將變頻器改成不間斷電源可行性應(yīng)用

1、文章標題：將變頻器改成不間斷電源的可行性及應(yīng)用引言隨著科學技術(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。目前，市場上常用的備用電源有發(fā)電機組、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

2、總結(jié)出來的。I 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， 即電機起動時，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， 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 2,21 500 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510620V,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 510620 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

3、且其電壓為 0380V、頻率為 X50Hz 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,輸出頻率 50(1 I%)Hz 的精度。例如一組蓄電池，就可以實現(xiàn)對負載的不 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)負載性質(zhì)，這種可變頻 UPS 同樣可以像普通 UPS 樣設(shè)計成后備式和在線式。該電源的 過載能力為 150%時 3 s，整機效率為 98 鳩上。本文以西門子公司通用變頻器產(chǎn)品

4、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 體節(jié)能燈人機接口單元，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，其技術(shù)參數(shù)為：輸入電壓 3 相 380460V10%f 變頻器);輸出電壓 3 相 0380V 或 380(1 3%)V;輸入頻率 50/60(16%)Hz：輸出頻率 0600Hz 或 50/60(1 1%)Hz。2.2 蓄電池組選用閥控式全密封鉛酸免

5、維護電池，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行時，系統(tǒng)處于浮充電狀態(tài)，電池只數(shù)N 應(yīng)為式中：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=510620V,即 Ue(min)=510VXO.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=(4

6、59 V+682v)/2=570.5V。則 N=Ue/6Uf=570.5 V/(6x2.25 V)=42.25 ，取 N=42 只。浮充時，電池端電壓 Ud=42X2.25VX6=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：仍以西門子產(chǎn)品為例，取 Ue=510V 則 Uz=(O.875x510V)/(6X42)=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

7、=1.8V。即單只電池終止 電壓Uz=1.8x6=10.8V，蓄電池組電壓 Ud=10.8X42=453 V,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(Ah)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?？筛鶕?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，以15 kW 負載，停電維持時間 I h 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

8、器件組成 Buck(降壓)隔離型直流變換器，耐壓為l 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 400Ah 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， 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

9、而不能充滿。當市電停電時二級管瞬時導通，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，是在線式不間斷電源的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2.5 DC/DC 降壓工作電源 什 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+24 V,供數(shù)字面板表及及半導體節(jié)能燈人機接口單元用。2.6 數(shù)字面板表及及半導體節(jié)能燈人機接口單元用數(shù)字面板表及及半導體節(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)，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 RS

10、485 和上位機通訊實現(xiàn)四遙功 能，如圖 2 所示。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，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，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，

11、其電感值選為 1.5 mH，電容值為 20 訴。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，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AC 325V），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，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)

12、急照明系統(tǒng)，負載功率22 kW 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，否則將引起嚴重后果。機器裝機 以來一直運行良好，期間曾多次因施工事故停電，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，功率18.5 kW，由一臺西門子MICRO-MASTER40 變頻器（功率 22 kW）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，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65 A h, 42 只，后備延時 60 min。4 結(jié)語可變頻交流

13、不間斷電源是適用于各種負載的應(yīng)用電源，它具備普通交流不間斷電源和變頻器的雙重功能。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，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。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。因此是一種值得推廣應(yīng)用的電源設(shè)備。文章標題：自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器 ATSE 勺現(xiàn)狀選擇與應(yīng)用1 國內(nèi)外 ATSE 產(chǎn)品現(xiàn)狀自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器 （ATSE 主要用在緊急供電系統(tǒng)， 是將負載電路從一個電源自動換接 至另一個（備用）電源的開關(guān)電器，以確保重要負荷連續(xù)、可靠運行。因此，ATSE 常常應(yīng)用在重要用電場所，其產(chǎn)品可靠

14、性尤為重要。轉(zhuǎn)換一旦失敗將會造成以下二種危害之一：電源間的短路或重要負荷斷電（甚至短暫停電），其后果都是嚴重的。這不僅僅會帶來經(jīng)濟損失（使生產(chǎn)停頓、金融癱瘓），也可能造成社會問題（使生命及安全處于危險之中）。因此，工業(yè)發(fā)達國家都把自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器的生產(chǎn)、使用列為重點加以限制與規(guī)范。我國自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器的研制和生產(chǎn)在90 年代初還處于空白狀態(tài)，也無國家標準。國內(nèi)所需的雙電源轉(zhuǎn)換裝置往往由設(shè)計、成套部門用接觸器、斷電器等產(chǎn)品組合而成來替代。這種方案性產(chǎn)品往往因沒有經(jīng)過測試檢驗，其可靠性、安全性存在較大隱患 （尤其是用兩臺接觸器作為兩路電源轉(zhuǎn)換，電氣連鎖極不可靠，鎖極一旦失敗，將造成兩臺電源變壓器并

