0 引言
在冶金、石化、制藥等行業(yè)中，有一些重要的生產(chǎn)設(shè)備，如冶金企業(yè)的煉鋼轉(zhuǎn)爐和銅冶煉轉(zhuǎn)爐的傳動(dòng)裝置、煉鋼轉(zhuǎn)爐氧槍提升傳動(dòng)裝置、連鑄機(jī)大包轉(zhuǎn)臺(tái)傳動(dòng)裝置、石化系統(tǒng)的重要泵類和制藥廠的攪拌罐設(shè)備、化纖抽絲工藝等，當(dāng)交流電網(wǎng)出現(xiàn)電壓瞬變、停電等故障時(shí)，不允許設(shè)備中斷運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)運(yùn)行至完成當(dāng)前的生產(chǎn)工藝或運(yùn)轉(zhuǎn)到安全位置再停車，否則會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。一般情況下這些設(shè)備都是由變頻器驅(qū)動(dòng)的，如果采用在線式工業(yè)UPS不僅造價(jià)昂貴、而且電源的利用效率會(huì)下降很多。多數(shù)企業(yè)因沒(méi)有后備電源而不得不承受電網(wǎng)故障造成的損失。因此，對(duì)一種投資小、效率高的不間斷電源系統(tǒng)需求非常旺盛。
1 系統(tǒng)工作原理
該新型不間斷電源在工業(yè)應(yīng)用中有兩種型式，即共直流母線不間斷電源，和非共直流母線不間斷電源。其原理圖分別如圖1與圖2所示。
圖1 共直流母線不間斷電源原理圖
圖2 非共直流母線不間斷電源原理圖
共直流母線的不間斷電源系統(tǒng)尤其適合于精度較高的生產(chǎn)線，且在工藝的不同部分要求同步性較高的狀況下有出色的性能。一方面各變頻器的電壓中間回路通過(guò)快速熔斷器耦合在直流母線上，因此，一條線上各變頻器的公共電壓是絕對(duì)一致的，在同樣的控制信號(hào)下提供了出色的同步性能；另一方面當(dāng)某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)制動(dòng)時(shí)，其制動(dòng)能量可以被其它驅(qū)動(dòng)裝置利用，避免一般系統(tǒng)的制動(dòng)能量通過(guò)制動(dòng)電阻白白地浪費(fèi)掉，提高了電源效率。
在交流電網(wǎng)正常工作情況下，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)共有整流單元工作，蓄電池組工作于浮充狀態(tài)、維持滿容；當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)瞬變或停電時(shí)，交流監(jiān)測(cè)單元將信號(hào)傳遞至監(jiān)控系統(tǒng)，控制輸出耦合單元在幾十μs內(nèi)切換至導(dǎo)通狀態(tài)，接通蓄電池與直流母線，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不間斷工作。當(dāng)市電恢復(fù)工作后，切斷輸出耦合單元，充電裝置恢復(fù)對(duì)蓄電池組充電至滿容。逆變單元為PLC、工控機(jī)等需要交流電源工作的設(shè)備提供高質(zhì)量電源。
非共直流母線不間斷電源，可以滿足各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作為第二或第三電源的要求。提供500V直流輸出、50Hz交流輸出、同時(shí)提供60Hz交流輸出（可選項(xiàng)應(yīng)用在特殊進(jìn)口設(shè)備對(duì)電源的要求上）。在交流電網(wǎng)正常工作情況下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常工作，蓄電池組通過(guò)充電單元工作于浮充狀態(tài)、維持滿容；當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)瞬變或停電時(shí)，交流監(jiān)測(cè)單元將信號(hào)傳遞至監(jiān)控系統(tǒng)，控制輸出耦合單元在幾十μs內(nèi)切換至導(dǎo)通狀態(tài)，接通蓄電池與直流輸出母線，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不間斷工作，該系統(tǒng)中變頻器的各中間回路是隔離的。當(dāng)市電恢復(fù)工作后，切斷輸出耦合單元，充電裝置對(duì)蓄電池組恢復(fù)充電至滿容。逆變單元為PLC、工控機(jī)等需要交流電源工作的設(shè)備提供高質(zhì)量電源。
2 技術(shù)特點(diǎn)
