一种新型不间断电源

0 引言

在冶金、石化、制药等行业中，有一些重要的生产设备，如冶金企业的炼钢转炉和铜冶炼转炉的传动装置、炼钢转炉氧枪提升传动装置、连铸机大包转台传动装置、石化系统的重要泵类和制药厂的搅拌罐设备、化纤抽丝工艺等，当交流电网出现电压瞬变、停电等故障时，不允许设备中断运转，应当继续运行至完成当前的生产工艺或运转到安全位置再停车，否则会造成很大的经济损失。一般情况下这些设备都是由变频器驱动的，如果采用在线式工业UPS不仅造价昂贵、而且电源的利用效率会下降很多。多数企业因没有后备电源而不得不承受电网故障造成的损失。因此，对一种投资小、效率高的不间断电源系统需求非常旺盛。

1 系统工作原理

该新型不间断电源在工业应用中有两种型式，即共直流母线不间断电源，和非共直流母线不间断电源。其原理图分别如图1与图2所示。

图1 共直流母线不间断电源原理图 图2 非共直流母线不间断电源原理图 共直流母线的不间断电源系统尤其适合于精度较高的生产线，且在工艺的不同部分要求同步性较高的状况下有出色的性能。一方面各变频器的电压中间回路通过快速熔断器耦合在直流母线上，因此，一条线上各变频器的公共电压是绝对一致的，在同样的控制信号下提供了出色的同步性能；另一方面当某个环节出现制动时，其制动能量可以被其它驱动装置利用，避免一般系统的制动能量通过制动电阻白白地浪费掉，提高了电源效率。 在交流电网正常工作情况下，驱动系统通过共有整流单元工作，蓄电池组工作于浮充状态、维持满容；当电网出现瞬变或停电时，交流监测单元将信号传递至监控系统，控制输出耦合单元在几十μs内切换至导通状态，接通蓄电池与直流母线，实现了驱动系统的不间断工作。当市电恢复工作后，切断输出耦合单元，充电装置恢复对蓄电池组充电至满容。逆变单元为PLC、工控机等需要交流电源工作的设备提供高质量电源。 非共直流母线不间断电源，可以满足各种工业现场作为第二或第三电源的要求。提供500V直流输出、50Hz交流输出、同时提供60Hz交流输出（可选项应用在特殊进口设备对电源的要求上）。在交流电网正常工作情况下驱动系统正常工作，蓄电池组通过充电单元工作于浮充状态、维持满容；当电网出现瞬变或停电时，交流监测单元将信号传递至监控系统，控制输出耦合单元在几十μs内切换至导通状态，接通蓄电池与直流输出母线，实现了驱动系统的不间断工作，该系统中变频器的各中间回路是隔离的。当市电恢复工作后，切断输出耦合单元，充电装置对蓄电池组恢复充电至满容。逆变单元为PLC、工控机等需要交流电源工作的设备提供高质量电源。 2 技术特点 系统采用了模块化的设计方法，不同功率的电源易于重构，方便使用、维护及安装调试。共有以下组成部分。 2.1 TZrec(F)整流（回馈）单元 功率范围0.5～400kW，内含预充电控制电路，对电网的冲击很小。整流单元分为6脉动整流单元与12脉动整流单元，如图3及图4所示。12脉动整流单元采用了移相变压器及双桥整流，输出的直流脉动小，能显著提高电源的功率因数，减少对电网的污染，配合制动单元、为不需要频繁制动的系统提供了简洁、低投资的电源馈入方案。整流回馈单元能够将系统的制动能量反馈回电网，实现了交流输入完美无谐波，大大提高了能源利用效率和降低了对电网的污染。 图3 6脉动整流 图4 12脉动整流 2.2 TZchar充电单元及蓄电池组 1）充电单元集成了对电池组的管理能力，模块采用先进的全桥软开关变换器，有突出的抗短路能力，并且采用1＋1冗余备份及无主从自主均流技术，具备极高的可靠性。当电池亏电时充电单元以0.1C10的电流充电，当满容时转入浮充运行。当一个充电模块损坏时、另一个承担全部输出功率，极大地提高了可靠性。 2）蓄电池组采用阀控式免维护蓄电池，在满足温度的条件下电池组寿命可达10～15年。其容量选择由负载功率P（W）及后备时间Ts（h）来决定。采用42节蓄电池串联，其容量（A·h）的计算为C=（P/480）Tσ，（C指按10h放电率的容量；σ为容量系数，由于放电率较大，一般取0.4左右）。 2.3 TZcouple输出耦合单元 提供了从0.5～1000A的直流输出耦合能力，从市电供电至后备的切换时间仅需μs级，实现了无缝供电。采用了大功率IGBT及过流封锁技术，保证了高速开关的可靠稳定工作。输出耦合单元的电路如图5所示。