大功率动力型应急电源设计与实现

1、大功率一主一备动力型应急电源装置的设计与实现摘要 为保障山西通州集团兴益化工有限公司10万吨甲醇工程一主一备式冷凝水泵的安全运行，专门设计动力负载应急电源。本文阐述了动力负载应急电源基本原理及其控制系统设计，经现场调试运行，动力负载应急电源完全满足生产现场要求。关键词：应急电源；电动机；应急控制1 引言山西通州集团兴益化工有限公司10万吨甲醇工程冷凝水泵，在生产过程中需24小时无间断工作，冷凝水泵电机设有两台，采用一用一备式设计，电机容量185kW；额定电流323A；额定转速2980r/min。项目现场只有一路市电供电，当市电正常时，电机由配电系统中的软启动装置实现冷凝水泵启动运行。当系统发生

2、故障时或主用电机检修，转入备泵运行，在市电正常时备泵的运行方式与主泵相同，此时电机仍在市电情况下运行，并且在市电情况下两台电机仅运行一台，避免两台电机同时运行的情况。当市电突发故障或断电时，将造成凝水泵停转，可能引发生产事故，因此生产现场需要配置一台应急电源装置，拖动在市电断电前正在运行的电机继续运行，保障冷凝水泵应急运行，根据用户要求，我公司设计动力负载应急电源，以满足现场的生产要求。2 动力负载应急电源基本原理 动力负载应急电源的基本原理，是将直流电能（如蓄电池）通过逆变器件变成交流电能，供交流动力负载使用，凝水泵属于动力负载，电网故障后，失去动力的凝水泵由于受到阻力作用，转速将下降，如果

3、直接提供凝水泵稳频稳压380V50Hz的交流应急电源，将产生巨大的瞬时冲击电流，对应急电源中的逆变系统产生冲击，项目中采用频率和电压变化的200KW逆变电源，满足185KW动力负载的应急运行。 系统控制原理图如图1所示：动力负载应急电源通过主控制系统采集动力系统电流、电压等模拟量信号和现场控制信号，进行综合分析判断并发出控制指令，以达到电源系统的自动控制。市电正常时，控制系统控制接触器KM3、KM5吸合，电机M1、M2由配电系统中的软启动装置实现冷凝水泵正常运行模式，配电控制系统进行两路输出ACI1、ACI2传感器进行电流检测，作为电源系统辨识主、备泵运行的依据。另外，市电给充电机供电，给蓄电

4、池组充电储能；市电故障时，控制系统控制KM3、KM5接触器断开，通过辨识运行的主、备泵，分别控制KM4或KM6接触器闭合，再启动控制逆变装置，实现冷凝水泵应急运行模式。 为方便应急电源正常检验与维护，增加手动旁路系统断路器QF1与QF1，QF2与QF2，当电源系统正常运行时，电源通过QF1、QF2向冷凝水泵供电，当应急电源需要维护时，开关切换至QF1，、QF2，市电通过QF1，、QF2，向冷凝水泵供电。3 动力负载应急电源组成 动力负载应急电源由逆变电源、系统控制电源、主控制系统、充电器、蓄电池组等部分组成。3.1 逆变电源逆变电源是实现电机应急运行的关键器件，在市电断电时，由于电机转速和频率

5、不断下降，为了减小切换时的冲击电流，逆变电源必须具有频率跟踪功能。频率跟踪是指逆变电源通过电路电流检测与分析，计算电机转速频率，在投切时，逆变电源输出相同频率的电源启动电机，以减轻电源转换和启动时的冲击电流。在切换中，频率跟踪功能可以实现电机保持连续启动、运转并达到工频状态，从而有利于保持负载运行的连续性。3.2 系统控制电源由于市电故障时，整个系统只有蓄电池的直流电能，动力负载应急电源系统中KM3、KM4、KM5、KM6的控制线圈电压为AC220V，另外，电源控制系统需要不同功率、不同电压等级的直流电源支撑，如控制核心器件需5V电源、逆变模块的驱动需要4路独立的+20V直流电源、采样电路中的

6、运算放大器需±12V供电，另有集成模块需5V直流电源，所以，电源系统必须设计不同供电电源。因提供接触器的AC220V控制电源功率不大，针对于电池组电压，专门设计一台DC500V/AC220V功率2KW单相应急电源，供电源系统中切换接触器使用。系统设计有DC500V/DC20V、DC500V/DC110V、DC110V/DC±12V、DC5V等多个独立的直流电源，满足所需各种直流电源的需要。3.3 主控制系统 主控制系统采用数字化处理芯片（DSP）芯片及其外围硬件构成，DSP芯片具有高速运算能力，它内含16路10位A/D，每路最小转换时间500ns，一片DSP芯片以及少数外围

