185kW一用一備冷凝水泵應(yīng)急電源的設(shè)計與實現(xiàn)

劉 暉 李多山

（合肥聯(lián)信電源有限公司，合肥 230088）

山西通州集團興益化工有限公司10萬t甲醇工程冷凝水泵在生產(chǎn)過程中需24h無間斷工作，冷凝水泵電機設(shè)有兩臺，采用一用一備式設(shè)計，電機容量：185kW；額定電流：323A；額定轉(zhuǎn)速：2980r/min。項目現(xiàn)場一路市電供電，當(dāng)市電正常時，電機由配電系統(tǒng)中的軟起動裝置實現(xiàn)冷凝水泵正常運行模式。當(dāng)主用電機檢修或發(fā)生故障時，由手動轉(zhuǎn)入備泵運行，在市電正常時備泵的運行方式與主泵相同。此時電機仍在市電情況下運行并且在市電情況下兩臺電機僅運行一臺，不存在市電情況下兩臺電機同時運行的情況。

當(dāng)市電斷電時，由于沒有備用電源，將造成凝水泵停轉(zhuǎn)，可能引發(fā)生產(chǎn)事故，生產(chǎn)現(xiàn)場需要一臺應(yīng)急電源，當(dāng)市電斷電時，要求由EPS拖動在市電斷電前正在運行的電機繼續(xù)運行，保障冷凝水泵應(yīng)急運行，根據(jù)要求，我公司設(shè)計動力負載應(yīng)急電源，以滿足現(xiàn)場的生產(chǎn)要求。

1 動力負載應(yīng)急電源基本原理

動力負載應(yīng)急電源的基本原理是將直流電能（如蓄電池）通過逆變器件變成交流電能，供交流動力負載使用。凝水泵屬于動力負載，電網(wǎng)故障后，失去動力的凝水泵由于受到阻力作用，轉(zhuǎn)速將下降。如果直接提供凝水泵穩(wěn)頻穩(wěn)壓380V 50Hz的交流應(yīng)急電源，將產(chǎn)生巨大的沖擊電流，對應(yīng)急電源不利，所以，針對動力負載應(yīng)采用頻率和電壓變化的200kW動力負載應(yīng)急電源。

控制原理圖如圖1所示。

圖1 動力負載應(yīng)急電源原理圖

市電正常時，控制系統(tǒng)控制接觸器KM3、KM5吸合，電機M1、M2由配電系統(tǒng)中的軟起動裝置實現(xiàn)冷凝水泵正常運行模式，配電控制系統(tǒng)進行兩路輸出ACI1、ACI2電流檢測，作為電源系統(tǒng)辨識主、備泵運行的依據(jù)。另外，市電給充電機供電，給蓄電池組充電儲能；市電故障時，控制系統(tǒng)控制KM3、KM5接觸器斷開，通過辨識運行的主、備泵，分別控制KM4或KM6接觸器閉合，再起動變頻電源，實現(xiàn)冷凝水泵應(yīng)急運行模式。

為方便應(yīng)急電源正常檢驗與維護，增加手動旁路系統(tǒng)斷路器 QF1與 QF1，，QF2與 QF2，，當(dāng)電源系統(tǒng)正常運行時，電源通過QF1、QF2向冷凝水泵供電，當(dāng)應(yīng)急電源需要維護時，開關(guān)切換至QF1，、QF2，，市電通過 QF1，、QF2，向冷凝水泵供電。

2 動力負載應(yīng)急電源控制設(shè)計

2.1 系統(tǒng)控制電源設(shè)計

由于市電故障時，整個系統(tǒng)只有蓄電池的直流電能，電源系統(tǒng)中 KM3、KM4、KM5、KM6的控制線圈電壓為交流220V，所以，電源系統(tǒng)設(shè)計單獨的應(yīng)急電源（EPS）提供交流220V控制電源供接觸器使用。在市電故障時，動力負載應(yīng)急電源控制存在市電故障判斷及 KM3、KM4、KM5、KM6接觸器切換過程，客觀上存在 2～3s的切換時間，允許控制電源有間斷切換；當(dāng)市電恢復(fù)時，如果EPS控制電源存在切換斷電時間，KM3、KM4、KM5、KM6接觸器將因為控制電源的斷電，而將全部斷開，這樣影響到設(shè)備的運行。如果采用UPS電源給控制系統(tǒng)供電，無論有無市電，UPS電源的整流與逆變一直持續(xù)工作，存在器件老化等因素，影響UPS供電質(zhì)量。

