电动机不间断电源系统(MUPS)在化工企业的应用(改)

电动机不间断电源系统（MUPS）在化工企业的应用麻志东（贵州开阳化工有限公司贵州开阳550300）摘要：化工企业特别重要电动机在全厂失电或供电电压波动时是否能正常运行是保障化工生产设备、人身安全的必要条件，本文主要介绍基于VVVF（变频器）及DC-BANK（直流支撑系统）组织架构的不间断电源系统（MUPS）组成、功能特点等内容，重点介绍DC-BANK（直流支撑系统）工作模式、工作原理、控制逻辑说明和DC-BANK主要设备选择及在变频器抗电网晃电应用情况及效果。关键字：电动机不间断电源系统MUPS；直流支撑系统；变频器；1、概述电动机不间断电源系统MotorUninterruptiblePowerSystem（简称MUPS），MUPS(电动机不间断电源系统)一套直流支撑系统DC-BANK可支持多台乃至上百台变频器VVVF在电网晃电、停电时无间断工作。因此MUPS是针对电动机群的理想电源系统。该电源系统特别适用于连续生产的化工企业。当主电源失电后，MUPS将确保特别重要电动机组继续运行使生产工艺过程有时间紧急处理、安全停车或继续运行。2、MUPS的性能特点结构简单可靠，系统未用常规UPS向VVVF提供交流电源，而采用MUPS向VVVF提供直流电源，从而减少了AC/DC、DC/AC两次变换，硬件成本减少，可靠性提高。常规UPS整流充电器既要对蓄电池充电，还须向逆变器提供额定直流功率，而MUPS充电器只对电池充电，其功率仅为常规UPS的10%左右，成本低，可靠性高。该系统包含接入系统中的所有电动机的启动控制和保护元件。电动机享有VVVF的软启动、调速等功能，并具备短路、接地故障和过载等保护特性。充电器具有稳压、限流功能，及浮充温度补偿功能。PLC的编程对每台电动机的启动、停止和蓄电池定期向假负载放电实施监控。系统各回路完全独立，检修某回路VVVF及其控制保护电路等，不影响其他回路工作。采用IGBT逆变功率器件和微处理器控制。静态开关采用在线跟踪和电压自动监控，保证主电源失电时，系统瞬时切换到电池供电,变频器的输出没有任何中断。3、MUPS系统组成及基本原理图MUPS系统是基于VVVF(变频器)及DC-BANK（直流支撑系统）的组织构架。基本架构见图（1）图（1）基本架构图直流电源支撑装置DC-BANK主要由蓄电池BAT、整流充电器CD1、静态开关SW1、快速熔断器QD1、直流接触器MF1、电动机M、执行单元控制器等组成。蓄电池采用免维护全密封铅酸电池。整流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，整套MUPS系统设备，即包括VVVF、DC－BANK在内。如果用户已装有变频器VVVF，则可提供DC－BANK直流支撑系统。VVVF+DC-BANK变频器+直流电源支撑装置电气原理图如图（2）所示。图（2）VVVF+DC-BANK变频器+直流电源支撑装置电气原理图4、DC-BANK系统的工作模式直流支撑系统DC-BANK有三种工作模式：4.1、正常工作模式：由厂用电通过具有双变换及软起动功能的VVVF驱动电动机，充电器对电池浮充电。4.2、断电工作模式：静态开关SW开通，蓄电池直流电通过VVVF驱动电动机；厂用电恢复，系统自动恢复正常工作。转换过程不断电。4.3、检修工作模式：每个回路相对独立，n台PLC分路独立管理n台VVVF，并对直流系统监控。5、DC-BANK工作原理及性能特点5.1直流支撑DC-BANK系统工作原理当电网供电正常时，静态开关SW1处于关断状态，切断电池组BAT与变频器的通路，直流支撑系统装置通过整流设备对蓄电池组进行浮充电，装置储能；当交流电源低于变频器低压保护值时，监控系统触发静态开关SW1瞬间导通，可以做到变频器由交流供电和由电池组供电的瞬时转换。