為保障山西通州集團(tuán)興益化工有限公司10萬噸甲醇工程一用一備式冷凝水泵的安全運(yùn)行，專門設(shè)計(jì)動(dòng)力負(fù)載應(yīng)急電源。作者闡述了動(dòng)力負(fù)載應(yīng)急電源基本原理及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試運(yùn)行，動(dòng)力負(fù)載應(yīng)急電源很好滿足生產(chǎn)現(xiàn)場要求。

山西通州集團(tuán)興益化工有限公司10萬噸甲醇工程冷凝水泵在生產(chǎn)過程中需24小時(shí)無間斷工作，冷凝水泵電機(jī)設(shè)有兩臺，采用一用一備式設(shè)計(jì)，電機(jī)容量：185kW；額定電流：323A；額定轉(zhuǎn)速：2980r/min。

項(xiàng)目現(xiàn)場一路市電供電，當(dāng)市電正常時(shí)，電機(jī)由配電系統(tǒng)中的軟起動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)冷凝水泵正常運(yùn)行模式。當(dāng)主用電機(jī)檢修或發(fā)生故障時(shí)，由手動(dòng)轉(zhuǎn)入備泵運(yùn)行，在市電正常時(shí)備泵的運(yùn)行方式與主泵相同。此時(shí)電機(jī)仍在市電情況下運(yùn)行并且在市電情況下兩臺電機(jī)僅運(yùn)行一臺，不存在市電情況下兩臺電機(jī)同時(shí)運(yùn)行的情況。

當(dāng)市電斷電時(shí)，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(shí)，要求由EPS拖動(dòng)在市電斷電前正在運(yùn)行的電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，保障冷凝水泵應(yīng)急運(yùn)行，根據(jù)要求，我公司設(shè)計(jì)動(dòng)力負(fù)載應(yīng)急電源，以滿足現(xiàn)場的生產(chǎn)要求。

1 動(dòng)力負(fù)載應(yīng)急電源基本原理

動(dòng)力負(fù)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(dòng)力負(fù)載使用。凝水泵屬于動(dòng)力負(fù)載，電網(wǎng)故障后，失去動(dòng)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(dòng)力負(fù)載應(yīng)采用頻率和電壓變化的200kW動(dòng)力負(fù)載應(yīng)急電源。控制原理圖如圖1所示。

圖1 動(dòng)力負(fù)載應(yīng)急電源原理圖

市電正常時(shí)，控制系統(tǒng)控制接觸器KM3、KM5吸合，電機(jī)M1、M2由配電系統(tǒng)中的軟起動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)冷凝水泵正常運(yùn)行模式，配電控制系統(tǒng)進(jìn)行兩路輸出ACI1、ACI2電流檢測，作為電源系統(tǒng)辨識主、備泵運(yùn)行的依據(jù)。

另外，市電給充電機(jī)供電，給蓄電池組充電儲(chǔ)能；市電故障時(shí)，控制系統(tǒng)控制KM3、KM5接觸器斷開，通過辨識運(yùn)行的主、備泵，分別控制KM4或KM6接觸器閉合，再啟動(dòng)變頻電源，實(shí)現(xiàn)冷凝水泵應(yīng)急運(yùn)行模式。

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

2 動(dòng)力負(fù)載應(yīng)急電源控制設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)控制電源設(shè)計(jì)

由于市電故障時(shí)，整個(gè)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(jì)單獨(dú)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(shí)，動(dòng)力負(fù)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2-3秒的切換時(shí)間，允許控制電源有間斷切換；當(dāng)市電恢復(fù)時(shí)，如果EPS控制電源存在切換斷電時(shí)間，KM3、KM4、KM5、KM6接觸器將因?yàn)榭刂齐娫吹臄嚯?#xff0c;而將全部斷開，這樣影響到設(shè)備的運(yùn)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(jì)，如圖2所示。當(dāng)市電故障時(shí)， 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(shí)，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(shí)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(shí)的切換有間斷時(shí)間問題。

在市電正常時(shí)，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(dòng)力負(fù)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(jì)

動(dòng)力負(fù)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(dòng)需要4路獨(dú)立的+20V直流電源、采樣電路中的運(yùn)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(gè)獨(dú)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(dòng)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(dòng)力負(fù)載應(yīng)急電源控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主備泵辨識與邏輯判斷

實(shí)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(jìn)行主、備運(yùn)行水泵的辨識與停電時(shí)的邏輯判斷。雖然配電控制系統(tǒng)進(jìn)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(yùn)行的依據(jù)，但是如果沒有設(shè)計(jì)正確的邏輯關(guān)系，將產(chǎn)生違背現(xiàn)場要求的錯(cuò)誤切換。

在市電運(yùn)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，啟動(dòng)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(dòng)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(shí)應(yīng)該起動(dòng)哪個(gè)泵，從現(xiàn)場安全考慮，設(shè)定閉合KM4，起動(dòng)主泵。

如果市電時(shí)備泵運(yùn)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(shí)再進(jìn)行主、備運(yùn)行水泵的辨識，將產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷。所以，控制系統(tǒng)中，程序主、備運(yùn)行水泵的辨識間隔時(shí)間應(yīng)該大于市電斷電判斷時(shí)間，在斷電判斷后，通過程序跳轉(zhuǎn)，避免再次進(jìn)行主、備運(yùn)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(jì)

整個(gè)動(dòng)力負(fù)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(hù)電路，可實(shí)時(shí)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(shí)報(bào)警，以便及時(shí)維護(hù)。此外還設(shè)計(jì)有輸出分路檢測電路，可實(shí)時(shí)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(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，主程序控制流程圖如圖4所示。

圖4 主控制程序流程圖

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

4 結(jié)論

經(jīng)過技術(shù)設(shè)計(jì)和制造，10萬噸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。

(編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“185kW一用一備冷凝水泵應(yīng)急電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”，作者為劉暉、李多山。)

總結(jié)

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