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(chǎn)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(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)，實現(xiàn)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(xiàn)對負載的不間斷供電。基于這個想法開發(fā)出一種新型UPS，即可成為變頻型交流不間斷電源，使變頻器在新的應用領(lǐng)域中得到應用。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)負載性質(zhì)，這種可變頻UPS同樣可以像普通UPS一樣設(shè)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(chǎn)品為應用實例來說明這種電源的工作原理、架構(gòu)組成和設(shè)計方法。

     2 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)字面板表及及半導體節(jié)能燈人機接口單元，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。2.1 矢量型變頻器河南廣潤自動化設(shè)備有限公司　網(wǎng)址：http://m.xtze.cn 鄭州變頻器維修中心 維修電話：0371- 56700815  15515598858

   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。

     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。

      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)直流電壓的比較大和比較小允許值。不間斷電源在正常運行時，系統(tǒng)處于浮充電狀態(tài)，電池只數(shù)N應為將變頻器改成不間斷電源的可行性及應用    

   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(shè)備允許范圍內(nèi)。

   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比較低電壓值。將變頻器改成不間斷電源的可行性及應用

   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比較小電壓值Ue(min)=459 V，尚能滿足變頻器工作要求。

    蓄電池組容量Q的確定

    電池組容量Q(A?h)取決于負載額定電源電流I及市電停電后負載由蓄電池供電延遲的時間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行選擇計算。計算具體可根據(jù)經(jīng)驗公式，以15 kW負載，停電維持時間l h為例，計算結(jié)果為：選50A.h電池42只。

    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。

     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)，當市電正常時，二極管處于關(guān)斷狀態(tài)，切斷電池組與變頻器的通路，但缺點是電池組在浮充電時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。當市電停電時二級管瞬時導通，電池組瞬間放電，可以做到負載由市電供電和電池組供電的瞬時轉(zhuǎn)換，是在線式不間斷電源的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

   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)字面板表及及半導體節(jié)能燈人機接口單元用。河南廣潤自動化設(shè)備有限公司　網(wǎng)址：http://m.xtze.cn 鄭州變頻器維修中心 維修電話：0371- 56700815  15515598858

    數(shù)字面板表及及半導體節(jié)能燈人機接口單元

   用數(shù)字面板表及及半導體節(jié)能燈人機接口單元組成具有人機操作顯示界面的監(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;運行參數(shù)顯示;電源工作狀態(tài)顯示;故障狀態(tài)報警以及通過RS485和上位機通訊實現(xiàn)四遙功能。

   電池平衡管理器及電池檢測系統(tǒng)

   因為不間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系統(tǒng)崩潰的教訓，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，這類巡檢儀比較多能檢測128節(jié)電池。另外，為了保持充電及放電時每節(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電池的一致性，可把落后的電池挑出來，及早發(fā)現(xiàn)問題。

   輸出隔離變壓器及LC濾波器

   因為變頻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。同時為了增加此不間斷電源的帶載能力和可靠性，避免趕擾負載，在變頻器的輸出端接一個△/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(因電池放電時直流電壓逐漸下降至DC459V時，其變頻器輸出的實際電壓為AC 325V)，這是在線式不間斷電源的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但缺點是會使變頻器的功率變小。河南廣潤自動化設(shè)備有限公司　網(wǎng)址：http://m.xtze.cn 鄭州變頻器維修中心 維修電話：0371- 56700815  15515598858