将变频器改成不间断电源可行性应用

1、文章标题：将变频器改成不间断电源的可行性及应用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

2、总结出来的。I 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 2,21 500 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510620V,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 510620 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

3、且其电压为 0380V、频率为 X50Hz 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 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 鳩上。本文以西门子公司通用变频器产品

4、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 380460V10%f 变频器);输出电压 3 相 0380V 或 380(1 3%)V;输入频率 50/60(16%)Hz：输出频率 0600Hz 或 50/60(1 1%)Hz。2.2 蓄电池组选用阀控式全密封铅酸免

5、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=510620V,即 Ue(min)=510VXO.9=459V, Ue(max)=620 x1.1=682V，是变频 器能正常工作的电压上限和下限值，取平均值：Ue=(4

6、59 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=42X2.25VX6=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)/(6X42)=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

7、=1.8V。即单只电池终止 电压Uz=1.8x6=10.8V，蓄电池组电压 Ud=10.8X42=453 V,略小于变频器允许的最小电压值 Ue(min)=459V，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(Ah)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 I h 为例，计算结果为：选 50A.h 电池 42 只。2.3DC/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

8、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 1020A,输出电压 274300V可调，可对 400Ah 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 287289V),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

9、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 什 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 RS

10、485 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，

11、其电感值选为 1.5 mH，电容值为 20 诉。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

12、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-MASTER40 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

13、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。文章标题：自动转换开关电器 ATSE 勺现状选择与应用1 国内外 ATSE 产品现状自动转换开关电器 （ATSE 主要用在紧急供电系统， 是将负载电路从一个电源自动换接 至另一个（备用）电源的开关电器，以确保重要负荷连续、可靠运行。因此，ATSE 常常应用在重要用电场所，其产品可靠

14、性尤为重要。转换一旦失败将会造成以下二种危害之一：电源间的短路或重要负荷断电（甚至短暂停电），其后果都是严重的。这不仅仅会带来经济损失（使生产停顿、金融瘫痪），也可能造成社会问题（使生命及安全处于危险之中）。因此，工业发达国家都把自动转换开关电器的生产、使用列为重点加以限制与规范。我国自动转换开关电器的研制和生产在90 年代初还处于空白状态，也无国家标准。国内所需的双电源转换装置往往由设计、成套部门用接触器、断电器等产品组合而成来替代。这种方案性产品往往因没有经过测试检验，其可靠性、安全性存在较大隐患 （尤其是用两台接触器作为两路电源转换，电气连锁极不可靠，锁极一旦失败，将造成两台电源变压器并

15、联，电源并联形成的系统潮流严重的可催毁整个供电系统）。之后由天津低压电器公司开发了由断路器+机械连锁+控制器构成自动转换开关电器。它的进步是由产品替代方案，并按一定技术规范进行产品试验验证，产品的可靠性、安全性大大提高。90 年代中期，针对国内市场急需高性能、高可靠自动转换开关电器产品的现状，日本、法国、德国、美国等自动转换开 关电器先后打入中国市场，在一定程度上缓解了我国市场需求。近几年，我国的自动转换开关电器生产企业（尤其是生产CB 级 ATSE 企业）迅速增加，其产品性能及产品质量不一，给设计、使用部门选用造成一定困难，也由于对ATSE 使用和选用不当，给国家财产造成很大损失。为了规范自

16、动转换开在电器（ATSE 产品的生产与选用，国家质检总局于 2002 年 12 月颁布了 GB/T14048.11-2002自动转换开关电器（等同IEC60947.6.1-1998 ）国家标准，2003 年 4 月 1 日实施。该标准将是今后 ATSE 生产制造； 企业、设计使用单位、商业活动共同遵循的一部技术性法规文件，也将是3C 认证依据的技术法规。自动转换开关电器（ATSE 分 PC 有与 CB 级两种。代表 PC 级的具有世界先进水平的产品有美国的 ASCC 及 ONAN代表 CB 级的有德国穆勒的 ATS-NZM 法国的施耐德。目前，国内生产 CB 级 ATSE 产品的企业约几十家，

17、如天津低压电器公司、常熟开关厂、 温州三开及穆勒电气 （上海）有限公司等。生产 PC 级 ATSE 产品的企业有上海上江电器制造 有限公司，广东奇正、北京第一低压电器、上海环奇等。生产电动式刀开关（用于双电源切换）产品的企业也有5-6 家，如法国朔高美等。ATSE-般由两部分组成：开关电器本体；控制器。1.1 开关电器本体开关电器本体又分两类：第一类为 CB 级。它是由两台断路器加机械连锁组成，具有短路保护功能；第二类为 PC 级，一体式结构（三点式）。它是双电源切换的专用开关，具有结构简单、 体积小、自身连锁、转换速度快（0.2S 内）、安全、可靠等优点，但需要配备短路保护电器。1.2 控制

