基于直流支撑的起重机用变频器后备电源方案

1 概述

　　起重机在工业领域为重要生产工具，业主对其运行的可靠性、安全性亦提出越来越高的要求。起重机的电力供给是影响其可靠性、安全性的重要因素之一。很多的特殊工况的起重机均配有后备电源系统，如柴油发电机组，外部应急供电线路等，今日，随着变频器在起重机上的广泛应用，一种基于直流支撑的后备电源技术，其充分利用变频器的固有特性，已经发展成熟并且投入实际应用。

　　直流支撑的后备电源技术的工作方式是利用直流电源，直接为变频器母排供电，从而保证变频器的正常运行。该方案有其优于其他类型后备电源的若干特性，详见后文阐述，其应用前景广泛。

2 常规后备电源的局限性

　　交流不间断电源（ups）是一种使用范围广泛的保障电力供应的重要设备，而普通ups用于交流电动机负载ups也有其局限性。不论是后备式还是在线式，不论是正弦波输出还是准方波输出，它的负载基本都是计算机和通讯设备等整流滤波容性（非线性）负载或阻性负载。如果ups的负载是交流感应式电动机一类的感性负载，那么在ups的设计选型和使用中就会出现很大问题。

　　如果所选ups是一台后备式的，那么在给电动机供电的交流电源故障停电时，电动机在所带机械负载的阻力矩作用下转速迅速下降甚至停车，当转为由ups供电时，电动机相当重新启动。由于交流电动机的启动电流通常是其额定电流的5～7倍，而ups的过载能力标准规定：过载125%时，ⅰ类为10min，ⅱ类为1min，ⅲ类为30s，150%时10s，大于150%时仅200ms。

　　如果想要ups能承受电动机启动电流的过载能力，势必要增大ups的额定容量。例如，一台11kw的电动机，额定电流是21a，选择一台ups做它的不停电电源，如输出的功率因数为0.8，则ups的容量应不小于14kva，其额定输出电流为21.3a，过载125%时仅为26a，而电动机启动电流为105a～147a，ups的容量远远不够，因此要满足电动机的启动要求，ups的容量至少应选择为55kva，即为电动机容量的5倍。这无疑将加大投资造成浪费，还未必能解决问题。因此，用普通ups做电动机负载的不停电电源即增大投资成本，工作又不可靠，不是理想的方案。

3 变频器的特性

　　直流支撑的后备电源技术作为变频器的后备电源，其优势是通过变频器特性特体现的。因此简述变频器原理如下。

　　文中所述变频器均为交-直-交型通用型变频器。其为广泛应用在交流电动机调速控制的变频器，在市场上常见的品牌有如西门子、abb、施耐德、安川等公司的产品，广泛应用于冶金、石化、建材、电力、制造、运输等行业。

　　变频器基本结构为整流单元和逆变单元，对于单传动系统，为单个的整流单元对应单个的逆变单元，对于多传动系统，为单个或者多个整流单元驱动多个逆变单元。两种系统，其工作原理是相同的，整流单元将电网交流电转化为直流电，直流电传输至直流母排上，逆变单元将直流母排上的直流电根据控制要求转化为的交流电，从而驱动电机。

　　变频器无论是频率控制型，还是矢量控制型或者是转矩控制型，都具有变频软启动功能，电机启动时，逆变单元根据控制要求，调节输出电流电压，由于输出电压和频率均可控，就限制了电机的启动电流，小于额定电流输出也可以正常启动。

　　根据变频器的上述2个特点：具有直流母排，输出电流电压可控，因此采用基于直流支撑的后备电源技术，作为变频器的新型后备电源。

4 直流支撑的后备电源

　　现以南京国臣公司的dc-bank直流后备电源系统为例，说明这种电源的工作原理和系统组成。

　　4.1 dc-bank直流后备电源的工作原理

　　利用直流电源，直接为变频器母排供电，从而保证变频器的正常运行，见图1。

　　在电网正常时，直流后备电源在充电模式，整流充电单元对蓄电池组充电，蓄电池组处于浮充状态。在电网失电时，直流后备电源切换至放电模式，经过直流压差控制电子开关，控制蓄电池组为变频器直流母排供电，保证变频器正常工作，见图2。

　　dc-bank直流后备电源系统的控制系统可自动控制系统充电放电过程的运行。
4.2 dc-bank直流后备电源的系统组成

　　该系统主要有直流电源子系统，控制系统和主站监控软件组成。

　　4.2.1 直流电源子系统主要设备

　　（1）蓄电池组

　　蓄电池采用免维护阀控式全密封铅酸电池。

　　（2）充电器

　　充电器的功率逆变管采用进口快速igbt，其余元件采用进口工业等级器件，生产工艺严格完整，保证机器的可靠性和稳定性。输出电压和电流均可连续调节。具有强大的保护功能（输入过流、过压、欠压保护；输出短路、过流、过压保护；整机过热保护）。