所以，控制系統(tǒng)的EPS電源采用特殊的控制方法設(shè)計，如圖2所示。當(dāng)市電故障時， KM1先斷開，KM2后吸合，EPS電源將蓄電池的直流電能逆變成交流電能，通過KM2向控制線圈供電；市電恢復(fù)正常時，采用逆變同步技術(shù)，將市電和逆變兩路交流電源的幅度、頻率和相位差應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，通過“KM1先吸合，KM2再斷開”的切換方法，實現(xiàn)從逆變電源到電網(wǎng)電源之間不間斷轉(zhuǎn)換，這樣解決了普通EPS存在恢復(fù)市電時的切換有間斷時間問題。在市電正常時，市電KM1吸合，給控制系統(tǒng) KM3、KM4、KM5、KM6的控制線圈提供電源，逆變停止工作，相對延長逆變器壽命。這樣應(yīng)急電源即能夠克服UPS電源使用壽命的不足，又能滿足動力負載應(yīng)急電源控制系統(tǒng)要求。

圖2 控制系統(tǒng)的EPS電源原理圖

2.2 控制系統(tǒng)直流開關(guān)電源設(shè)計

動力負載應(yīng)急電源控制系統(tǒng)需要不同功率、不同電壓等級的直流電源支撐，如控制核心器件需5V電源、逆變模塊的驅(qū)動需要4路獨立的+20V直流電源、采樣電路中的運算放大器需±12V供電，另有集成模塊需 5V直流電源，所以控制系統(tǒng)必須有DC500V轉(zhuǎn)DC20V、DC500V轉(zhuǎn)DC110V、DC110V轉(zhuǎn) DC±12V、DC5V等多個獨立的直流電源以滿足所需各種直流電源的需要。

本系統(tǒng)以UC3844電流型PWM集成控制器為核心，構(gòu)建了單端反激式開關(guān)電源。DC110V轉(zhuǎn)DC±12V、DC5V原理如圖3所示，該開關(guān)電源原理為：UC3844輸出驅(qū)動脈沖，功率開關(guān)管Q1交替導(dǎo)通與關(guān)斷，經(jīng)過高頻變壓器T1作用，二次側(cè)產(chǎn)生交流感應(yīng)電壓，經(jīng)整流、濾波后，可輸出穩(wěn)定的+20V、±12V和+5V直流電壓。

圖3 控制系統(tǒng)直流開關(guān)電源原理圖

3 動力負載應(yīng)急電源控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主備泵辨識與邏輯判斷

實現(xiàn)凝水泵的正確應(yīng)急切換，控制環(huán)節(jié)中最重要的是進行主、備運行水泵的辨識與停電時的邏輯判斷。雖然配電控制系統(tǒng)進行主泵上端ACI1、備泵上端 ACI2電流檢測，作為電源系統(tǒng)辨識主、備泵運行的依據(jù)，但是如果沒有設(shè)計正確的邏輯關(guān)系，將產(chǎn)生違背現(xiàn)場要求的錯誤切換。

在市電運行過程中，如果檢測ACI1有電流，ACI2沒有電流，那么停電后，閉合KM4，起動主泵；如果檢測ACI2有電流，ACI1沒有電流，那么停電后，閉合KM6，起動備泵。但是，還存在特例，如果ACI1沒有電流，ACI2沒有電流；ACI1有電流，ACI2有電流，從邏輯上就無法判斷應(yīng)急時應(yīng)該起動哪個泵，從現(xiàn)場安全考慮，設(shè)定閉合KM4，起動主泵。

如果市電時備泵運行，ACI2有數(shù)值，當(dāng)斷電后，主泵下端 ACI2將減小與消失，如果，此時再進行主、備運行水泵的辨識，將產(chǎn)生錯誤判斷。所以，控制系統(tǒng)中，程序主、備運行水泵的辨識間隔時間應(yīng)該大于市電斷電判斷時間，在斷電判斷后，通過程序跳轉(zhuǎn)，避免再次進行主、備運行水泵的辨識，直至市電恢復(fù)再次判斷。

3.2 主流程設(shè)計

整個動力負載應(yīng)急電源系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)有了電池檢測監(jiān)控及保護電路，可實時監(jiān)測處于長期備用狀態(tài)下的蓄電池出現(xiàn)的各種異常并及時報警，以便及時維護。此外還設(shè)計有輸出分路檢測電路，可實時監(jiān)測各輸出分路出現(xiàn)的開路與短路故障。系統(tǒng)具有歷史故障記錄、液晶漢字顯示和遠程在線實時監(jiān)控功能，主程序控制流程圖如圖4所示。

系統(tǒng)設(shè)計中，為安全與方便地實現(xiàn)凝水泵從應(yīng)急運轉(zhuǎn)過程切換到市電供電運轉(zhuǎn)過程，增設(shè)手動停止和系統(tǒng)復(fù)位兩個按鍵，通過軟件控制KM3、KM4、KM5、KM6和變頻電源，實現(xiàn)水泵供電的安全切換。

4 結(jié)論

經(jīng)過技術(shù)設(shè)計和制造，10萬t甲醇工程冷凝水泵應(yīng)急電源順利完工，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試使用完全滿足現(xiàn)場設(shè)備要求。

圖4 主控制程序流程圖

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