采用直流電源為變頻器母排供電的后備電源方案

1 概述

起重機在工業(yè)領(lǐng)域為重要生產(chǎn)工具，業(yè)主對其運行的可靠性、安全性亦提出越來越高的要求。起重機的電力供給是影響其可靠性、安全性的重要因素之一。很多的特殊工況的起重機均配有后備電源系統(tǒng)，如柴油發(fā)電機組，外部應(yīng)急供電線路等，今日，隨著變頻器在起重機上的廣泛應(yīng)用，一種基于直流支撐的后備電源技術(shù)，其充分利用變頻器的固有特性，已經(jīng)發(fā)展成熟并且投入實際應(yīng)用。

直流支撐的后備電源技術(shù)的工作方式是利用直流電源，直接為變頻器母排供電，從而保證變頻器的正常運行。該方案有其優(yōu)于其他類型后備電源的若干特性，詳見后文闡述，其應(yīng)用前景廣泛。

2 常規(guī)后備電源的局限性

交流不間斷電源（ups）是一種使用范圍廣泛的保障電力供應(yīng)的重要設(shè)備，而普通ups用于交流電動機負載ups也有其局限性。不論是后備式還是在線式，不論是正弦波輸出還是準方波輸出，它的負載基本都是計算機和通訊設(shè)備等整流濾波容性（非線性）負載或阻性負載。如果ups的負載是交流感應(yīng)式電動機一類的感性負載，那么在ups的設(shè)計選型和使用中就會出現(xiàn)很大問題。

如果所選ups是一臺后備式的，那么在給電動機供電的交流電源故障停電時，電動機在所帶機械負載的阻力矩作用下轉(zhuǎn)速迅速下降甚至停車，當(dāng)轉(zhuǎn)為由ups供電時，電動機相當(dāng)重新啟動。由于交流電動機的啟動電流通常是其額定電流的5～7倍，而ups的過載能力標準規(guī)定：過載125%時，ⅰ類為10min，ⅱ類為1min，ⅲ類為30s，150%時10s，大于150%時僅200ms。

如果想要ups能承受電動機啟動電流的過載能力，勢必要增大ups的額定容量。例如，一臺11kw的電動機，額定電流是21a，選擇一臺ups做它的不停電電源，如輸出的功率因數(shù)為0.8，則ups的容量應(yīng)不小于14kva，其額定輸出電流為21.3a，過載125%時僅為26a，而電動機啟動電流為105a～147a，ups的容量遠遠不夠，因此要滿足電動機的啟動要求，ups的容量至少應(yīng)選擇為55kva，即為電動機容量的5倍。這無疑將加大投資造成浪費，還未必能解決問題。因此，用普通ups做電動機負載的不停電電源即增大投資成本，工作又不可靠，不是理想的方案。

3 變頻器的特性

直流支撐的后備電源技術(shù)作為變頻器的后備電源，其優(yōu)勢是通過變頻器特性特體現(xiàn)的。因此簡述變頻器原理如下。

文中所述變頻器均為交-直-交型通用型變頻器。其為廣泛應(yīng)用在交流電動機調(diào)速控制的變頻器，在市場上常見的品牌有如西門子、abb、施耐德、安川等公司的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于冶金、石化、建材、電力、制造、運輸?shù)刃袠I(yè)。

變頻器基本結(jié)構(gòu)為整流單元和逆變單元，對于單傳動系統(tǒng)，為單個的整流單元對應(yīng)單個的逆變單元，對于多傳動系統(tǒng)，為單個或者多個整流單元驅(qū)動多個逆變單元。兩種系統(tǒng)，其工作原理是相同的，整流單元將電網(wǎng)交流電轉(zhuǎn)化為直流電，直流電傳輸至直流母排上，逆變單元將直流母排上的直流電根據(jù)控制要求轉(zhuǎn)化為的交流電，從而驅(qū)動電機。

變頻器無論是頻率控制型，還是矢量控制型或者是轉(zhuǎn)矩控制型，都具有變頻軟啟動功能，電機啟動時，逆變單元根據(jù)控制要求，調(diào)節(jié)輸出電流電壓，由于輸出電壓和頻率均可控，就限制了電機的啟動電流，小于額定電流輸出也可以正常啟動。

