将变频器改成不间断电源的可行性及应用

将变频器改成不连续电源的可行性及应用
引言
随着科学技术的高速开展，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、消防平安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，人民的生命财产平安将直承受到威胁。

因此，?高层民用建筑设计防火规X?和?民用建筑电气设计规X?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%不连续。

本文的内容是笔者根据工作几年来从事EPS及UPS工程总结出来的。

l 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场，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X围从2,2~1 500 kW的产品几乎可以覆盖目前所有的应用X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逆变器就能不连续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到达输出电压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连续供电。

基于这个想法开发出一种新型UPS，即可成为变频型交流不连续电源，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防止对负载的干扰，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，构造图如图1所示。

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确实定
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。

不连续电源在正常运行时，系统处于浮充电状态，电池只数N应为
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。

那么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X围内。

2.2.2 蓄电池放电终止电压Uz确实定
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：
仍以西门子产品为例，取Ue=510V那么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确实定
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展选择计算。

计算具体可根据经历公式，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。

2.3 DC/DC直流变换器降压充电板
充电模块的工作原理是采用IGBT电力电子器件组成Buck(降压)隔离型直流变换器，耐压为l 200V.电流那么根据电池容量按0.1C(10)充电，单板可输出电流10～20A，输出电压274~300V 可调，可对400A·h以下的电池组进展浮充充电。

将电池组分成相等数量的假设干组(例如将42只电池分为两组，每组21只，充电电压仅为287~289V)，可降低充电模块的输出电压值，使模块构造简单化从而降低本钱。

这种充电板也可并联使用。

2.4 整流二极管
采用大功率整流器件二极管组成直流隔离开关，当市电正常时，二极管处于关断状态，切断电池组与变频器的通路，但缺点是电池组在浮充电时有可能因端电压高与市电经整流后输出的直流电压引起放电而不能充满。

当市电停电时二级管瞬时导通，电池组瞬间放电，可以做到负载由市电供电和电池组供电的瞬时转换，是在线式不连续电源的关键环节。

2.5 DC/DC降压工作电源(+24V)模块
采用Buck降压型DC/DC直流变换器可将通用变频器直流点电压转换成逻辑控制板所需的电压+24 V，供数字面板表及及半导体节能灯人机接口单元用。

2.6 数字面板表及及半导体节能灯人机接口单元
用数字面板表及及半导体节能灯人机接口单元组成具有人机操作显示界面的监控系统，其功能为：充电板及电池电压值、输出电流值、输入市电电压值、输出电压值;电源起停操作;运行参数显示;电源工作状态显示;故障状态报警以及通过RS485和上位机通讯实现四遥功能，如图2所示。

2.7 电池平衡管理器及电池检测系统
因为不连续电源用的电池较多，根据以往UPS多是电池故障而影响整个系统崩溃的教训，在电池组增加了电池巡检仪(本公司自己开发的)来检测每节电池的电压、内阻、放电电流及环境温度，这类巡检仪最多能检测128节电池。

另外，为了保持充电及放电时每节电池的电压保持一致,本公司自主研发了电池平衡管理器。

这样能保持充电放电时电池的一致性，可把落后的电池挑出来，及早发现问题。

2.8 输出隔离变压器及LC滤波器
因为变频器输出电压波形是高频的阶梯波，要使输出的波形是完美的正旋波，所以在隔离变压器后面加上LC滤波器，其电感值选为1.5 mH，电容值为20μF。

同时为了增加此不连续电源的带载能力和可靠性，防止赶扰负载，在变频器的输出端接一个△/Y隔离变压器，其变比为300：380，变比的选择关系到输出的稳压精度(因电池放电时直流电压逐渐下降至DC459V时，其变频器输出的实际电压为AC 325V)，这是在线式不连续电源的关键环节，但缺点是会使变频器的功率变小。

3 应用实例
根据上述的工作原理，本文作者于2002年研制成功一台22kW在线式可变频交流不连续电源的样机，原理见图1所示，试验取得成功，并在实际中获得应用，均取得成功。

3.1 应用实例1
建筑XX会议及食堂多功能大楼的应急照明系统，负载功率22 kW，后备延时时间为90min，应急照明通道及消防设施在今年过程中不能停电，否那么将引起严重后果。

机器装机以来一直运行良好，期间曾屡次因施工事故停电，但该机不连续供电保证该大楼的正常运行。

3.2 应用实例2
XX新港开发区博西华工地上用应急电源驱动卷帘门，功率18.5 kW，由一台西门子MICRO-MASTER 440变频器(功率22 kW)供电，要求市电停电后必须接入后备电源保证该公司的仓库卷帘门能不连续运行，确保库存的家电能正常出货。

2005年我公司为其设计制造一台在线式不连续电源，电池容量为65 A·h，42只，后备延时60 min。

4 结语
可变频交流不连续电源是适用于各种负载的应用电源，它具备普通交流不连续电源和变频器的双重功能。

据查目前国内外电源厂家很多已将此电源改成应急电源，但这方面的文章极少，本人写这篇文章希望对国内的电源技术提高尽微薄之力。

对于不允许停电的负载负载，选择这种电源要比选择普通UPS具有很高的性能价格比。

因此是一种值得推广应用的电源设备。

文章标题:自动转换开关电器ATSE的现状选择与应用
1 国内外ATSE产品现状
自动转换开关电器〔ATSE〕主要用在紧急供电系统，是将负载电路从一个电源自动换接至另一个〔备用〕电源的开关电器，以确保重要负荷连续、可靠运行。

