一種新型不間斷電源
在冶金、石化、制藥等行業中，有一些重要的生產設備，如冶金企業的煉鋼轉爐和銅冶煉轉爐的傳動裝置、煉鋼轉爐氧槍提升傳動裝置、連鑄機大包轉臺傳動裝置、石化系統的重要泵類和制藥廠的攪拌罐設備、化纖抽絲工藝等，當交流電網出現電壓瞬變、停電等故障時，不允許設備中斷運轉，應當繼續運行至完成當前的生產工藝或運轉到安全位置再停車，否則會造成很大的經濟損失。一般情況下這些設備都是由變頻器驅動的，如果采用在線式工業UPS不僅造價昂貴、而且電源的利用效率會下降很多。多數企業因沒有后備電源而不得不承受電網故障造成的損失。因此，對一種投資小、效率高的不間斷電源系統需求非常旺盛。
1 系統工作原理
該新型不間斷電源在工業應用中有兩種型式，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尤其適合于精度較高的生產線，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一致的，在同樣的控制信號下提供了出色的同步性能；另一方面當某個環節出現制動時，其制動能量可以被其它驅動裝置利用，避免一般系統的制動能量通過制動電阻白白地浪費掉，提高了電源效率。
在交流電網正常工作情況下，驅動系統通過共有整流單元工作，蓄電池組工作于浮充狀態、維持滿容；當電網出現瞬變或停電時，交流監測單元將信號傳遞至監控系統，控制輸出耦合單元在幾十μs內切換至導通狀態，接通蓄電池與直流母線，實現了驅動系統的不間斷工作。當市電恢復工作后，切斷輸出耦合單元，充電裝置恢復對蓄電池組充電至滿容。逆變單元為PLC、工控機等需要交流電源工作的設備提供高質量電源。
非共直流母線不間斷電源，可以滿足各種工業現場作為第二或第三電源的要求。提供500V直流輸出、50Hz交流輸出、同時提供60Hz交流輸出（可選項應用在特殊進口設備對電源的要求上）。在交流電網正常工作情況下驅動系統正常工作，蓄電池組通過充電單元工作于浮充狀態、維持滿容；當電網出現瞬變或停電時，交流監測單元將信號傳遞至監控系統，控制輸出耦合單元在幾十μs內切換至導通狀態，接通蓄電池與直流輸出母線，實現了驅動系統的不間斷工作，該系統中變頻器的各中間回路是隔離的。當市電恢復工作后，切斷輸出耦合單元，充電裝置對蓄電池組恢復充電至滿容。逆變單元為PLC、工控機等需要交流電源工作的設備提供高質量電源。
2 技術特點
系統采用了模塊化的設計方法，不同功率的電源易于重構，方便使用、維護及安裝調試。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，內含預充電控制電路，對電網的沖擊很小。整流單元分為6脈動整流單元與12脈動整流單元，如圖3及圖4所示。12脈動整流單元采用了移相變壓器及雙橋整流，輸出的直流脈動小，能顯著提高電源的功率因數，減少對電網的污染，配合制動單元、為不需要頻繁制動的系統提供了簡潔、低投資的電源饋入方案。整流回饋單元能夠將系統的制動能量反饋回電網，實現了交流輸入完美無諧波，大大提高了能源利用效率和降低了對電網的污染。
圖3 6脈動整流
圖4 12脈動整流
2.2 TZchar充電單元及蓄電池組
1）充電單元集成了對電池組的管理能力，模塊采用先進的全橋軟開關變換器，有突出的抗短路能力，并且采用1＋1冗余備份及無主從自主均流技術，具備極高的可靠性。當電池虧電時充電單元以0.1C10的電流充電，當滿容時轉入浮充運行。當一個充電模塊損壞時、另一個承擔全部輸出功率，極大地提高了可靠性。
2）蓄電池組采用閥控式免維護蓄電池，在滿足溫度的條件下電池組壽命可達10～15年。其容量選擇由負載功率P（W）及后備時間Ts（h）來決定。采用42節蓄電池串聯，其容量（A·h）的計算為C=（P/480）Tσ，（C指按10h放電率的容量；σ為容量系數，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間僅需μs級，實現了無縫供電。采用了大功率IGBT及過流封鎖技術，保證了高速開關的可靠穩定工作。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
