摘要：水處理中投礬系統(tǒng)是水處理中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，一旦投礬系統(tǒng)失電時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響出廠水的水廠。文章介紹了水廠的投礬系統(tǒng)在電源失電時(shí)使用電池組對(duì)變頻器的直流母線進(jìn)行后備電源供電和使用UPS對(duì)控制回路進(jìn)行后備電源供電。

關(guān)鍵詞：變頻器；直流母線；后備電源；投礬系統(tǒng)；水處理 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TV53 文章編號(hào)：1009-2374（2017）03-0133-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.059

1 概述

投礬系統(tǒng)是水處理過(guò)程中的重要一環(huán)，一旦投礬系統(tǒng)失電時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響出廠水的水廠，因此需要設(shè)計(jì)投礬系統(tǒng)的后備電源方案。投礬系統(tǒng)的工作原理是使用PLC控制變頻器改變投加泵頻率進(jìn)行投加控制，需要考慮的后備電源有控制回路的電源和主回路的電源，控制回路的電源是220V交流電源，在后備電源方案中可以使用UPS進(jìn)行供電，而且UPS是成熟設(shè)備，市面上能直接購(gòu)置，但另一方面，主回路電源供電是380V交流供電，并且電源是供給變頻器進(jìn)行控制，市面上沒(méi)有現(xiàn)成設(shè)備，如果使用電池逆變器成本太高，所以經(jīng)過(guò)考慮可以直接使用變頻器的直流母線進(jìn)行失電時(shí)的電池組供電，并配上充電機(jī)對(duì)電池組進(jìn)行供電。

2 變頻器的基本構(gòu)成

目前常用的變頻器都是交-直-交變頻器，就是變頻器先把工頻交流電通過(guò)整流器變成直流電，然后再把直流電通過(guò)逆變環(huán)節(jié)變換成頻率、電壓均可控制的交流電，它又稱(chēng)為間接式變頻器。一般變頻器的控制可以分為主電路和控制電路。

變頻器的主電路包括整流器、直流環(huán)節(jié)和逆變器。整流器的作用是把三相交流電轉(zhuǎn)換成直流電，直流環(huán)節(jié)對(duì)負(fù)載（電動(dòng)機(jī)）工作產(chǎn)生的能量，起到緩沖的作用，逆變器則在觸發(fā)電路的控制下，有規(guī)律地控制逆變器中主開(kāi)關(guān)器件的通與斷，以得到任意頻率的三相交流電，輸出到負(fù)載。

變頻器的控制電路由運(yùn)算電路、檢測(cè)電路、控制信號(hào)的輸入、輸出電路和驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成。其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)控制、對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能等。

3 變頻器不間斷電源的設(shè)計(jì)

目前常用的變頻器都是交-直-交類(lèi)型的電壓源型變頻器，其直流環(huán)節(jié)的電壓為500～620V，是三相交流電壓經(jīng)過(guò)三相不受控整流后得到的。變頻器后備電源的設(shè)計(jì)思路是：如果在停電后能為變頻器的中間環(huán)節(jié)提供另一路440～500V的直流電源，其IGBT逆變器就能不間斷地輸出三相正弦交流電壓，而且輸出電壓為0～380V、頻率為O～50Hz連續(xù)可調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的不間斷控制。另一方利用直流電壓的高低特性給變頻器做一路冗余供電，還有需要用元件把電池組的直流電和變頻器整流后的直流電相隔離，就可以做到變頻器失電時(shí)對(duì)變頻器進(jìn)行不間斷供電，當(dāng)然在有市電時(shí)還要對(duì)電池組進(jìn)行

充電。

后備電源的主要單元有交-直-交變頻器、蓄電池組、AC/DC可調(diào)電流電壓型直流充電機(jī)、輸出隔離單向二極管。

串聯(lián)電池的個(gè)數(shù)取決于變頻器直流母線上電壓的正常值和最小允許值。在有市電的情況下使用三相進(jìn)行供電，電池組系統(tǒng)處于浮充電狀態(tài)，因此電池組電壓必須低于變頻器直流母線電壓。

N=U/Uf

公式中：N為蓄電池組最多串聯(lián)只數(shù)，U為變頻器直流母線上的正常電壓，Uf為單體電池的浮充電電壓。

電池選用12V的蓄電池，電池的浮充電壓Uf=13.5V。系統(tǒng)使用羅克韋爾PowerFlex40系列的變頻器。在市電電壓為390V時(shí)，變頻器的直流母線電壓為520V，在變頻器的參數(shù)設(shè)置里面可以看到變頻器母線電壓低的報(bào)警值為390V，即變頻器能正常工作的電壓為400～520V，就是說(shuō)只要直流母線的電壓在這個(gè)范圍內(nèi)，變頻器都能正常工作。變頻器把電池組作為后備電源，正常時(shí)只用市電供電，利用直流電壓的高低特性，為了減少蓄電池組的充放電次數(shù)，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，其浮充電壓不能高于變頻器的正常工作電壓520V。

則N=520/13.5V=38.5，取N=38只。

但一旦電壓有波動(dòng)，三相電源低于380V，則會(huì)使電池組電壓高于變頻器直流母線電壓，會(huì)切換到電池組供電。因此取37只電池，即Uf=37*13.5V=499.5V，電壓低于變頻器正常工作電壓。