7、电路就可完成整个电源控制及保护功能。主控制系统通过采集单元采用霍尔传感器采集基本电量信息（蓄电池组总电压、市电电压、输出电流等），通过主控制系统分析判断运行状况，监控各单元的工作状态，并发出控制指令。 主控制系统的信息采集、分析判断和发切换控制指令的时间和时序，是满足应急工艺切换要求的关键。如果分析和判断时间过长、控制指令缓慢，那么断电后，应急电源启动电机，在规定时间内，不能达到工频运行状态，将不能保证水泵输出的参数要求。如果投切时间设置过短，电动机的转速下降不是很明显，逆变电源电压与定子储能电势和转子感应电势的相位差而产生较大冲击电流，这会影响到逆变电源的安全运行及电动机的寿命。电动机在断开

8、电源后，应该等转子电流充分衰减后再投入逆变电源。转子电流衰减的时间视电动机容量的大小及其所带负荷的大小而异，一般为1-3s。所以主控制系统信息采集,分析判断的时间和合适的控制时序是影响电源性能的重要因素。3.4 蓄电池组与充电器 蓄电池组是保证应急时间的关键，现场为185KW动力负荷，根据应急时间要求，我们配置了6组，每组41节120Ah的蓄电池。蓄电池组采用多组并联、分组管理的方案，所有电池组输出共用直流母线，为保障蓄电池组的可靠运行，采用统一品牌、统一规格蓄电池，每节电池连接线的规格和长度一致。每组电池组配备智能电池巡检装置，检测蓄电池组的单体电池电压和电池组两端的总电压，检测单体电池电压

9、、电池组端总电压、电池充放电电流、电池柜环境温度，及时发现失效电池并及时告警，以确保蓄电池组安全可靠。 蓄电池组充电单元采用高频开关电源充电模块，采用（N+1）热冗余方式并联组合供电,具有可互换、带电插拔、限流充电等功能，并能根据蓄电池的充电特性曲线及特点，控制充电机自动完成对蓄电池的充电及充电方式的转换，各模块并机工作时，具有均流性能。4 动力负载应急电源控制系统软件设计实现凝水泵的正确应急切换，控制环节中最重要的是进行主、备运行水泵的辨识与停电时的逻辑判断。虽然配电控制系统进行主泵上端ACI1、备泵上端ACI2电流检测，作为电源系统辨识主、备泵运行的依据，但是如果没有设计正确的逻辑关系，将

10、产生违背现场要求的错误切换。在市电运行过程中， 如果检测ACI1有电流，ACI2没有电流，那么停电后，闭合KM4，启动主泵；如果检测ACI2有电流，ACI1没有电流，那么停电后，闭合KM6，启动备泵。但是，还存在特例，如果ACI1没有电流，ACI2没有电流；ACI1有电流，ACI2有电流，从逻辑上就无法判断应急时应该启动哪个泵，从现场安全考虑，设定闭合KM4，启动主泵。如果市电时备泵运行，ACI2有数值，当断电后，主泵下端ACI2将减小与消失，如果，此时再进行主、备运行水泵的辨识，将产生错误判断。所以，控制系统中，程序主、备运行水泵的辨识间隔时间应该大于市电断电判断时间，在断电判断后，通过程序

11、跳转，避免再次进行主、备运行水泵的辨识，直至市电恢复再次判断。 系统设计中，为安全与方便地实现凝水泵从应急运转过程切换到市电供电运转过程，增设手动停止和系统复位两个按键，通过软件控制KM3、KM4、KM5、KM6和应急逆变系统，实现水泵供电的安全切换。5 总结 通过技术设计和制造，完成10万吨甲醇工程冷凝水泵供电系统的应急电源装置，并进行现场电气设备改造和安装，经过调试与使用，完全满足现场动力设备应急供电要求。动力类应急电源不仅可以应用于化工、冶金等工业生产环境，而且可以应用于消防泵、喷淋泵、电梯等民用环境，能够有效降低因为断电而造成的经济损失，为社会生产和生活安全提供保障，随着JG/T371-2012集中式蓄电池应急电源装置标准于2012年8月执行与实施，应急电源装置必将有更广