变频器，由AC/DC整流器、DC/AC逆变器等组成；直流支撑系统DC-BANK:由电池组BAT、充电器CD1、静态开关SW1、控制器PLC等组成；M:电动机。5.2DC-BANK系统性能特点1）结构合理可靠：用DC-BANK系统直接向变频器VVVF提供直流电源。和传统的不间断电源UPS相比，减少了AC/DC、DC/AC两次变换，硬件费用减少，可靠性提高。常规不间断电源UPS整流充电器与变频器处于串联状态，既要对电池充电，还须向逆变器提供额定直流功率，而DC-BANK充电器处于并联状态，平时只对电池浮充电，成本低，可靠性高。2）DC-BANK系统不影响原来设备的全部工作状态。电动机享有VVVF的软启动、调速等功能，并具备短路、接地故障和过载等保护特性。充电器具有稳压、限流功能。3）DC-BANK系统相关参数可以记录、储存和显示。采用方便检修维护的模块化结构，并联使用。系统各回路完全独立，检修某回路变频器VVVF及其控制保护电路等，不影响其他回路工作。系统相关部件采用IGBT逆变功率器件和微处理器控制。4）静态开关采用在线跟踪和电压自动监控，保证主电源电压波动和失电时，系统瞬时切换到电池供电,变频器的输出频率没有变化。6、DC-BANK系统控制逻辑说明：图（3）DC-BANK与变频器控制逻辑简图1）变频器启动、停止控制逻辑根据变频器的原理，变频器在交流供电或直流供电正常情况下，在接受到启动接点指令后，即可投入运行。在变频器正常运行后有一反映变频器运行状态的接点信号闭合。变频器运行调速指令由DCS或PLC送来的4－20mA模拟信号实现。2）直流支撑系统与变频器的逻辑配合（1）直流支撑系统的组成：a.直流电源b.回路保护开关c.回路静态开关d.回路直流接触器e.控制PLCf.母线电压监测继电器。（2）该系统的PLC控制逻辑a.控制PLC输入逻辑条件有：变频器运行状态接点信号，母线电压监测信号。要求加变频器保护动作信号,加泵变频器运行的工作状态信号。b.控制PLC输出逻辑条件有：变频器运行正常且未给出保护动作信号时,直流接触器合上,直流支撑系统处于热备用状态,否则直流接触器断开，直流支撑系统处于冷备用。变频器、运行正常时，母线电压小于350VAC(可调节)且未给出保护动作信号时,PLC向静态开关送出24VDC控制电压,静态开关导通；母线电压恢复且未给出保护动作信号时，PLC撤出静态开关闭锁指令。c.母线电压正常条件下直流支撑系统投入过程：变频器电源端送入正常电压，变频器受电，内部CPU准备运行；控制设备，DCS或PLC或控制继电器送来启动运行指令。电机按模拟控制4－20mA电流决定变频器拖动电机的运行转速；等到系统正常运行后变频器状态接点闭合。直流支撑系统控制PLC接受到变频器运行状态指令后，向直流接触器MF发出合闸指令，如果该回路的空气开关QF合闸，这时该回路在热备份状态。d.变频器电源失电，PLC及静态开关都测到变频器失电信息，PLC测到了母线电压＜350VAC信号而发出静态开关合闸指令，静态开关测到变频器直流母线电压＜460VAC而快速导通。变频器电源迅速由厂用电交流母线供电转入直流支撑系统蓄电池组供电。变频器保持连续不间断运行。e.变频器电源供电恢复时其直流环节的电压应立刻上升；母线电压恢复使得PLC重新得到电压正常信号而撤出静态开关闭锁指令。当变频器直流母线电压大于直流支撑系统母线电压，并且PLC撤出闭锁指令后静态开关立即关闭。电机在这一过程中仍然保持不间断运行。在充电器作用下对放过电的电池组补充电。f.母线电压连续在85％上下波动。母线电压一旦小于AC350V（85％）直流支撑系统即自动投入,由蓄电池直接向变频器的直流母线供电。母线恢复正常值后PLC延时2s才撤出静态开关闭锁信号。g.根据用户工艺条件，在蓄电池供电数秒钟后PLC自行切断直流接触器，具体延时多长时间可在调试时确定。7、DC-BANK系统安全性1）DC-BANK系统与变频器组成的电机不停电系统具有十分高的系统安全性。