不间断电源VVVF系统的开发

2012-03-01荆门石化动力厂电气维修车间熊君华

电气技术与经济 2012年3期

荆门石化动力厂电气维修车间熊君华

1 引言

在现代化的工业生产中因生产工艺或大型设备的性质要求某些关键设备必须保证长期稳定的运转，不能停机。而我们现实的供电系统可靠性较低，经常发生停电或电压出现大幅度的波动现象，导致大型机组或部分重要电机停机，严重影响工厂的正常生产，甚至造成大型机组发生抱轴或烧毁。

2 不间断电源VVVF系统的开发

为了解决上述问题，目前国内有一些方案，如使用超级电容、动力UPS、直流电机等等。但他们各有其缺陷。现简要分析它们的特性如下：

1.1 超级电容

该方案采用变频器对电机进行调速和拖动，其基本框图如图1:

正常情况下，由VVVF对电机供电，当系统电压很低时，由电容器放电，维持电机运转。

优点：

（1）电容器本身有滤波功能，对VVVF产生的谐波有一定的过滤能力，所以系统中不需要另外增加滤波装置。

（2）由于电容器的瞬间释放的容量较大，因此它的体积可以较小。

缺点：

（1）由于电容器在充电初始状态，其充电电流很大，近似短路状态。因此，必须在其回路中串入感抗很大的电抗器，以抑制初始充电电流。

（2）电容器在充满后，一次性所能释放出来的能量是很小的，因此，它提供电能所维持的时间是很短的（一般设计时也就几秒钟）。

（3）电容一旦击穿，就会处于一种短路状态，做为后备电源就会完全丧失其应有的功能，同时会降低直流系统的电压，导致VVVF跳闸。

1.2 动力UPS

该方案采用UPS来拖动电机运转，其框图如图2。优点：（1）由于UPS输出电压的稳定性较高，电机运转较平稳，不会随系统电压波动而变化。

缺点：

（1）没有调速功能，适用范围有限，因此，不利于调速和节能。

（2）UPS价格昂贵，成本较高。

1.3 直流电机

系统失电后，能源消失，原有电机停止运转。而有些大型机组，特别是发电厂的发电机，往往采用直流电机来带动油泵，保持机组润滑油的供应。该直流电机平时是不运转的，只有当系统失电时才启动。由于直流电机系统较复杂，加上平时不投用，无法时时监控，可靠性方面存在隐患。

1.4 不间断电源VVVF系统

由于以上这些方案存在不足，因此将UPS与VVVF结合起来，是一种很好的解决方案，可以充分利用前者的优势，又可以避免其不足。既可以保证对电机的正常调速、节能，又可以给负载提供稳定的电源，特别是当系统失电或者晃电时，也可以保证电机的稳定运转和长时间供电（根据需要来定），并且该系统一直处于在线运转状态，能使其时时处于监控中。主要框图：如图3。

在VVVF的直流母线上并联蓄电池组，其余主回路构成不变。

变频器一般分为两种，即电压型和电流型。而我们常使用的低压变频器一般为电压型。其整流回路在小容量的变频器中一般采用三相桥式整流，在直流母线中并联一组电容器，做为滤波。根据变频器容量不同，电容器组的容量也不同。在电容器组中串联电容之间并联平衡电阻，以达到均压的目的。

变频器整流回路采用三相星型桥式电路，其整流后空载直流输出电压为：

Uz即为变频器的直流母线电压。

将电池组并联在直流母线上，电池容量根据实际情况考虑选择。

1）电池充电

免维护铅酸蓄电池在安装前一般已经充满电（这与镉镍电池有所区别，镉镍电池在使用前需要初使充电）。投用后只需补充和浮充即可。

（1）正常情况下，按图3连接后，蓄电池组的充电电源直接由变频器的整流部分提供，即变频器投入运行后，一部分能量通过逆变部分提供给负载，另一部分能量提供给蓄电池组，保持蓄电池组的浮充充电。

（2）当蓄电池组放电后，需要充电时，变频器有2种运行方式：

a仅启动变频器的整流部分，逆变部分停止工作。此种情况适用于电池组容量较大，而变频器容量裕度较小时。即变频器同时带动负载和给电池主充有困难时。

b变频器正常投入运行。此种情况适用于电池组容量较小，而变频器的容量裕度较大时。即大容量变频器带实际负载较小时，启动变频器后，一方面提供负载能量，另一方面对蓄电池进行充电。

2）电池放电

当系统失电时，外部电源消失，此时，由蓄电池组提供能量。放电路径为：蓄电池组——负载。放电所持续的时间依生产工艺需要来确定。

3）电池容量选择

当系统停电时，由蓄电池组供给给负载电机能量。该能量包括2部分：提供做功用的有功和提供励磁用的无功。即负载的视在功率应等于蓄电池组提供的功率。

IU=I′U′——（2）

I、U——蓄电池组提供的电流、电压

I′、U′——负载电机的电流、电压

I′、U′的波形不是单纯的正弦波，而是一系列的脉冲构成的，其波形构成形式如图4:

因此，测量时，只能采用数字式表计进行测量。

对负载电机实际功率的测量也可采用在变频器的输入侧进行测量。此时的测量值包括了变频器的自身消耗（一般为额定容量的5%）。在实际工程运用中，直接采用变频器输入侧的测量值就可以了。

根据公式（2），即可算出蓄电池组保证负载实际需要所应提供的电流值：

若工艺要求维持时间为t，则根据厂家推荐的放电容量选择图，查出符合时间要求的放电倍率曲线组，再结合实际情况，选定一条合适的放电倍率曲线XL，即可最终确定电池组的容量C。

1.5 谐波抑制

在变频器中，由于整流回路会产生一系列的谐波。在一般的变频器中共有6组，那么产生的谐波按下式计算（12个脉冲的回路，产生的谐波次数为12n±1次）

f=6n±1 (n=1、2、3…)——（5）

谐波幅值：ⅰ=I/6n±1 (A) ——(6)

另外IGBT管在逆变过程中也会产生大量谐波，这些谐波计算起来非常复杂，会对整个回路产生很大影响。如果不予以抑制，流进蓄电池组，会使电池发热，缩短寿命。在浮充状态下，会始终存在一个很大的充电电流。另一方面，在电池放电状态下，也是由于有这个谐波的存在，会使电池放出的有效电流受到抑制，电机的输出功率会下降（电机声音明显偏低），因此，必须对该谐波进行抑制。

谐波的抑制主要分为无源和有源两种。有源技术复杂且价格昂贵，一般采用无源的方法。无源谐波抑制又可以分为几种滤波形式：电感性滤波电路、电容性滤波电路、单节Г型、多节Г型滤波电路以及π型滤波电路。

变频器的整流回路中，有一组很大的电容器，对整流后的电压进行滤波，输出波形较平稳，能满足对电池组充电的要求。但是一旦逆变器开始工作后，就会产生大量的谐波传输至变频器的直流母线上，然后流进蓄电池组。这些谐波的产生是不可避免的，但又不能让它们流进蓄电池组，因此，必须采取进一步的措施，以抑制谐波。