系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，不同功率的電源易于重構(gòu)，方便使用、維護(hù)及安裝調(diào)試。共有以下組成部分。
2.1 TZrec(F)整流（回饋）單元
功率范圍0.5～400kW，內(nèi)含預(yù)充電控制電路，對(duì)電網(wǎng)的沖擊很小。整流單元分為6脈動(dòng)整流單元與12脈動(dòng)整流單元，如圖3及圖4所示。12脈動(dòng)整流單元采用了移相變壓器及雙橋整流，輸出的直流脈動(dòng)小，能顯著提高電源的功率因數(shù)，減少對(duì)電網(wǎng)的污染，配合制動(dòng)單元、為不需要頻繁制動(dòng)的系統(tǒng)提供了簡(jiǎn)潔、低投資的電源饋入方案。整流回饋單元能夠?qū)⑾到y(tǒng)的制動(dòng)能量反饋回電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了交流輸入完美無(wú)諧波，大大提高了能源利用效率和降低了對(duì)電網(wǎng)的污染。
圖3 6脈動(dòng)整流
圖4 12脈動(dòng)整流 [!--empirenews.page--]
2.2 TZchar充電單元及蓄電池組
1）充電單元集成了對(duì)電池組的管理能力，模塊采用先進(jìn)的全橋軟開(kāi)關(guān)變換器，有突出的抗短路能力，并且采用1＋1冗余備份及無(wú)主從自主均流技術(shù)，具備極高的可靠性。當(dāng)電池虧電時(shí)充電單元以0.1C10的電流充電，當(dāng)滿容時(shí)轉(zhuǎn)入浮充運(yùn)行。當(dāng)一個(gè)充電模塊損壞時(shí)、另一個(gè)承擔(dān)全部輸出功率，極大地提高了可靠性。
2）蓄電池組采用閥控式免維護(hù)蓄電池，在滿足溫度的條件下電池組壽命可達(dá)10～15年。其容量選擇由負(fù)載功率P（W）及后備時(shí)間Ts（h）來(lái)決定。采用42節(jié)蓄電池串聯(lián)，其容量（A·h）的計(jì)算為C=（P/480）Tσ，（C指按10h放電率的容量；σ為容量系數(shù)，由于放電率較大，一般取0.4左右）。
2.3 TZcouple輸出耦合單元
提供了從0.5～1000A的直流輸出耦合能力，從市電供電至后備的切換時(shí)間僅需μs級(jí)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫供電。采用了大功率IGBT及過(guò)流封鎖技術(shù)，保證了高速開(kāi)關(guān)的可靠穩(wěn)定工作。輸出耦合單元的電路如圖5所示。
圖5 輸出耦合單元
2.4 TZcap電容單元
電容單元可單獨(dú)應(yīng)用于變頻器的中間回路，為單臺(tái)變頻器的逆變部分提供質(zhì)量更高的直流，且能吸收不太大的制動(dòng)能量，提高了電源的利用效率；也可根據(jù)系統(tǒng)需要通過(guò)熔斷器耦合在直流母線上，為切換過(guò)程提供緩沖功能。
2.5 TZinv逆變單元
逆變單元提供不間斷的交流輸出，可為需要交流電源才能工作的控制及其他設(shè)備提供高質(zhì)量不間斷的供應(yīng)能力。也可根據(jù)需要將逆變單元更改為變頻器，為某些應(yīng)急設(shè)備提供變頻驅(qū)動(dòng)能力。
2.6 TZvar變頻電源
如圖6所示，應(yīng)用專用變頻器作為逆變器，通過(guò)控制系統(tǒng)和根據(jù)客戶現(xiàn)場(chǎng)容量及負(fù)載的狀況而精心設(shè)計(jì)的（包括電力濾波器、隔離輸出變壓器）為需要60Hz交流的進(jìn)口設(shè)備提供了比普通變頻電源及專用交流發(fā)電機(jī)組更低價(jià)格、更高質(zhì)量的電源。根據(jù)用戶的需要可設(shè)計(jì)為第一變頻電源或者不間斷變頻電源。
圖6 變頻電源示意圖 [!--empirenews.page--]
2.7 TZcon管理及顯示單元
如圖7所示，采用先進(jìn)的工業(yè)PLC控制器作為系統(tǒng)的管理單元，具有適應(yīng)各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的絕佳性能。能對(duì)系統(tǒng)的各單元的工作情況實(shí)時(shí)監(jiān)控，并控制輸出耦合單元的動(dòng)作，采用了獨(dú)特設(shè)計(jì)的算法，提供交流電源在故障情況下至備用電源的切換。并將各種狀態(tài)量和模擬量及系統(tǒng)告警信息顯示在液晶顯示器上，為使用人員提供最大的方便。它的另一個(gè)突出特點(diǎn)是可以根據(jù)用戶需要，將系統(tǒng)的信息遠(yuǎn)傳至工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，使用戶遠(yuǎn)在監(jiān)控室可隨時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，及時(shí)采取各種措施。
