电池。另外，为了保持充电及放电时每节电池的电压保持一致,本公司自主研发了电池平衡管理器。这样能保持充电放电时电池的一致性，可把落后的电池挑出来，及早发现问题。
2.8 输出隔离变压器及LC滤波器
    因为变频器输出电压波形是高频的阶梯波，要使输出的波形是完美的正旋波，所以在隔离变压器后面加上LC滤波器，其电感值选为1.5 mH，电容值为20μF。同时为了增加此不间断电源的带载能力和可靠性，避免赶扰负载，在变频器的输出端接一个△/Y隔离变压器，其变比为300：380，变比的选择关系到输出的稳压精度(因电池放电时直流电压逐渐下降至DC459V时，其变频器输出的实际电压为AC 325V)，这是在线式不间断电源的关键环节，但缺点是会使变频器的功率变小。

3 应用实例
    根据上述的工作原理，本文作者于2002年研制成功一台22kW在线式可变频交流不间断电源的样机，原理见图1所示，试验取得成功，并在实际中获得应用，均取得成功。
3.1 应用实例1
    北京建筑设计院会议及食堂多功能大楼的应急照明系统，负载功率22 kW，后备延时时间为90min，应急照明通道及消防设施在今年过程中不能停电，否则将引起严重后果。机器装机以来一直运行良好，期间曾多次因施工事故停电，但该机不间断供电保证该大楼的正常运行。
3.2 应用实例2
    南京新港开发区博西华工地上用应急电源驱动卷帘门，功率18.5 kW，由一台西门子MICRO-MASTER 440变频器(功率22 kW)供电，要求市电停电后必须接入后备电源保证该公司的仓库卷帘门能不间断运行，确保库存的家电能正常出货。2005年我公司为其设计制造一台在线式不间断电源，电池容量为65 A·h，42只，后备延时60 min。

4 结语
    可变频交流不间断电源是适用于各种负载的应用电源，它具备普通交流不间断电源和变频器的双重功能。据查目前国内外电源厂家很多已将此电源改成应急电源，但这方面的文章极少，本人写这篇文章希望对国内的电源技术提高尽微薄之力。对于不允许停电的负载负载，选择这种电源要比选择普通UPS具有很高的性能价格比。因此是一种值得推广应用的电源设备。