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(duì)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(duì)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(jí)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(chǎng)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(lái)從事EPS及UPS項(xiàng)目總結(jié)出來(lái)的。
解決問(wèn)題的方法
變頻器無(wú)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(dòng)功能，即電機(jī)起動(dòng)時(shí)，因?yàn)檩敵鲭妷汉皖l率均可從零開(kāi)始，就限制了電機(jī)的起動(dòng)電流，甚至小于額定電流就可以正常起動(dòng)。變頻器的容量，在380V電壓等級(jí)，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(guò)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(dòng)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(duì)負(fù)載的不間斷供電。基于這個(gè)想法開(kāi)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(duì)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(guò)載能力為150%時(shí)3 s，整機(jī)效率為98%以上。
本文以西門(mén)子公司通用變頻器產(chǎn)品為應(yīng)用實(shí)例來(lái)說(shuō)明這種電源的工作原理、架構(gòu)組成和設(shè)計(jì)方法。
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。
a 矢量型變頻器
本文仍以西門(mén)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。
b 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。
ba 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
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(mén)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)。
bb 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(jì)算：
仍以西門(mén)子產(chǎn)品為例，取Ue=510V則Uz=(O.875x510V)/(6×42)=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=1.8V。即單只電池終止電壓Uz=1.8x6=10.8V，蓄電池組電壓Ud=10.8×42=453 V，略小于變頻器允許的最小電壓值Ue(min)=459 V，尚能滿足變頻器工作要求。
bc 蓄電池組容量Q的確定
電池組容量Q(A•h)取決于負(fù)載額定電源電流I及市電停電后負(fù)載由蓄電池供電延遲的時(shí)間T以及電池組放電后的終止電壓Uz。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(jìn)行選擇計(jì)算。計(jì)算具體可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，以15 kW負(fù)載，停電維持時(shí)間l h為例，計(jì)算結(jié)果為：選50A.h電池42只。
c 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，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10～20A，輸出電壓274~300V可調(diào)，可對(duì)400A•h以下的電池組進(jìn)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287~289V)，可降低充電模塊的輸出電壓值，使模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化從而降低成本。這種充電板也可并聯(lián)使用。
d 整流二極管
采用大功率整流器件二極管組成直流隔離開(kāi)關(guān)，當(dāng)市電正常時(shí)，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(diǎn)是電池組在浮充電時(shí)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。當(dāng)市電停電時(shí)二級(jí)管瞬時(shí)導(dǎo)通，電池組瞬間放電，可以做到負(fù)載由市電供電和電池組供電的瞬時(shí)轉(zhuǎn)換，是在線式不間斷電源的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
e 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(diǎn)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(dǎo)體節(jié)能燈人機(jī)接口單元用。
f 數(shù)字面板表及及半導(dǎo)體節(jié)能燈人機(jī)接口單元
用數(shù)字面板表及及半導(dǎo)體節(jié)能燈人機(jī)接口單元組成具有人機(jī)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(yùn)行參數(shù)顯示;電源工作狀態(tài)顯示;故障狀態(tài)報(bào)警以及通過(guò)RS485和上位機(jī)通訊實(shí)現(xiàn)四遙功能，如圖2所示。
g 電池平衡管理器及電池檢測(cè)系統(tǒng)
因?yàn)椴婚g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(gè)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(kāi)發(fā)的)來(lái)檢測(cè)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(cè)128節(jié)電池。另外，為了保持充電及放電時(shí)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(shí)電池的一致性，可把落后的電池挑出來(lái)，及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。
h 輸出隔離變壓器及LC濾波器
因?yàn)樽冾l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，其電感值選為1.5 mH，電容值為20μF。同時(shí)為了增加此不間斷電源的帶載能力和可靠性，避免趕擾負(fù)載，在變頻器的輸出端接一個(gè)△/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(shí)直流電壓逐漸下降至DC459V時(shí)，其變頻器輸出的實(shí)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(diǎn)是會(huì)使變頻器的功率變小。
應(yīng)用實(shí)例
根據(jù)上述的工作原理，本文作者于2002年研制成功一臺(tái)22kW在線式可變頻交流不間斷電源的樣機(jī)，原理見(jiàn)圖1所示，試驗(yàn)取得成功，并在實(shí)際中獲得應(yīng)用，均取得成功。
a 應(yīng)用實(shí)例1
北京建筑設(shè)計(jì)院會(huì)議及食堂多功能大樓的應(yīng)急照明系統(tǒng)，負(fù)載功率22 kW，后備延時(shí)時(shí)間為90min，應(yīng)急照明通道及消防設(shè)施在今年過(guò)程中不能停電，否則將引起嚴(yán)重后果。機(jī)器裝機(jī)以來(lái)一直運(yùn)行良好，期間曾多次因施工事故停電，但該機(jī)不間斷供電保證該大樓的正常運(yùn)行。
b 應(yīng)用實(shí)例2
南京新港開(kāi)發(fā)區(qū)博西華工地上用應(yīng)急電源驅(qū)動(dòng)卷簾門(mén)，功率18.5 kW，由一臺(tái)西門(mén)子MICRO-MASTER 440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(cāng)庫(kù)卷簾門(mén)能不間斷運(yùn)行，確保庫(kù)存的家電能正常出貨。2005年我公司為其設(shè)計(jì)制造一臺(tái)在線式不間斷電源，電池容量為65 A•h，42只，后備延時(shí)60 min。
結(jié)語(yǔ)
可變頻交流不間斷電源是適用于各種負(fù)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(guó)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(xiě)這篇文章希望對(duì)國(guó)內(nèi)的電源技術(shù)提高盡微薄之力。對(duì)于不允許停電的負(fù)載負(fù)載，選擇這種電源要比選擇普通UPS具有很高的性能價(jià)格比。因此是一種值得推廣應(yīng)用的電源設(shè)備。
- 相比普通UPS，利用變頻器可開(kāi)發(fā)性價(jià)比更高的應(yīng)急電源。
- 該類電源的工作原理、架構(gòu)組成和設(shè)計(jì)方法。
- 應(yīng)用范例舉例。
- 為變頻器中間環(huán)節(jié)增加直流電源實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)的交流輸出。
- 電池平衡管理器可保持電池充放電時(shí)的一致性。
