将变频器改造成UPS的可行性

0 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项目总结出来的。

1、 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2,2~1 500 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510～620V，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510～620 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，而且其电压为0~380V、频率为O～50Hz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一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％以上。

本文以西门子公司通用变频器产品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。

将变频器改成不间断电源的可行性及应用

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380～460V±10％f变频器)；

输出电压 3相0~380V或380(1±3％)V；

输入频率 50/60(1±6%)Hz：

输出频率 0~600Hz或50/60(1±1％)Hz。

2.2 蓄电池组

选用阀控式全密封铅酸免维护电池，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应为将变频器改成不间断电源的可行性及应用

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=510～620V，即Ue(min)=510V×O.9=459V，Ue(max)=620x1.1=682V，是变频器能正常工作的电压上限和下限值，取平均值：Ue=(459 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=42×2.25V×6=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：

将变频器改成不间断电源的可行性及应用

仍以西门子产品为例，取Ue=510V则Uz=(O.875x510V)/(6×42)=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=1.8V。即单只电池终止电压Uz=1.8x6=10.8V，蓄电池组电压Ud=10.8×42=453 V，略小于变频器允许的最小电压值Ue(min)=459 V，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(A·h)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l h为例，计算结果为：选50A.h电池42只。

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