DC-BANK与变频器是分布式结构，变频器应用DC-BANK后完全不影响原有的使用方式及性能，在厂用电正常时DC-BANK仅作为后备电源。这时候的DC-BANK退出、投入不会对原变频器产生任何影响。2）DC-BANK与变频器之间有十分可靠的隔离保护设计，当一台变频器出现故障，不会影响其它变频器正常运行。3）在检测维修时，每回路DC-BANK均可单独与母线分离，以便于维修。4）DC-BANK上有备保护变频器市电晃电、失电、充电压实时纪录，运行工程师可事后在HMI上查询纪录，精度在秒。8、DC-BANK系统主要设备选择1）、蓄电池：蓄电池采用免维护阀控式全密封铅酸电池；蓄电池的使用寿命为7—12年。2）、整流器：整流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)。3）、静态开关：静态开关采用大功率器件组成直流电子开关。当电网供电正常时，开关处于关断状态，切断电池组与变频器的通路，防止电池组在浮充电或均充电时，因端电压高于交流进线经整流后输出的直流电压引起频繁放电；当交流电源低于变频器低压保护值时(以变频器的品牌而定)，监控系统触发直流电子开关瞬间导通，可以做到变频器由交流供电和由电池组供电的瞬时转换。静态开关工作条件：截止条件，变频器没有运行或变频器运行且市电正常；导通条件，变频器运行且市电晃电或停电(备自投切换时)。4）、智能控制、监控系统：根据需要用一台或多台西门子S7-200可编程控制器PLC和HMI(触摸屏)组成带有人机操作界面的监控系统，其功能为：充电模块输出电压设定，充电电流限值设定，本系统的起停操作，运行参数显示，变频器工作状态显示，故障报警存储以及按需要和上位机通讯实现四遥功能。监控系统由系统控制器、切换控制器、电池检测器及分路检测器等主要部件组成，各部件均有单片机进行控制，监控系统是通过RS485进行数字化连接以完成系统的通信与控制。各部件主要功能如下：1)系统控制器：实现人机交流、系统参数显示、系统指示、系统设置、历史事件的存储及远程通信等功能。2)切换控制器：负责系统各路电压及市电的监测以实现系统安全可靠快速的切换。3)电池检测器：负责电池自动化管理和及监测。4)分路检测器：负责输出各分路的负载状况(正常、开路、短路、未装等)的检测。5）、安全保护：此系统都是安装在配电柜内的。配电柜符合IP20要求，由能承受一定机械应力、电气应力及热应力材料构成。9、DC-BANK系统的应用情况及效果据统计某煤化工企业2008年1～9月，由于电网“晃电”，共造成气化A#～C#三台高压煤浆泵7次跳车。2008年10月投资近70万元，用MUPS系统对气化A#～C#三台高压煤浆泵进行抗“晃电”改造，改造后气化A#～C#高压煤浆泵，2009年2～10月共发生5次电网“晃电”，运行状况统计结果表明：发生5次电网“晃电”时，MUPS系统均发挥了抗电网“晃电”作用，没有引起一台高压煤浆泵跳车，起到了保护作用，保证了高压煤浆泵的稳定运行，达到了预期目的。经过改造，保障了气化炉高压煤浆泵在电网异常时的可靠运行，设备运行稳定性﹑安全性﹑连续性和可靠性大大加强，维护成本降低，取得了显著的经济效益。如果气化A#～C#三台任何一台高压煤浆泵跳车，都会导致气化炉停炉，气化工艺系统减量，从而影响后续甲醇系统和尿素系统减量，将会造成直接经济损失近70万元，因此只有减少1次高压煤浆泵在电网异常时不跳车，就可收回全部投资。MUPS系统能够保障气化A#～C#高压煤浆泵在电网电压异常时安全可靠稳定运行。所以MUPS系统是针对电动机的理想电源系统，该电源系统特别适用于连续生产的化工企业，电网电压异常时运行稳定，发挥了正常的抗晃电保护作用。参考文献：1、上海隽睿自动化技术有限公司MUPS使用说明书2、工业变频器原理及应用电子工业出版社20063、贵州开阳化工有限公司400KWMUPS调试试验报告