電容單元可單獨應用于變頻器的中間回路，為單臺變頻器的逆變部分提供質量更高的直流，且能吸收不太大的制動能量，提高了電源的利用效率；也可根據系統需要通過熔斷器耦合在直流母線上，為切換過程提供緩沖功能。
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備提供高質量不間斷的供應能力。也可根據需要將逆變單元更改為變頻器，為某些應急設備提供變頻驅動能力。
2.6 TZvar變頻電源
如圖6所示，應用專用變頻器作為逆變器，通過控制系統和根據客戶現場容量及負載的狀況而精心設計的（包括電力濾波器、隔離輸出變壓器）為需要60Hz交流的進口設備提供了比普通變頻電源及專用交流發電機組更低價格、更高質量的電源。根據用戶的需要可設計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
2.7 TZcon管理及顯示單元
如圖7所示，采用先進的工業PLC控制器作為系統的管理單元，具有適應各種工業現場環境的絕佳性能。能對系統的各單元的工作情況實時監控，并控制輸出耦合單元的動作，采用了獨特設計的算法，提供交流電源在故障情況下至備用電源的切換。并將各種狀態量和模擬量及系統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。它的另一個突出特點是可以根據用戶需要，將系統的信息遠傳至工業控制計算機，使用戶遠在監控室可隨時掌握現場情況，及時采取各種措施。
圖7 管理及顯示單元
3 應用實例
2005年3月，本電源系統應用于某化工企業的特種纖維紡絲生產線上，運行至今再沒有因為停電造成紡絲的損壞，得到了客戶的認可。以前，當電網發生突然停電等問題時，會使紡絲拉斷，造成數十萬元的損失。這條生產線的動力由27臺變頻器組成，變頻器額定總功率80kW，選取裕量為1.25，正常運行時處在30Hz的低速狀態，要求提供的電源持續時間不低于15min，那么實際功率為38kW左右。由于生產工藝的需要分為3個獨立共直流母線驅動柜，主要部件包括43節串聯的100A·h/12V免維護蓄電池單元，晶閘管充電單元，3個50A的TZcouple輸出耦合單元，以S7－200PLC為核心的TZcon控制單元；每段母線上根據電網電壓不穩的特點加入了帶有預充電電路的TZcap電容單元。在斷電15min后可根據需要停止生產或轉到零速狀態，保持非常低的功耗，在調試期間顯示，實際提供的電源持續時間可以達到25min。
4 產品特點
1）效率高 傳統不間斷電源的工作原理為先整流再逆變，通過變壓器隔離后輸出交流電至傳動系統，變頻器再通過整流、逆變環節效率明顯降低。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節，提高了電源的效率。
2）壽命長、故障率低、維護方便 傳統不間斷電源為在線式結構，功率器件365×24h運行，必然帶來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才由功率器件輸出，且采用模塊化設計，從而延長了使用壽命，且維護方便。
3）投資低 傳統不間斷電源價格昂貴，尤其是在直接驅動電機的情況下，需要按照電機額定電流的5倍以上來選擇UPS的輸出功率，這也加大了設備的投資，而此新型不間斷電源，沒有重復的逆變環節，因而使用戶以較低的價格獲得更為優異的性能。
5 結語
本產品可為動力設備或生產線中的變頻器提供一個穩定的直流供電系統，保障變頻器在電網電壓大幅波動或短時斷電時不中斷運行。本產品在電網無電狀態下可運行5～240min（視用戶要求而定）。本產品的交流輸出提供了一個高精度高質量的供電，可保障重要系統免受電網電壓波動、沖擊、雜波等影響，以免設備失控或器件損壞，確保了用電的可靠性。本產品中的交流輸出還可根據用戶的需要提供一個高速切換的應急供電系統，可保障非重要系統的應急供電，以確保設備的正常運行，并且可以提供60Hz變頻電源。本產品可應用于現有的生產線進行不間斷電源的改造以及新生產線的不間斷電源設計，可以在新的生產線中將不間斷電源與自動化系統完美集成，提供更高的可靠性與更低的成本。
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