根據(jù)變頻器的上述2個特點：具有直流母排，輸出電流電壓可控，因此采用基于直流支撐的后備電源技術(shù)，作為變頻器的新型后備電源。

4 直流支撐的后備電源

現(xiàn)以南京國臣公司的dc-bank直流后備電源系統(tǒng)為例，說明這種電源的工作原理和系統(tǒng)組成。

4.1 dc-bank直流后備電源的工作原理

利用直流電源，直接為變頻器母排供電，從而保證變頻器的正常運行，見圖1。

在電網(wǎng)正常時，直流后備電源在充電模式，整流充電單元對蓄電池組充電，蓄電池組處于浮充狀態(tài)。在電網(wǎng)失電時，直流后備電源切換至放電模式，經(jīng)過直流壓差控制電子開關(guān)，控制蓄電池組為變頻器直流母排供電，保證變頻器正常工作，見圖2。

dc-bank直流后備電源系統(tǒng)的控制系統(tǒng)可自動控制系統(tǒng)充電放電過程的運行。

4.2 dc-bank直流后備電源的系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要有直流電源子系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和主站監(jiān)控軟件組成。

4.2.1 直流電源子系統(tǒng)主要設(shè)備

（1）蓄電池組

蓄電池采用免維護閥控式全密封鉛酸電池。

（2）充電器

充電器的功率逆變管采用進口快速igbt，其余元件采用進口工業(yè)等級器件，生產(chǎn)工藝嚴格完整，保證機器的可靠性和穩(wěn)定性。輸出電壓和電流均可連續(xù)調(diào)節(jié)。具有強大的保護功能（輸入過流、過壓、欠壓保護；輸出短路、過流、過壓保護；整機過熱保護）。

充電模塊采用可帶點插拔技術(shù)，輸出采用隔離設(shè)計。

（3）執(zhí)行單元

執(zhí)行單元由斷路器和接觸器冗余組成，控制關(guān)系為斷路器鎖定接觸器，能準確地執(zhí)行直流電源子系統(tǒng)的投入撤出轉(zhuǎn)換。

（4）監(jiān)測單元

用監(jiān)測單元和人機操作界面組成監(jiān)控系統(tǒng)，具有充電模塊輸出電壓設(shè)定，充電電流限值設(shè)定，運行參數(shù)顯示，故障報警存儲，事件記錄以及蓄電池狀態(tài)監(jiān)測和直流回路狀態(tài)監(jiān)測，并可通過485總線和主站通訊。

4.2.2 控制系統(tǒng)（sis）

sis是dc-bank的主控系統(tǒng)，是變頻器的聯(lián)鎖控制部分。負責(zé)監(jiān)測各種交直流電源信號、保護動作信號。采用abbs2斷路器和直流接觸器做單一直流回路的冗余執(zhí)行單元保證系統(tǒng)的可靠性。

4.2.3 主站監(jiān)控軟件

軟件可提供系統(tǒng)的各參數(shù)，如電池狀態(tài)，控制柜狀態(tài)，直流輸出狀態(tài)等。

4.3 dc-bank系統(tǒng)特點

dc-bank與交流ups相比，其性能對照表如附表所示。

5 應(yīng)用案例

5.1 背景

某工廠“50噸裝卸橋式電磁起重機”設(shè)計中應(yīng)用了該后備電源技術(shù)方案，并將近期投入制造，運行?！?0噸裝卸橋式電磁起重機”主要用于碼頭鋼材的吊運。用于吊卸各類寬厚船板、型材、管材等，該卸船機吊鉤下額定起重量為50噸，電磁吊具下額定起重量為32噸。

該起重機為裝卸岸橋形式，機構(gòu)組成如下：起升機構(gòu)、俯仰機構(gòu)、小車牽引機構(gòu)、行走機構(gòu)。所有機構(gòu)均為變頻器驅(qū)動。其中起升機構(gòu)配有電磁吊具，其中電磁吊具配有停電后備蓄電池，可在停電狀態(tài)為電磁鐵供電。小車牽引機構(gòu)由移動小車和其驅(qū)動系統(tǒng)組成，其中移動小車可在臂架上水平移動，所吊工件隨之運動。