因此，ATSE常常应用在重要用电场所，其产品可靠性尤为重要。

转换一旦失败将会造成以下二种危害之一：电源间的短路或重要负荷断电〔甚至短暂停电〕，其后果都是严重的。

这不仅仅会带来经济损失〔使生产停顿、金融瘫痪〕，也可能造成社会问题〔使生命及平安处于危险之中〕。

因此，工业兴旺国家都把自动转换开关电器的生产、使用列为重点加以限制与规X。

我国自动转换开关电器的研制和生产在90年代初还处于空白状态，也无国家标准。

国内所需的双电源转换装置往往由设计、成套部门用接触器、断电器等产品组合而成来替代。

这种方案性产品往往因没有经过测试检验，其可靠性、平安性存在较大隐患〔尤其是用两台接触器作为两路电源转换，电气连锁极不可靠，锁极一旦失败，将造成两台电源变压器并联，电源并联形成的系统潮流严重的可催毁整个供电系统〕。

之后由XX低压电器公司开发了由断路器+机械连锁+控制器构成自动转换开关电器。

它的进步是由产品替代方案，并按一定技术规X进展产品试验验证，产品的可靠性、平安性大大提高。

90年代中期，针对国内市场急需高性能、高可靠自动转换开关电器产品的现状，日本、法国、德国、美国等自动转换开关电器先后打入中国市场，在一定程度上缓解了我国市场需求。

近几年，我国的自动转换开关电器生产企业〔尤其是生产CB级ATSE企业〕迅速增加，其产品性能及产品质量不一，给设计、使用部门选用造成一定困难，也由于对ATSE使用和选用不当，给国家财产造成很大损失。

为了规X自动转换开在电器〔ATSE〕产品的生产与选用，国家质检总局于2002年12月公布了GB/T14048.11-2002?自动转换开关电器?〔等同IEC60947.6.1-1998〕国家标准，2003年4月1日实施。

该标准将是今后ATSE生产制造；企业、设计使用单位、商业活动共同遵循的一部技术性法规文件，也将是3C认证依据的技术法规。

自动转换开关电器〔ATSE〕分PC有与CB级两种。

代表PC级的具有世界先进水平的产品有美国的ASCO及ONAN。

代表CB级的有德国穆勒的ATS-NZM、法国的施耐德。

目前，国内生产CB级ATSE产品的企业约几十家，如XX低压电器公司、常熟开关厂、XX三开及穆勒电气〔XX〕XX等。

生产PC级ATSE产品的企业有XX上江电器制造XX,XX
奇正、第一低压电器、XX环奇等。

生产电动式刀开关〔用于双电源切换〕产品的企业也有5-6家，如法国朔高美等。

ATSE一般由两局部组成：①开关电器本体；②控制器。

1.1开关电器本体
开关电器本体又分两类：
第一类为CB级。

它是由两台断路器加机械连锁组成，具有短路保护功能；
第二类为PC级，一体式构造〔三点式〕。

它是双电源切换的专用开关，具有构造简单、体积小、自身连锁、转换速度快〔0.2s内〕、平安、可靠等优点，但需要配备短路保护电器。

1.2控制器
控制器也有两种形式：一种由传统的电磁式继电器构成；另一种是数字电子型智能化产品。

它具有性能好，参数可调及精度高，可靠性高，使用方便等优点。

2 产品构造分析比照及ATSE的选择
目前，国内市场上用于两路电源切换的大致有三种开关电器：①CB级ATSE；②PC
级 ATSE；③刀开关〔电动〕。

下面从产品构造、性能及所遵循的标准三个方面，分别将CB级与PC级ATSE；PC级ATSE与刀开关〔电动〕进展比照和分析。

从中不难发现，PC级ATSE是理想的两路电源切换电器产品。

2.1CB级与PC级ATSE两者有以下区别
2.1.1两者机械设计理念不同
CB级是由断路器组成，而断路器是以分断电弧为已任，要求它的机械应快速脱扣。

因而断路器的机构存在滑扣、再扣问题；而PC级产品不存在该方面问题。

PC级产品的可靠性远高于CB级产品。

2.1.2断路器不承载短路耐受电流，触头压力小
供电电路发生短路时，当触头被斥开产生限流作用，从而分断短路电流；而PC级ATSE 应承受20Ie及以上过载电流。

触头压力大不易被斥开，因而触头不易被熔焊。

这一特性对消防供电系统尤为重要。

2.1.3两路电源在转换过程中存在电源叠加问题
PC级ATSE充分考虑了这一因素。

PC级ATSE的电气间隙、爬电距离的180%、150%〔标准要求〕。

因而PC级ATSE平安性更好。

2.1.4触头材料的选择角度不同
断路器常常选择银钨、银碳化钨材料配对，这有利于分断电弧。

但该类触头材料易氧化，备用触头长期暴露在外，在其表现易形成阻碍导电、难驱除的氧化物，当备用触头一但投入使用，触头温升增高易造成开关烧毁甚至爆炸；而PC级ATSE充分考虑了触头材料氧化带来的后果。

