基於直流支撐的起重機用變頻器後備電源方案

1 概述

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/177855.htm

　　起重機在工業領域為重要生產工具，業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後備電源系統，如柴油發電機組，外部應急供電線路等，今日，隨著變頻器在起重機上的廣泛應用，一種基於直流支撐的後備電源技術，其充分利用變頻器的固有特性，已經發展成熟並且投入實際應用。

　　直流支撐的後備電源技術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。該方案有其優於其他類型後備電源的若干特性，詳見後文闡述，其應用前景廣泛。

2 常規後備電源的局限性

　　交流不間斷電源（ups）是一種使用範圍廣泛的保障電力供應的重要設備，而普通ups用於交流電動機負載ups也有其局限性。不論是後備式還是在線式，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的負載是交流感應式電動機一類的感性負載，那麼在ups的設計選型和使用中就會出現很大問題。

　　如果所選ups是一臺後備式的，那麼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速迅速下降甚至停車，當轉為由ups供電時，電動機相當重新啟動。由於交流電動機的啟動電流通常是其額定電流的5～7倍，而ups的過載能力標準規定：過載125%時，±轡10min，⒗轡1min，＠轡30s，150%時10s，大於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，如輸出的功率因數為0.8，則ups的容量應不小於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

　　直流支撐的後備電源技術作為變頻器的後備電源，其優勢是通過變頻器特性特體現的。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。其為廣泛應用在交流電動機調速控制的變頻器，在市場上常見的品牌有如西門子、abb、施耐德、安川等公司的產品，廣泛應用於冶金、石化、建材、電力、製造、運輸等行業。

　　變頻器基本結構為整流單元和逆變單元，對於單傳動系統，為單個的整流單元對應單個的逆變單元，對於多傳動系統，為單個或者多個整流單元驅動多個逆變單元。兩種系統，其工作原理是相同的，整流單元將電網交流電轉化為直流電，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控制要求轉化為的交流電，從而驅動電機。

　　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，逆變單元根據控制要求，調節輸出電流電壓，由於輸出電壓和頻率均可控，就限制了電機的啟動電流，小於額定電流輸出也可以正常啟動。

　　根據變頻器的上述2個特點：具有直流母排，輸出電流電壓可控，因此採用基於直流支撐的後備電源技術，作為變頻器的新型後備電源。

4 直流支撐的後備電源

　　現以南京國臣公司的dc-bank直流後備電源系統為例，說明這種電源的工作原理和系統組成。

　　4.1 dc-bank直流後備電源的工作原理

　　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。

　　在電網正常時，直流後備電源在充電模式，整流充電單元對蓄電池組充電，蓄電池組處於浮充狀態。在電網失電時，直流後備電源切換至放電模式，經過直流壓差控制電子開關，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直流後備電源系統的控制系統可自動控制系統充電放電過程的運行。

　　4.2 dc-bank直流後備電源的系統組成

　　該系統主要有直流電源子系統，控制系統和主站監控軟體組成。

　　4.2.1 直流電源子系統主要設備

　　（1）蓄電池組

　　蓄電池採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採用進口快速igbt，其餘元件採用進口工業等級器件，生產工藝嚴格完整，保證機器的可靠性和穩定性。輸出電壓和電流均可連續調節。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）。

　　充電模塊採用可帶點插拔技術，輸出採用隔離設計。

　　（3）執行單元

　　執行單元由斷路器和接觸器冗餘組成，控制關係為斷路器鎖定接觸器，能準確地執行直流電源子系統的投入撤出轉換。

　　（4）監測單元

　　用監測單元和人機操作界面組成監控系統，具有充電模塊輸出電壓設定，充電電流限值設定，運行參數顯示，故障報警存儲，事件記錄以及蓄電池狀態監測和直流迴路狀態監測，並可通過485總線和主站通訊。

　　4.2.2 控制系統（sis）

　　sis是dc-bank的主控系統，是變頻器的聯鎖控制部分。負責監測各種交直流電源信號、保護動作信號。採用abbs2斷路器和直流接觸器做單一直流迴路的冗餘執行單元保證系統的可靠性。

　　4.2.3 主站監控軟體

　　軟體可提供系統的各參數，如電池狀態，控制櫃狀態，直流輸出狀態等。

　　4.3 dc-bank系統特點

　　dc-bank與交流ups相比，其性能對照表如附表所示。

5 應用案例

　　5.1 背景

　　某工廠「50噸裝卸橋式電磁起重機」設計中應用了該後備電源技術方案，並將近期投入製造，運行。「50噸裝卸橋式電磁起重機」主要用於碼頭鋼材的吊運。用於吊卸各類寬厚船板、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，機構組成如下：起升機構、俯仰機構、小車牽引機構、行走機構。所有機構均為變頻器驅動。其中起升機構配有電磁吊具，其中電磁吊具配有停電後備蓄電池，可在停電狀態為電磁鐵供電。小車牽引機構由移動小車和其驅動系統組成，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線的入口，為關鍵設備，起重機工作級別為a6，若該系統停機，會影響整條生產線的後續工位的工作。在停電狀態下，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束，電磁鐵就會失電，所吊工件墜落。業主要求在停電狀態下，起重機可應急運行，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，以便後續工作的應急處理。

　　5.2 備用電源系統概述

　　小車牽引機構採用1臺acs800-04-0170-3110kw變頻器驅動1臺yzp280m-6變頻電動機。在設計中，將dc-bank直流後備電源系統用於起重機的小車牽引機構變頻器的後備電源。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急操作迴路，在後備電源啟動狀態，通過應急迴路操作變頻器，完成小車牽引動作。在電網正常工作狀態，dc-bank直流後備電源系統處於浮充狀態，變頻器為正常工作模式。在電網失電時，手動或者自動將直流後備電源切換至放電模式，變頻器進入應急操作模式。見圖3調速原理系統。

　　5.3 後備電源選型

　　小車牽引機構電動機功率為p1=75（kw），機構淨功率約為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）內必須將工件放下至安全位置。

　　若配置機構額定功率容量的直流後備電源系統，小車可在t1=0.5（min）到位，t1遠小於t0的時間。按照該容量選配直流後備電源系統，容量偏大，增加成本，因此可適當調整直流後備電源系統功率。

　　根據功率公式p=f*v和變頻器的輸出功率可調特性，將直流後備電源系統功率p2設為10（kw），為機構淨功率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，採用型號gc1-11功率為11kw的dc-bank直流後備電源系統為比較合理的選擇。

6 結束語

　　對於有特殊要求的由變頻器驅的起重機，該技術有較廣泛的應用前景。在起重機領域，我國工業領域現有大量的電磁式起重機，為了提高其安全性，均可增加採用此類技術的直流後備電源系統，以替代其他類型的後備電源。

　　在工廠的電網電壓不穩定的區域，變頻器在運行中會產生母線電壓過低保護性跳閘，可採用此類技術的直流後備電源系統可以作為變頻器的抗晃電系統，進而保證設備的連續穩定工作。

　　在其他領域，如在電力、化工領域，利用該技術，作為變頻器的抗晃電系統，保障變頻器的平穩運行。在冶金領域，利用該技術，作為變頻器的在線式後備電源系統，保障變頻器的無間斷運行。

　　可以預見，隨著變頻器的日益廣泛應用，該技術將會得到進一步的發展。