將變頻器改造成UPS的可行性

0 引言

隨著科學技術的高速發展，人民生活水平的不斷提高，人們對建筑物內的環境、使用功能、消防安全等提出了更高的要求。越現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移，一旦發生災害事故將導致電力中斷或電力中斷后發生災害事故，人民的生命財產安全將直接受到威脅。因此，《高層民用建筑設計防火規范》和《民用建筑電氣設計規范》中嚴格規定：一級負荷中特別重要的設備必須增設二路電源。目前，市場上常用的備用電源有發電機組、UPS、EPS等產品，至于它們三種供電方案以及衍生方案并不能保證電源100％不間斷。本文的內容是筆者根據工作幾年來從事EPS及UPS項目總結出來的。

1、 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2,2~1 500 kW的產品幾乎可以覆蓋目前所有的應用范圍。

目前常用的變頻器都是交-直-交類型的電壓源型變頻器，其中間直流環節的電壓約為510～620V，是三相交流電壓經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節提供另一路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連續可調，實現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，就可以實現對負載的不間斷供電。基于這個想法開發出一種新型UPS，即可成為變頻型交流不間斷電源，使變頻器在新的應用領域中得到應用。因UPS輸出是三相正弦波且穩壓穩頻，為了增加設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。

根據負載性質，這種可變頻UPS同樣可以像普通UPS一樣設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％以上。

本文以西門子公司通用變頻器產品為應用實例來說明這種電源的工作原理、架構組成和設計方法。

2 系統組成和工作原理

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，數字面板表及及半導體節能燈人機接口單元，結構圖如圖1所示。

將變頻器改成不間斷電源的可行性及應用

2.1 矢量型變頻器

本文仍以西門子產品為例，其技術參數為：

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。

2.2 蓄電池組

選用閥控式全密封鉛酸免維護電池，一般200A·h以上為2V/單只電池。

2.2.1 組串聯只數N的確定

串聯只數M取決于通用變頻器中間環節直流電壓的最大和最小允許值。不間斷電源在正常運行時，系統處于浮充電狀態，電池只數N應為將變頻器改成不間斷電源的可行性及應用

式中：N為蓄電池組串聯只數，Ue為變頻器中間直流環節額定電壓，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，電池端電壓Ud=42×2.25V×6=567V，電壓均在設備允許范圍內。