該起重機的位置為工廠鋼板處理生產(chǎn)線的入口，為關(guān)鍵設(shè)備，起重機工作級別為a6，若該系統(tǒng)停機，會影響整條生產(chǎn)線的后續(xù)工位的工作。在停電狀態(tài)下，電磁鐵蓄電池放電，保持電磁鐵磁力約20分鐘，若電磁鐵蓄電池放電結(jié)束，電磁鐵就會失電，所吊工件墜落。業(yè)主要求在停電狀態(tài)下，起重機可應(yīng)急運行，在電磁鐵失效前，其牽引小車可以移動至安全位置。同時安全放下所吊工件，以便后續(xù)工作的應(yīng)急處理。

5.2 備用電源系統(tǒng)概述

小車牽引機構(gòu)采用1臺acs800-04-0170-3110kw變頻器驅(qū)動1臺yzp280m-6變頻電動機。在設(shè)計中，將dc-bank直流后備電源系統(tǒng)用于起重機的小車牽引機構(gòu)變頻器的后備電源。dc-bank的直流輸出端接入變頻器的直流母排端（udc+，udc-）。在變頻器控制端配備應(yīng)急操作回路，在后備電源啟動狀態(tài)，通過應(yīng)急回路操作變頻器，完成小車牽引動作。在電網(wǎng)正常工作狀態(tài)，dc-bank直流后備電源系統(tǒng)處于浮充狀態(tài)，變頻器為正常工作模式。在電網(wǎng)失電時，手動或者自動將直流后備電源切換至放電模式，變頻器進入應(yīng)急操作模式。見圖3調(diào)速原理系統(tǒng)。

5.3 后備電源選型

小車牽引機構(gòu)電動機功率為p1=75（kw），機構(gòu)凈功率約為p0=60（kw）。小車行走額定速度為v1=60（m/min），小車移動至安全位置的所需最大行程為s=30（m）。在額定速度情況下，小車單程運行時間約為t1=0.5（min）。工況要求在t0=20（min）內(nèi)必須將工件放下至安全位置。

若配置機構(gòu)額定功率容量的直流后備電源系統(tǒng)，小車可在t1=0.5（min）到位，t1遠小于t0的時間。按照該容量選配直流后備電源系統(tǒng)，容量偏大，增加成本，因此可適當(dāng)調(diào)整直流后備電源系統(tǒng)功率。

根據(jù)功率公式p=f*v和變頻器的輸出功率可調(diào)特性，將直流后備電源系統(tǒng)功率p2設(shè)為10（kw），為機構(gòu)凈功率p0=60（kw）的1/6，則v2也為額定速度v1=60（m/min）的1/6，則小車單程運行時間約為t2=3（min）。在此情況下，t2綜上所述，采用型號gc1-11功率為11kw的dc-bank直流后備電源系統(tǒng)為比較合理的選擇。

6 結(jié)束語

對于有特殊要求的由變頻器驅(qū)的起重機，該技術(shù)有較廣泛的應(yīng)用前景。在起重機領(lǐng)域，我國工業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)有大量的電磁式起重機，為了提高其安全性，均可增加采用此類技術(shù)的直流后備電源系統(tǒng)，以替代其他類型的后備電源。

在工廠的電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的區(qū)域，變頻器在運行中會產(chǎn)生母線電壓過低保護性跳閘，可采用此類技術(shù)的直流后備電源系統(tǒng)可以作為變頻器的抗晃電系統(tǒng)，進而保證設(shè)備的連續(xù)穩(wěn)定工作。

在其他領(lǐng)域，如在電力、化工領(lǐng)域，利用該技術(shù)，作為變頻器的抗晃電系統(tǒng)，保障變頻器的平穩(wěn)運行。在冶金領(lǐng)域，利用該技術(shù)，作為變頻器的在線式后備電源系統(tǒng)，保障變頻器的無間斷運行。

可以預(yù)見，隨著變頻器的日益廣泛應(yīng)用，該技術(shù)將會得到進一步的發(fā)展。