2.2PC级ATSE与刀开关〔电动〕区别
2.2.1两者遵循的标准不同
PC级ATSE符合GB/T14048.11?自动转换开关电器?。

刀开关〔电动〕符合GB14048.3?开关、隔离器、隔离开关以及熔断器组合电器?。

2.2.2灭弧系统不同
PC级ATSE充分考虑了在电源转换过程中可能出现的二次电弧击穿问题，所以对触头开距有一定要求，而且要求电弧的游离气体应迅速排放。

否那么，易造成电源相间短路。

2.2.3两者电气性能要求不同
PC级ATSE是在6In电流，1.05Ue电压下，接通/分断循环次数为12次；而刀开关是在3Ie/1Ue下，接通/分断5次。

两者的电气寿命、机械寿命也不同。

PC级ATSE的电气寿命是在2In/1.05Ue条件下至少操作循环1000次，机械寿命5000次；而刀开关的电气寿命仅在1In/1Ue条件下操作200次，机械寿命800次。

两者电气可靠性不同。

2.2.4转换速度不同
PC级ATSE转换速度一般小于0.3s；而刀开关用于双电源轩换时转换速度不少于1s。

2.2.5试验方法不同
在进展接通与分断试验时，PC级ATSE是在不同的电源相序下进展〔灭弧能力考核较严〕；而刀开关对相序无要求。

通过上述比照可知PC级ATSE是理想的电源转换开关产品。

3 ATSE产品的应用
随着经济开展，现代生活和现代工业对断电的容忍能力越来越差。

国外工业兴旺国家〔尤其是美国〕把ATSE产品视为电源的一局部，对ATSE产品选择与使用都很慎重。

在双电源紧急供电系统首先PC级产品，且开关在转换过程中不允许中间停留〔即不带零位〕。

其目的是增加电源的可靠性。

由于备用电源种类不同，ATSE选择也应有所不同。

目前，国内备用电源有三种形式：〔1〕电网；〔2〕发电机组；〔3〕EPS〔蓄电池组逆变〕。

当备用电源为〔2〕或〔3〕时，其容量一般仅是常用电源容量的20%~30%。

ATSE 的控制器一般应有非重要负荷选择功能〔如图1所示〕。

QT由控制器控制。

QT在ATSE 转换前断开，在ATSE返回后闭合。

注：①Un为常用电源〔电网〕
②Ug为备用电源〔发电机〕
③Qg为熔断器隔离器
④QT为负荷选择开关，由控制器操作。

⑤DN为控制器
当ATSE使用在电路末端且用于消防电源转换时，负荷过载应有报警提示功能。

其熔断器〔Qg〕保护特性应与负载要求相匹配。

ATSE一般是不允许带大电动机或高感抗负载转换。

如大电动机负载在运行中切换，电源相位差距较大时它将受到巨大的机械应力。

同时由电动机产生的反电势引起的过电流可能造成熔断器熔断或断路器脱扣。

解决方法常采用电阻吸收或减负荷方式。

图1是ATSE在紧急供电系统中理想的使用线路图。

图中的Qg在电路中起两个作用，一是短路保护；二是维修隔。

4 新一代PC级ATSE产品简介
为了向广阔用户提供理想的ATSE产品，XX上江电器制造XX与国内多家企业联合开发出我国新一代PC级ATSE产品——SHK系列自动转换开关电器。

该产品是目前国内第一家完全依据新的国家标准设计、生产并通过检测的PC级ATSE产品。

该系列产品有40A、63A、125A、160A、200A、250A,400Ａ，630Ａ，800Ａ，1000Ａ，1250Ａ，1600Ａ，2000Ａ4.1SHK产品特点
〔1〕符合GB/T14048.11-2002?自动转换开关电器?标准；
〔2〕产品适应环境强，具有较强的可靠性：
工作环境温度宽：+55℃/~25℃，
工作电压X围广：70%Ue~120%Ue，
电磁环境1：公共电网；
〔3〕开关本体构造为积木式，体积小，是同规格CB级ATSE体积的1/3~1/2；
〔4〕主触头系统为单刀双掷〔三点式〕构造，自身连锁，不会同时接通两路电源；
〔5〕操作机构为单线圈双向操作，机构简单，转换动作速度快，时间小于100ms；
〔6〕主触头切换容量大，可以带6Ie切换，而且是在两路电源相序不同下切换；
〔7〕带非优先线路选择开关〔加卸负荷〕；
〔8〕产品有2极、3极、4极之分，第4极〔N极〕有闭路转换和开路转换两种。

4.2控制器产品特点
控制器是以CPU为核心，具有对电压、频率故障进展检测与判断，并可以实现启动、关闭发电机组、相位角监测、暂态停留控制、非优先线路选择、遥控、通讯功能，带有液晶显示。