15、聯(lián)，電源并聯(lián)形成的系統(tǒng)潮流嚴重的可催毀整個供電系統(tǒng)）。之后由天津低壓電器公司開發(fā)了由斷路器+機械連鎖+控制器構(gòu)成自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器。它的進步是由產(chǎn)品替代方案，并按一定技術(shù)規(guī)范進行產(chǎn)品試驗驗證，產(chǎn)品的可靠性、安全性大大提高。90 年代中期，針對國內(nèi)市場急需高性能、高可靠自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器產(chǎn)品的現(xiàn)狀，日本、法國、德國、美國等自動轉(zhuǎn)換開 關(guān)電器先后打入中國市場，在一定程度上緩解了我國市場需求。近幾年，我國的自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器生產(chǎn)企業(yè)（尤其是生產(chǎn)CB 級 ATSE 企業(yè)）迅速增加，其產(chǎn)品性能及產(chǎn)品質(zhì)量不一，給設(shè)計、使用部門選用造成一定困難，也由于對ATSE 使用和選用不當，給國家財產(chǎn)造成很大損失。為了規(guī)范自

16、動轉(zhuǎn)換開在電器（ATSE 產(chǎn)品的生產(chǎn)與選用，國家質(zhì)檢總局于 2002 年 12 月頒布了 GB/T14048.11-2002自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（等同IEC60947.6.1-1998 ）國家標準，2003 年 4 月 1 日實施。該標準將是今后 ATSE 生產(chǎn)制造； 企業(yè)、設(shè)計使用單位、商業(yè)活動共同遵循的一部技術(shù)性法規(guī)文件，也將是3C 認證依據(jù)的技術(shù)法規(guī)。自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（ATSE 分 PC 有與 CB 級兩種。代表 PC 級的具有世界先進水平的產(chǎn)品有美國的 ASCC 及 ONAN代表 CB 級的有德國穆勒的 ATS-NZM 法國的施耐德。目前，國內(nèi)生產(chǎn) CB 級 ATSE 產(chǎn)品的企業(yè)約幾十家，

17、如天津低壓電器公司、常熟開關(guān)廠、 溫州三開及穆勒電氣 （上海）有限公司等。生產(chǎn) PC 級 ATSE 產(chǎn)品的企業(yè)有上海上江電器制造 有限公司，廣東奇正、北京第一低壓電器、上海環(huán)奇等。生產(chǎn)電動式刀開關(guān)（用于雙電源切換）產(chǎn)品的企業(yè)也有5-6 家，如法國朔高美等。ATSE-般由兩部分組成：開關(guān)電器本體；控制器。1.1 開關(guān)電器本體開關(guān)電器本體又分兩類：第一類為 CB 級。它是由兩臺斷路器加機械連鎖組成，具有短路保護功能；第二類為 PC 級，一體式結(jié)構(gòu)（三點式）。它是雙電源切換的專用開關(guān)，具有結(jié)構(gòu)簡單、 體積小、自身連鎖、轉(zhuǎn)換速度快（0.2S 內(nèi)）、安全、可靠等優(yōu)點，但需要配備短路保護電器。1.2 控制

18、器控制器也有兩種形式： 一種由傳統(tǒng)的電磁式繼電器構(gòu)成；另一種是數(shù)字電子型智能化產(chǎn)品。它具有性能好，參數(shù)可調(diào)及精度高，可靠性高，使用方便等優(yōu)點。2產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析對比及 ATSE 的選擇目前，國內(nèi)市場上用于兩路電源切換的大致有三種開關(guān)電器：CB 級 ATSEPC級 ATSE刀開關(guān)（電動）。下面從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能及所遵循的標準三個方面，分別將 CB 級與 PC 級 ATSE PC 級 ATSE與刀開關(guān)（電動）進行對比和分析。從中不難發(fā)現(xiàn)，PC 級 ATSE 是理想的兩路電源切換電器產(chǎn)品。2.1CB 級與 PC 級 ATSE 兩者有以下區(qū)別2.1.1 兩者機械設(shè)計理念不同CB 級是由斷路器組成，而斷路器是

19、以分斷電弧為已任，要求它的機械應(yīng)快速脫扣。因 而斷路器的機構(gòu)存在滑扣、再扣問題；而PC 級產(chǎn)品不存在該方面問題。PC 級產(chǎn)品的可靠性遠高于 CB 級產(chǎn)品。2.1.2 斷路器不承載短路耐受電流，觸頭壓力小供電電路發(fā)生短路時，當觸頭被斥開產(chǎn)生限流作用，從而分斷短路電流；而PC 級 ATSE應(yīng)承受 20le 及以上過載電流。觸頭壓力大不易被斥開，因而觸頭不易被熔焊。這一特性對 消防供電系統(tǒng)尤為重要。2.1.3 兩路電源在轉(zhuǎn)換過程中存在電源疊加問題PC 級 ATSE 充分考慮了這一因素。 PC 級 ATSE 的電氣間隙、爬電距離的 180% 150%（標 準要求）。因而 PC 級 ATSE 安全性更好

