基于直流支撐的起重機用變頻器后備電源方案

基于直流支撐的起重機用基于直流支撐的起重機用變頻變頻器后器后備電備電源方案源方案 后后備電備電源源 DC BANK 變頻變頻器器 起重機起重機電電控控 1 概述概述 起重機在工業(yè)領域為重要生產(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 一種基于直流支撐的后備電源技術 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 應用 直流支撐的后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(yōu)于其他類型后備電源的若干特性 詳見后文闡述 其應用前景廣 泛 2 常常規(guī)規(guī)后后備電備電源的局限性源的局限性 交流不間斷電源 UPS 是一種使用范圍廣泛的保障電力供應的重要設備 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 那么在 UPS 的設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 當轉(zhuǎn)為由 UPS 供電時 電動機相當重新啟動 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 類為 10min 類為 1min 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 變頻變頻器的特性器的特性 直流支撐的后備電源技術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) 變頻器基本結構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 作為變頻器的新型后備電源 4 直流支撐的后直流支撐的后備電備電源源 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 直流后直流后備電備電源的工作原理源的工作原理 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 圖 1 直流支撐系統(tǒng)工作原理 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 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 圖 2 后備電源自動控制原理 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 直流后直流后備電備電源的系源的系統(tǒng)組統(tǒng)組成成 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 直流直流電電源子系源子系統(tǒng)統(tǒng)主要主要設備設備 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 輸出采用隔離設計 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定 充電電流限值設定 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 控制系控制系統(tǒng)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 主站主站監(jiān)監(jiān)控控軟軟件件 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 系系統(tǒng)統(tǒng)特點特點 DC BANK 與交流 UPS 相比 其性能對照表如附表所示 附表 UPS DC BANK 性能比較 5 應應用案例用案例 5 1 背景背景 某工廠 50 噸裝卸橋式電磁起重機 設計中應用了該后備電源技術方案 并將近期投入制造 運行 50 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(qū)動 其中起升機構配有電磁吊具 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 為關鍵設備 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)工作的應急處理 5 2 備備用用電電源系源系統(tǒng)統(tǒng)概述概述 小車牽引機構采用 1 臺 ACS800 04 0170 3 110kW 變頻器驅(qū)動 1 臺 YZP280M 6 變頻電動機 在設計中 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急操作 回路 在后備電源啟動狀態(tài) 通過應急回路操作變頻器 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 變頻器進入應急操作模式 見圖 3 調(diào)速原理系統(tǒng) 圖 3 調(diào)速原理系統(tǒng) 5 3 后后備電備電源源選選型型 小車牽引機構電動機功率為 P1 75 kW 機構凈功率約為 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 設為 10 kW 為機構凈功率 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 T0 并且有足夠的應急時間儲備 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 結結束束語語 對于有特殊要求的由變頻器驅(qū)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(yè)領域現(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