0 引言
隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,人民生活水平的不斷提高,人們對建筑物內(nèi)的環(huán)境、使用功能、消防安全等提出了更高的要求。越現(xiàn)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(zhuǎn)移,一旦發(fā)生災(zāi)害事故將導(dǎo)致電力中斷或電力中斷后發(fā)生災(zāi)害事故,人民的生命財(cái)產(chǎn)安全將直接受到威脅。因此,《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》中嚴(yán)格規(guī)定:一級負(fù)荷中特別重要的設(shè)備必須增設(shè)二路電源。目前,市場上常用的備用電源有發(fā)電機(jī)組、UPS、EPS等產(chǎn)品,至于它們?nèi)N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(nèi)容是筆者根據(jù)工作幾年來從事EPS及UPS項(xiàng)目總結(jié)出來的。
l 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(zhuǎn)矩控制型,都是具有變頻軟起動(dòng)功能,即電機(jī)起動(dòng)時(shí),因?yàn)檩敵鲭妷汉皖l率均可從零開始,就限制了電機(jī)的起動(dòng)電流,甚至小于額定電流就可以正常起動(dòng)。變頻器的容量,在380V電壓等級,功率范圍從2,2~1500kW的產(chǎn)品幾乎可以覆蓋目前所有的應(yīng)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510~620V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(shí)現(xiàn)負(fù)載的軟起動(dòng)或者達(dá)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(shí)現(xiàn)對負(fù)載的不間斷供電;谶@個(gè)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(yīng)用領(lǐng)域中得到應(yīng)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(fù)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(fù)載性質(zhì),這種可變頻UPS同樣可以像普通UPS一樣設(shè)計(jì)成后備式和在線式。該電源的過載能力為150%時(shí)3s,整機(jī)效率為98%以上。
本文以西門子公司通用變頻器產(chǎn)品為應(yīng)用實(shí)例來說明這種電源的工作原理、架構(gòu)組成和設(shè)計(jì)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(dǎo)體節(jié)能燈人機(jī)接口單元,結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
2.1矢量型變頻器
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。
2.2蓄電池組
選用閥控式全密封鉛酸免維護(hù)電池,一般200A·h以上為2V/單只電池。
2.2.1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)直流電壓的最大和最小允許值。不間斷電源在正常運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)處于浮充電狀態(tài),電池只數(shù)N應(yīng)為
式中:N為蓄電池組串聯(lián)只數(shù),
Ue為變頻器中間直流環(huán)節(jié)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=2.25V)。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=(459V+682v)/2=
570.5V。
則N=Ue/6Uf=570.5V/(6x2.25V)=42.25,取N=42只。
浮充時(shí),電池端電壓Ud=42×2.25V×6=567V,電壓均在設(shè)備允許范圍內(nèi)。
2.2.2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最低電壓值。Uz可按式(2)計(jì)算:
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=453V,略小于變頻器允許的最小電壓值Ue(min)=459V,尚能滿足變頻器工作要求。
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