20、。2.1.4 觸頭材料的選擇角度不同斷路器常常選擇銀鎢、 銀碳化鎢材料配對，這有利于分斷電弧。但該類觸頭材料易氧化， 備用觸頭長期暴露在外， 在其表現(xiàn)易形成阻礙導電、 難驅(qū)除的氧化物，當備用觸頭一但投入 使用，觸頭溫升增高易造成開關(guān)燒毀甚至爆炸；而 PC 級 ATSE 充分考慮了觸頭材料氧化帶來的后果。2.2PC 級 ATSE 與刀開關(guān)（電動）區(qū)別2.2.1 兩者遵循的標準不同PC 級 ATSE 符合 GB/T14048.11自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器。刀開關(guān)（電動）符合 GB14048.3開關(guān)、隔離器、隔離開關(guān)以及熔斷器組合電器。2.2.2 滅弧系統(tǒng)不同PC 級 ATSE 充分考慮了在電源轉(zhuǎn)換過程中可

21、能出現(xiàn)的二次電弧擊穿問題，所以對觸頭開距有一定要求，而且要求電弧的游離氣體應(yīng)迅速排放。否則，易造成電源相間短路。2.2.3 兩者電氣性能要求不同PC 級 ATSE 是在 6In 電流，1.05Ue 電壓下，接通/分斷循環(huán)次數(shù)為 12 次；而刀開關(guān)是在 3le/1Ue下，接通/分斷 5 次。兩者的電氣壽命、機械壽命也不同。PC 級 ATSE 的電氣壽命是在 2ln/1.05Ue 條件下至少操作循環(huán) 1000 次，機械壽命 5000 次；而刀開關(guān)的電氣壽命僅在 1ln/1Ue 條件下操作 200 次，機械壽命 800 次。兩者電氣可靠性不同。2.2.4 轉(zhuǎn)換速度不同PC 級 ATSE 轉(zhuǎn)換速度一般

22、小于 0.3s ;而刀開關(guān)用于雙電源軒換時轉(zhuǎn)換速度不少于1s。2.2.5 試驗方法不同在進行接通與分斷試驗時，PC 級 ATSE 是在不同的電源相序下進行 （滅弧能力考核較嚴）；而刀開關(guān)對相序無要求。通過上述對比可知 PC 級 ATSE 是理想的電源轉(zhuǎn)換開關(guān)產(chǎn)品。3 ATSE 產(chǎn)品的應(yīng)用隨著經(jīng)濟發(fā)展，現(xiàn)代生活和現(xiàn)代工業(yè)對斷電的容忍能力越來越差。國外工業(yè)發(fā)達國家（尤其是美國）把 ATSE 產(chǎn)品視為電源的一部分，對 ATSE 產(chǎn)品選擇與使用都很慎重。在雙電源緊 急供電系統(tǒng)首先 PC 級產(chǎn)品，且開關(guān)在轉(zhuǎn)換過程中不允許中間停留（即不帶零位）。其目的 是增加電源的可靠性。由于備用電源種類不同，ATSE

23、選擇也應(yīng)有所不同。目前，國內(nèi)備用電源有三種形式：（1）電網(wǎng)；（2）發(fā)電機組；（3）EPS（蓄電池組逆 變）。當備用電源為（2）或（3）時，其容量一般僅是常用電源容量的 20%30% ATSE 的控 制器一般應(yīng)有非重要負荷選擇功能（如圖 1 所示）。QT 由控制器控制。QT 在 ATSE 轉(zhuǎn)換前斷 開，在 ATSE 返回后閉合。注：Un 為常用電源（電網(wǎng)）2Ug 為備用電源（發(fā)電機）3Qg 為熔斷器隔離器4QT 為負荷選擇開關(guān)，由控制器操作。5DN 為控制器當 ATSE 使用在電路末端且用于消防電源轉(zhuǎn)換時，負荷過載應(yīng)有報警提示功能。其熔斷 器（Qg）保護特性應(yīng)與負載要求相匹配。ATSE-般是不允許帶大電動機或高感抗負載轉(zhuǎn)換。如大電動機負載在運行中切換，電源相位差距較大時它將受到巨大的機械應(yīng)力。同時由電動機產(chǎn)生的反電勢引起的過電流可能造成熔斷器熔斷或斷路器脫扣。解決方法常采用電阻吸收或減負荷方式。圖 1 是 ATSE 在緊急供電系統(tǒng)中理想的使用線路圖。圖中