圖7 管理及顯示單元
3 應(yīng)用實(shí)例
2005年3月，本電源系統(tǒng)應(yīng)用于某化工企業(yè)的特種纖維紡絲生產(chǎn)線上，運(yùn)行至今再?zèng)]有因?yàn)橥ｋ娫斐杉徑z的損壞，得到了客戶的認(rèn)可。以前，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生突然停電等問(wèn)題時(shí)，會(huì)使紡絲拉斷，造成數(shù)十萬(wàn)元的損失。這條生產(chǎn)線的動(dòng)力由27臺(tái)變頻器組成，變頻器額定總功率80kW，選取裕量為1.25，正常運(yùn)行時(shí)處在30Hz的低速狀態(tài)，要求提供的電源持續(xù)時(shí)間不低于15min，那么實(shí)際功率為38kW左右。由于生產(chǎn)工藝的需要分為3個(gè)獨(dú)立共直流母線驅(qū)動(dòng)柜，主要部件包括43節(jié)串聯(lián)的100A·h/12V免維護(hù)蓄電池單元，晶閘管充電單元，3個(gè)50A的TZcouple輸出耦合單元，以S7－200PLC為核心的TZcon控制單元；每段母線上根據(jù)電網(wǎng)電壓不穩(wěn)的特點(diǎn)加入了帶有預(yù)充電電路的TZcap電容單元。在斷電15min后可根據(jù)需要停止生產(chǎn)或轉(zhuǎn)到零速狀態(tài)，保持非常低的功耗，在調(diào)試期間顯示，實(shí)際提供的電源持續(xù)時(shí)間可以達(dá)到25min。
4 產(chǎn)品特點(diǎn)
1）效率高 傳統(tǒng)不間斷電源的工作原理為先整流再逆變，通過(guò)變壓器隔離后輸出交流電至傳動(dòng)系統(tǒng)，變頻器再通過(guò)整流、逆變環(huán)節(jié)效率明顯降低。而此新型不間斷電源則直接將直流供給變頻器的中的逆變電路，減少了整流及逆變的環(huán)節(jié)，提高了電源的效率。
2）壽命長(zhǎng)、故障率低、維護(hù)方便 傳統(tǒng)不間斷電源為在線式結(jié)構(gòu)，功率器件365×24h運(yùn)行，必然帶來(lái)壽命的降低及故障率的提高；而此新型不間斷電源則只在后備供電時(shí)才由功率器件輸出，且采用模塊化設(shè)計(jì)，從而延長(zhǎng)了使用壽命，且維護(hù)方便。
3）投資低 傳統(tǒng)不間斷電源價(jià)格昂貴，尤其是在直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的情況下，需要按照電機(jī)額定電流的5倍以上來(lái)選擇UPS的輸出功率，這也加大了設(shè)備的投資，而此新型不間斷電源，沒(méi)有重復(fù)的逆變環(huán)節(jié)，因而使用戶以較低的價(jià)格獲得更為優(yōu)異的性能。
5 結(jié)語(yǔ)
本產(chǎn)品可為動(dòng)力設(shè)備或生產(chǎn)線中的變頻器提供一個(gè)穩(wěn)定的直流供電系統(tǒng)，保障變頻器在電網(wǎng)電壓大幅波動(dòng)或短時(shí)斷電時(shí)不中斷運(yùn)行。本產(chǎn)品在電網(wǎng)無(wú)電狀態(tài)下可運(yùn)行5～240min（視用戶要求而定）。本產(chǎn)品的交流輸出提供了一個(gè)高精度高質(zhì)量的供電，可保障重要系統(tǒng)免受電網(wǎng)電壓波動(dòng)、沖擊、雜波等影響，以免設(shè)備失控或器件損壞，確保了用電的可靠性。本產(chǎn)品中的交流輸出還可根據(jù)用戶的需要提供一個(gè)高速切換的應(yīng)急供電系統(tǒng)，可保障非重要系統(tǒng)的應(yīng)急供電，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行，并且可以提供60Hz變頻電源。本產(chǎn)品可應(yīng)用于現(xiàn)有的生產(chǎn)線進(jìn)行不間斷電源的改造以及新生產(chǎn)線的不間斷電源設(shè)計(jì)，可以在新的生產(chǎn)線中將不間斷電源與自動(dòng)化系統(tǒng)完美集成，提供更高的可靠性與更低的成本。
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