基于直流支撐的起重機(jī)用變頻器后備電源方案

基于直流支撐的起重機(jī)用基于直流支撐的起重機(jī)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(jī)起重機(jī)電電控控 1 概述概述 起重機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域?yàn)橹匾a(chǎn)工具 業(yè)主對(duì)其運(yùn)行的可靠性 安全性亦提出越來越高的要求 起重機(jī)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(jī)均配有后 備電源系統(tǒng) 如柴油發(fā)電機(jī)組 外部應(yīng)急供電線路等 今日 隨著變頻器在起重機(jī)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(shí)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(yùn)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(yīng)的重要設(shè)備 而普通 UPS 用于交 流電動(dòng)機(jī)負(fù)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(zhǔn)方波輸 出 它的負(fù)載基本都是計(jì)算機(jī)和通訊設(shè)備等整流濾波容性 非線性 負(fù)載或阻性負(fù)載 如果 UPS 的 負(fù)載是交流感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)一類的感性負(fù)載 那么在 UPS 的設(shè)計(jì)選型和使用中就會(huì)出現(xiàn)很大問題 如果所選 UPS 是一臺(tái)后備式的 那么在給電動(dòng)機(jī)供電的交流電源故障停電時(shí) 電動(dòng)機(jī)在所帶 機(jī)械負(fù)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(shí) 電動(dòng)機(jī)相當(dāng)重新啟動(dòng) 由于交流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流通常是其額定電流的 5 7 倍 而 UPS 的過載能力標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 過載 125 時(shí) 類為 10min 類為 1min 類為 30s 150 時(shí) 10s 大于 150 時(shí)僅 200ms 如果想要 UPS 能承受電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的過載能力 勢(shì)必要增大 UPS 的額定容量 例如 一臺(tái) 11kW 的電動(dòng)機(jī) 額定電流是 21A 選擇一臺(tái) 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(shí)僅為 26A 而電動(dòng)機(jī)啟 動(dòng)電流為 105A 147A UPS 的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠 因此要滿足電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)要求 UPS 的容量至少 應(yīng)選擇為 55kVA 即為電動(dòng)機(jī)容量的 5 倍 這無疑將加大投資造成浪費(fèi) 還未必能解決問題 因 此 用普通 UPS 做電動(dòng)機(jī)負(fù)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(shù)作為變頻器的后備電源 其優(yōu)勢(shì)是通過變頻器特性特體現(xiàn)的 因此 簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)調(diào)速控制的變頻 器 在市場(chǎng)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(yùn)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(duì)于單傳動(dòng)系統(tǒng) 為單個(gè)的整流單元對(duì)應(yīng)單個(gè)的逆 變單元 對(duì)于多傳動(dòng)系統(tǒng) 為單個(gè)或者多個(gè)整流單元驅(qū)動(dòng)多個(gè)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(dòng)電機(jī) 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(dòng)功能 電機(jī) 啟動(dòng)時(shí) 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(jī)的啟動(dòng)電流 小于額定電流輸出也可以正常啟動(dòng) 根據(jù)變頻器的上述 2 個(gè)特點(diǎn) 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 直流支撐的后直流支撐的后備電備電源源 現(xiàn)以南京國(guó)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(yùn)行 見圖 1 圖 1 直流支撐系統(tǒng)工作原理 在電網(wǎng)正常時(shí) 直流后備電源在充電模式 整流充電單元對(duì)蓄電池組充電 蓄電池組處于浮充 狀態(tài) 在電網(wǎng)失電時(shí) 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 圖 2 后備電源自動(dòng)控制原理 DC BANK 直流后備電源系統(tǒng)的控制系統(tǒng)可自動(dòng)控制系統(tǒng)充電放電過程的運(yùn)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(shè)備設(shè)備 1 蓄電池組 蓄電池采用免維護(hù)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(jìn)口快速 IGBT 其余元件采用進(jìn)口工業(yè)等級(jí)器件 生產(chǎn)工藝嚴(yán)格完 整 保證機(jī)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(qiáng)大的保護(hù)功能 輸入過流 過壓 欠壓保護(hù) 輸出短路 過流 過壓保護(hù) 整機(jī)過熱保護(hù) 充電模塊采用可帶點(diǎn)插拔技術(shù) 輸出采用隔離設(shè)計(jì) 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(zhǔn)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(cè)單元 用監(jiān)測(cè)單元和人機(jī)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(yùn)行參數(shù)顯示 故障報(bào)警存儲(chǔ) 事件記錄以及蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)和直流回路狀態(tài)監(jiān)測(cè) 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(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)各種交直流電源信號(hào) 保 護(hù)動(dòng)作信號(hào) 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(diǎn)特點(diǎn) DC BANK 與交流 UPS 相比 其性能對(duì)照表如附表所示 附表 UPS DC BANK 性能比較 5 應(yīng)應(yīng)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(jī) 設(shè)計(jì)中應(yīng)用了該后備電源技術(shù)方案 并將近期投入制造 運(yùn)行 50 噸裝卸橋式電磁起重機(jī) 主要用于碼頭鋼材的吊運(yùn) 用于吊卸各類寬厚船板 型材 管 材等 該卸船機(jī)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(jī)為裝卸岸橋形式 機(jī)構(gòu)組成如下 起升機(jī)構(gòu) 俯仰機(jī)構(gòu) 小車牽引機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu) 所 有機(jī)構(gòu)均為變頻器驅(qū)動(dòng) 其中起升機(jī)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(jī)構(gòu)由移動(dòng)小車和其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成 其中移動(dòng)小車可在臂架上 水平移動(dòng) 所吊工件隨之運(yùn)動(dòng) 該起重機(jī)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(jī)工作級(jí)別為 A6 若該系 統(tǒng)停機(jī) 會(huì)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(huì)失電 所吊工件墜落 業(yè)主要求在停電狀 態(tài)下 起重機(jī)可應(yīng)急運(yùn)行 在電磁鐵失效前 其牽引小車可以移動(dòng)至安全位置 同時(shí)安全放下所 吊工件 以便后續(xù)工作的應(yīng)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(jī)構(gòu)采用 1 臺(tái) ACS800 04 0170 3 110kW 變頻器驅(qū)動(dòng) 1 臺(tái) YZP280M 6 變頻電動(dòng)機(jī) 在設(shè)計(jì)中 將 DC BANK 直流后備電源系統(tǒng)用于起重機(jī)的小車牽引機(jī)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(dòng)狀態(tài) 通過應(yīng)急回路操作變頻器 完成小車牽引動(dòng)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(shí) 手動(dòng)或 者自動(dòng)將直流后備電源切換至放電模式 變頻器進(jìn)入應(yīng)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(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)功率為 P1 75 kW 機(jī)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(dòng)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(yùn)行時(shí)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(jī)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(yuǎn)小于 T0 的 時(shí)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(jī)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(yùn) 行時(shí)間約為 T2 3 min 在此情況下 T2 T0 并且有足夠的應(yīng)急時(shí)間儲(chǔ)備 綜上所述 采用型號(hào) 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)結(jié)束束語語 對(duì)于有特殊要求的由變頻器驅(qū)的起重機(jī) 該技術(shù)有較廣泛的應(yīng)用前景 在起重機(jī)領(lǐng)域 我國(guó)工 業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)有大量的電磁式起重機(jī) 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