電池組容量Q取決于負(fù)載額定電源電流I及市電停電后負(fù)載由蓄電池供電延遲的時(shí)間T以及電池組放電后的終止電壓Uz。一般來(lái)說(shuō)，電池的終止電壓為10.5V，投礬系統(tǒng)有4臺(tái)2.2kW的變頻器（兩運(yùn)兩備），負(fù)載約為4.5kW，后備時(shí)間按設(shè)計(jì)需要5小時(shí)，則需要電池組容量必須大于11kW。

單位電池容量為n，n=11kW*1000/12V/37，n=24.7A·h，可根據(jù)電池生產(chǎn)廠家提供的電池型號(hào)，選型結(jié)果為選38A·h電池37只。

AC/DC可調(diào)電流電壓型直流充電機(jī)的工作原理是采用IGBT電力電子器件組成Buck（降壓）隔離型直流變換器，耐壓為l200V，電流則根據(jù)電池容量按0.1C（10）充電，可輸出電流5～10A，輸出電壓274～600V可調(diào)，可對(duì)400A·h以下的電池組進(jìn)行浮充充電。在正常狀態(tài)下，充電機(jī)對(duì)電池組的充電電壓為495V。

使每個(gè)電池的浮充電壓在13.3V左右。

為了把電池組與變頻器直流母線進(jìn)行電壓隔離，采用大功率整流器件二極管組成直流隔離開(kāi)關(guān)，當(dāng)市電正常時(shí)，變頻器整流出來(lái)的直流電壓高于電池組的輸出電壓，使隔離單向二極管處于關(guān)斷狀態(tài)，防止變頻器向蓄電池組反向供電。當(dāng)市電停電時(shí)，電池組電壓高于變頻器的整流電壓，使二級(jí)管瞬時(shí)導(dǎo)通，電池組瞬間放電，這樣可以做到負(fù)載由市電供電和電池組供電的瞬時(shí)轉(zhuǎn)換，而不損壞電池組和直流充電機(jī)，這元件是在線式不間斷電源的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

4 不間斷電源在投礬系統(tǒng)

投礬控制系統(tǒng)電源分為PLC控制電源和變頻器的三相電源，PLC控制電源可以使用UPS供電。使用市電供電時(shí)，UPS處于整流-逆變狀態(tài)供電，電源來(lái)源于市電，當(dāng)發(fā)生失電時(shí)，UPS自動(dòng)切換到電池-逆變狀態(tài)供電，電源來(lái)源于電池，當(dāng)市電恢復(fù)時(shí)，UPS自動(dòng)切換回整流-逆變狀態(tài)供電。UPS的內(nèi)部切換部件是靜態(tài)開(kāi)關(guān)，切換時(shí)間都只有幾毫秒，可以達(dá)到PC級(jí)別的電源切換時(shí)間。

變頻器則使用兩路供電：一路為正常的三相供電；另一路為電池組的直流母線供電。當(dāng)市電正常供電380V時(shí)，變頻器整流后處理直流母線電壓520V左右，蓄電池組處于浮充狀態(tài)495V，變頻器直流母線電壓高于蓄電池組的電壓，輸出隔離單向二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)變頻器的工作電源由市電提供。當(dāng)市電出現(xiàn)跳閘斷電故障時(shí)，變頻器母線電壓出現(xiàn)下降，當(dāng)電壓下降到495V以下時(shí)，變頻器直流母線電壓低于蓄電池組的電壓，輸出隔離單向二極管變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，變頻器的工作電源將由蓄電池組提供。當(dāng)市電恢復(fù)正常，變頻器直流母線電壓上升到正常值，輸出隔離單向二極管恢復(fù)截止?fàn)顟B(tài)，變頻器工作電源恢復(fù)為市電提供，蓄電池組恢復(fù)浮充狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)變頻器不間斷運(yùn)行，從而不影響投礬系統(tǒng)的變頻器運(yùn)行。

另外，電池組方面還加了電池巡檢儀，并且信號(hào)通過(guò)modbus通訊傳了給PLC，中控值班室可以在上位機(jī)上看到電池的狀況，使失電時(shí)值班人員可以從容應(yīng)對(duì)投礬系統(tǒng)的電源失電狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于水廠內(nèi)的大部分控制系統(tǒng)都是控制回路220V電源和主回路使用變頻器控制的，通過(guò)投礬系統(tǒng)的實(shí)踐，可以把這種電源的供電方式推廣到廠內(nèi)的其他投加系統(tǒng)。并且對(duì)于停電時(shí)需要緊急運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備（例如閥門(mén)、水泵）都可以增加變頻器和電池組作為它們?cè)谕ｋ姇r(shí)的緊急電源，這種電源后備供電模式具有很高的性能價(jià)格比。

參考文獻(xiàn)

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案[J].變頻器世界，2010，（1）.

[2] 熊冠楚.變頻器直流后備電源方案[J].有色冶金世界

與研究，2009，30（5）.

作者簡(jiǎn)介：唐思煒（1984-），男，廣東廣州人，廣州市自來(lái)水公司西洲水廠工程師，工程碩士，研究方向：控制工程應(yīng)用及其自動(dòng)化。

（責(zé)任編輯：小 燕）