18、器控制器也有两种形式： 一种由传统的电磁式继电器构成；另一种是数字电子型智能化产品。它具有性能好，参数可调及精度高，可靠性高，使用方便等优点。2产品结构分析对比及 ATSE 的选择目前，国内市场上用于两路电源切换的大致有三种开关电器：CB 级 ATSEPC级 ATSE刀开关（电动）。下面从产品结构、性能及所遵循的标准三个方面，分别将 CB 级与 PC 级 ATSE PC 级 ATSE与刀开关（电动）进行对比和分析。从中不难发现，PC 级 ATSE 是理想的两路电源切换电器产品。2.1CB 级与 PC 级 ATSE 两者有以下区别2.1.1 两者机械设计理念不同CB 级是由断路器组成，而断路器是

19、以分断电弧为已任，要求它的机械应快速脱扣。因 而断路器的机构存在滑扣、再扣问题；而PC 级产品不存在该方面问题。PC 级产品的可靠性远高于 CB 级产品。2.1.2 断路器不承载短路耐受电流，触头压力小供电电路发生短路时，当触头被斥开产生限流作用，从而分断短路电流；而PC 级 ATSE应承受 20le 及以上过载电流。触头压力大不易被斥开，因而触头不易被熔焊。这一特性对 消防供电系统尤为重要。2.1.3 两路电源在转换过程中存在电源叠加问题PC 级 ATSE 充分考虑了这一因素。 PC 级 ATSE 的电气间隙、爬电距离的 180% 150%（标 准要求）。因而 PC 级 ATSE 安全性更好

20、。2.1.4 触头材料的选择角度不同断路器常常选择银钨、 银碳化钨材料配对，这有利于分断电弧。但该类触头材料易氧化， 备用触头长期暴露在外， 在其表现易形成阻碍导电、 难驱除的氧化物，当备用触头一但投入 使用，触头温升增高易造成开关烧毁甚至爆炸；而 PC 级 ATSE 充分考虑了触头材料氧化带来的后果。2.2PC 级 ATSE 与刀开关（电动）区别2.2.1 两者遵循的标准不同PC 级 ATSE 符合 GB/T14048.11自动转换开关电器。刀开关（电动）符合 GB14048.3开关、隔离器、隔离开关以及熔断器组合电器。2.2.2 灭弧系统不同PC 级 ATSE 充分考虑了在电源转换过程中可

21、能出现的二次电弧击穿问题，所以对触头开距有一定要求，而且要求电弧的游离气体应迅速排放。否则，易造成电源相间短路。2.2.3 两者电气性能要求不同PC 级 ATSE 是在 6In 电流，1.05Ue 电压下，接通/分断循环次数为 12 次；而刀开关是在 3le/1Ue下，接通/分断 5 次。两者的电气寿命、机械寿命也不同。PC 级 ATSE 的电气寿命是在 2ln/1.05Ue 条件下至少操作循环 1000 次，机械寿命 5000 次；而刀开关的电气寿命仅在 1ln/1Ue 条件下操作 200 次，机械寿命 800 次。两者电气可靠性不同。2.2.4 转换速度不同PC 级 ATSE 转换速度一般

22、小于 0.3s ;而刀开关用于双电源轩换时转换速度不少于1s。2.2.5 试验方法不同在进行接通与分断试验时，PC 级 ATSE 是在不同的电源相序下进行 （灭弧能力考核较严）；而刀开关对相序无要求。通过上述对比可知 PC 级 ATSE 是理想的电源转换开关产品。3 ATSE 产品的应用随着经济发展，现代生活和现代工业对断电的容忍能力越来越差。国外工业发达国家（尤其是美国）把 ATSE 产品视为电源的一部分，对 ATSE 产品选择与使用都很慎重。在双电源紧 急供电系统首先 PC 级产品，且开关在转换过程中不允许中间停留（即不带零位）。其目的 是增加电源的可靠性。由于备用电源种类不同，ATSE

23、选择也应有所不同。目前，国内备用电源有三种形式：（1）电网；（2）发电机组；（3）EPS（蓄电池组逆 变）。当备用电源为（2）或（3）时，其容量一般仅是常用电源容量的 20%30% ATSE 的控 制器一般应有非重要负荷选择功能（如图 1 所示）。QT 由控制器控制。QT 在 ATSE 转换前断 开，在 ATSE 返回后闭合。注：Un 为常用电源（电网）2Ug 为备用电源（发电机）3Qg 为熔断器隔离器4QT 为负荷选择开关，由控制器操作。5DN 为控制器当 ATSE 使用在电路末端且用于消防电源转换时，负荷过载应有报警提示功能。其熔断 器（Qg）保护特性应与负载要求相匹配。ATSE-般是不允许带大电动机或高感抗负载转换。如大电动机负载在运行中切换，电源相位差距较大时它将受到巨大的机械应力。同时由电动机产生的反电势引起的过电流可能造成熔断器熔断或断路器脱扣。解决方法常采用电阻吸收或减负荷方式。图 1 是 ATSE 在紧急供电系统中理想的使用线路图。图中