　　充电模块采用可带点插拔技术，输出采用隔离设计。

　　（3）执行单元

　　执行单元由断路器和接触器冗余组成，控制关系为断路器锁定接触器，能准确地执行直流电源子系统的投入撤出转换。

　　（4）监测单元

　　用监测单元和人机操作界面组成监控系统，具有充电模块输出电压设定，充电电流限值设定，运行参数显示，故障报警存储，事件记录以及蓄电池状态监测和直流回路状态监测，并可通过485总线和主站通讯。

　　4.2.2 控制系统（sis）

　　sis是dc-bank的主控系统，是变频器的联锁控制部分。负责监测各种交直流电源信号、保护动作信号。采用abbs2断路器和直流接触器做单一直流回路的冗余执行单元保证系统的可靠性。

　　4.2.3 主站监控软件

　　软件可提供系统的各参数，如电池状态，控制柜状态，直流输出状态等。

　　4.3 dc-bank系统特点

　　dc-bank与交流ups相比，其性能对照表如附表所示。

5 应用案例

　　5.1 背景

　　某工厂“50吨装卸桥式电磁起重机”设计中应用了该后备电源技术方案，并将近期投入制造，运行。“50吨装卸桥式电磁起重机”主要用于码头钢材的吊运。用于吊卸各类宽厚船板、型材、管材等，该卸船机吊钩下额定起重量为50吨，电磁吊具下额定起重量为32吨。

　　该起重机为装卸岸桥形式，机构组成如下：起升机构、俯仰机构、小车牵引机构、行走机构。所有机构均为变频器驱动。其中起升机构配有电磁吊具，其中电磁吊具配有停电后备蓄电池，可在停电状态为电磁铁供电。小车牵引机构由移动小车和其驱动系统组成，其中移动小车可在臂架上水平移动，所吊工件随之运动。

　　该起重机的位置为工厂钢板处理生产线的入口，为关键设备，起重机工作级别为a6，若该系统停机，会影响整条生产线的后续工位的工作。在停电状态下，电磁铁蓄电池放电，保持电磁铁磁力约20分钟，若电磁铁蓄电池放电结束，电磁铁就会失电，所吊工件坠落。业主要求在停电状态下，起重机可应急运行，在电磁铁失效前，其牵引小车可以移动至安全位置。同时安全放下所吊工件，以便后续工作的应急处理。

5.2 备用电源系统概述

　　小车牵引机构采用1台acs800-04-0170-3110kw变频器驱动1台yzp280m-6变频电动机。在设计中，将dc-bank直流后备电源系统用于起重机的小车牵引机构变频器的后备电源。dc-bank的直流输出端接入变频器的直流母排端（udc+，udc-）。在变频器控制端配备应急操作回路，在后备电源启动状态，通过应急回路操作变频器，完成小车牵引动作。在电网正常工作状态，dc-bank直流后备电源系统处于浮充状态，变频器为正常工作模式。在电网失电时，手动或者自动将直流后备电源切换至放电模式，变频器进入应急操作模式。见图3调速原理系统。

　　5.3 后备电源选型

　　小车牵引机构电动机功率为p1=75（kw），机构净功率约为p0=60（kw）。小车行走额定速度为v1=60（m/min），小车移动至安全位置的所需最大行程为s=30（m）。在额定速度情况下，小车单程运行时间约为t1=0.5（min）。工况要求在t0=20（min）内必须将工件放下至安全位置。

　　若配置机构额定功率容量的直流后备电源系统，小车可在t1=0.5（min）到位，t1远小于t0的时间。按照该容量选配直流后备电源系统，容量偏大，增加成本，因此可适当调整直流后备电源系统功率。

　　根据功率公式p=f*v和变频器的输出功率可调特性，将直流后备电源系统功率p2设为10（kw），为机构净功率p0=60（kw）的1/6，则v2也为额定速度v1=60（m/min）的1/6，则小车单程运行时间约为t2=3（min）。在此情况下，t2综上所述，采用型号gc1-11功率为11kw的dc-bank直流后备电源系统为比较合理的选择。

6 结束语

　　对于有特殊要求的由变频器驱的起重机，该技术有较广泛的应用前景。在起重机领域，我国工业领域现有大量的电磁式起重机，为了提高其安全性，均可增加采用此类技术的直流后备电源系统，以替代其他类型的后备电源。

　　在工厂的电网电压不稳定的区域，变频器在运行中会产生母线电压过低保护性跳闸，可采用此类技术的直流后备电源系统可以作为变频器的抗晃电系统，进而保证设备的连续稳定工作。

　　在其他领域，如在电力、化工领域，利用该技术，作为变频器的抗晃电系统，保障变频器的平稳运行。在冶金领域，利用该技术，作为变频器的在线式后备电源系统，保障变频器的无间断运行。

　　可以预见，随着变频器的日益广泛应用，该技术将会得到进一步的发展。