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。
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(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，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(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)對負(fù)載的不間斷供電。基于這個(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。
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(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，及早發(fā)現(xiàn)問題。
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)施在今年過程中不能停電，否則將引起嚴(yán)重后果。機(jī)器裝機(jī)以來一直運(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
南京新港開發(fā)區(qū)博西華工地上用應(yīng)急電源驅(qū)動(dòng)卷簾門，功率18.5 kW，由一臺(tái)西門子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庫卷簾門能不間斷運(yùn)行，確保庫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
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(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。
