交流变频型不间断电源设计①

摘 要：本文介绍了交流变频型不间断电源的组成及工作原理，并举实例讲述了主要组成部分相关参数的确定。

关键词：不间断电源 变频器 蓄电池

中图分类号：TM61 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（a）-0007-02随着科学技术的高速发展及人民生活水平的不断提高，人们对电质量的要求及依赖性也越来越高。尤其是对一些不允许间断供电的重要负荷的场合提出了更高的要求，比如：转炉、氧枪提升等转动设备以及电力、冶金、石化等行业的冷却系统中的水泵、油泵等类负载，一旦断电将导致运行中的机组停运，会给企业造成巨大的经济损失。交流变频型不间断电源的出现为这些场合提供了可靠的电源保障。

1 设计思想

电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流对设备、管路的使用寿命都不利。而变频器的软启动功能可以使输出电压和频率均从零开始，即限制了启动电流，甚至小于额定电流电机都可以正常启动，这样不但减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，而且还延长了设备的使用寿命。

目前常用的电压型变频器，其中间直流环节的电压约为510～620 V，如果在市电停电后能为变频器的中间环节提供一路这样的直流电压，其逆变器就能不间断地输出三相正弦交流电压，而且其电压及频率均能连续可调。由此只要配套一组蓄电池，就可实现对负载的不间断供电。

2 系统组成和工作原理

由图1可以看出，交流变频型不间断电源主要由矢量变频器、蓄电池组、高频开关充电模块、监控模块和隔离变压器构成。

当交流供电正常时，由三相正弦交流电给变频器负荷提供电源且电池不接入变频器，同时交流电源由隔离变压器经充电模块对电池依电池状态处于浮充或均充工况，使充电安全且满容量充电，确保可靠后备电源；当交流输入电源中断时，电池投入变频器直流电源侧使变频器有可靠后备电源，继续提供三相变频电源输出。

3 实例应用

辽宁凌源钢铁项目现场要求变频器输出功率为15 kW，交流事故停电后由电池继续给变频器供电，保证负载能连续工作，且后备时间为10 min以上。

3.1 矢量变频器

变频器选取西门子6SE70系列，对应额定功率15 kW选取即可。电机制动时（事故刹车），其由惯性产生的能量需要被消耗掉，所以需配备相应的制动单元。制动单元实质上是一个斩波器，它根据直流母线上电压值的大小判断制动的状态从而进行投入和切除。同时它还可以监控制动电阻上流过的电流，使其正常、安全的工作。为了加大制动功率或提高长时间制动功率，可以再外接一个与其匹配的制动电阻。

3.2 蓄电池组

该设备采用阀控式密封铅酸免维护蓄电池（VRLA）作为后备电源，其具有寿命长、无污染、体积小、放电性能好、维护量小等优点。

3.2.1 电池只数的确定

根据变频器直流额定工作电压范围：510 V（-15%）-650（+10%），计算变频器正常工作电压的上限和下限值，即： V； V。

变频器的直流工作电压取其平均值，即：

由此得，取N=42只。

即： V

此电压值在变频器工作电压范围内，所以电池按42只选取即可。

Un为变频器直流输入电压；Uf为单体蓄电池浮充电电压。

3.2.2 电池终止电压的确定

根据变频器直流额定工作电压范围：510 V（-15%）-650（+10%），即当电压低至 V时，变频器仍然可以正常工作。

根据变频器最低工作电压，由此推算单只电池的放电终止电压为： V。

蓄电池放电电流的计算公式为：。

P为变频器功率，Pt为变频器功率因数，η为变频器效率，U为放电后电池组端电压 A。

对照阳光电池放电表（见表1），得知：终止电压在1.75 V时，放电15 min，大于32.96 A的电流值为46 A，即对应的电池为32 AH。由此可知15 kW的变频器，至少需要配备32 AH的电池。

3.3 充电模块的选择

充电模块采用新型大容量IGBT功率器件及先进的PWM脉宽调制技术，使其具有大功率输出的特点。同时充电模块采用独特结构，对小容量的电池也能做到稳定的恒流充电，不会过充或欠充。因此具有良好的稳压、稳流精度，确保用电安全和延长电池使用寿命。而且该IGBT充电模块带有内部温度检测，当温度高时，自动开启风扇散热。在此基础上采用抗干扰能力极强的计算机、串行A/D、D/A转换器等新型器件，实现模块的智能控制，确保其对电池进行恒压限流充电。通过通信接口还可对模块进行启/停控制、参数设定、运行状态检测等操作。

3.3.1 充电模块电压的确定

即

Ur为充电装置的额定电压；n为蓄电池单体个数；Ucm为充电末期单体蓄电池电压（阀控式铅酸蓄电池为2.4 V）。

根据，得出 V考虑到电网电压的波动及交流变直流时的占空比，为了提高电池和变频器的可靠性，在此基础上还需考虑一个可靠系数，即充电模块需输出的电压为： V，由此可知充电模块的输入电压为500 V，输出电压为605 V。

4.3.2 充电模块电流的确定

充电模块的主要作用就是给电池充电，而铅酸蓄电池充电电流为0.1C10，即为 A由此，充电模块额定电流为10 A，同时为了保证系统的可靠，一般充电模块都为冗余设计，即10 A充电模块2个。

3.4 监控模块

具有人机操作界面的监控模块是整个设备的信息处理中心，它分为监控单元和检测单元两部分。其功能为：通过内部通信总线与检测单元、充电模块等进行信息交换，获得各种运行参数，实施各种控制操作，从而实现电源系统的“四遥”功能，即遥信、遥测、遥控、遥调；根据获得的信息进行处理，并通过无源接点输出报警信息或给充电模块发出相应的控制命令；根据对交流进线电压的监测，控制双路交流输入的切换；按照预设的充电曲线控制充电模块对电池的充电；提供RS-232、RS-422或RS-485接口与后台计算机通信；监测交流输入电压、输出过压、输出电流、电池充电电压、电池充电电流。

3.5 变压器容量的确定

国内的供电电源一般都是380～400 V，而现在充电模块输入需要的交流电压为500 V，所以需要使用隔离变压器将电压由380 V升压到500 V，充电模块是给电池提供直流充电电压和电流的，电池已选定32 AH，那么根据铅酸阀控式电池的充电特性，充电电流按照0.1倍的电池容量，由此得到电池的充电电流为3.2 A。

由此得出变压器容量：

即

UE为整流变压器二次线电压；IE为整流变压器二次线电流；ID为直流侧电流

变压器选用/Y-11型，即变压器为 2.5 kVA，380/500 V/Y-11。

4 结语

此设备在现场运行良好，期间曾多次因为停电为现场提供了稳定可靠的电源，使现场设备能够正常运行，得到用户一致的认可。

参考文献

[1] 电力行业标准.电力工程直流系统设计技术规程[M].北京：中国电力出版社，2006.

[2] 白忠敏.电力工程直流系统设计手册[M].北京：中国电力出版社，2009，9.

[3] 陆俭国.中国电气工程大典―― 配电工程[M].北京：中国电力出版社，2009.