直流支撐系統DC-BANK

1 概述

電動機不間斷電源系統(Motor UninterruptiblePower System，簡稱MUPS)是上海雋睿自動化技術有限公司研制的區別于市場上的UPS、EPS 的供電系統。MUPS 的一套直流支撐系統DC-BANK可支持多臺乃至上百臺變頻器(VVVF)在電網晃電、停電時不間斷工作，因而也保證多臺乃至上百臺電動機在晃電、停電時，不間斷工作。因此MUPS是針對電動機群設計的理想電源系統，該系統適用于連續生產的化工、鋼鐵、化纖、集成電路芯片、玻璃、造紙等行業，同時可作為消防應急電源使用，在工廠、大樓的消防系統中也有獨到的用處。

2 MUPS 的性能特點

1)結構簡單可靠，系統未用常規UPS向VVVF提供交流電源，而MUPS向VVVF提供直流電源，從而減少了AC/DC、DC/AC 兩次變換。常規UPS整流充電器既要對蓄電池充電，還須向逆變器提供額定直流功率，而MUPS 充電器只對電池充電，其功率僅為常規UPS的10%左右，成本低，可靠性高。

2)MUPS 系統里包含接入系統中的所有電動機的啟動控制和保護元件，采用IGBT逆變功率器件和微處理器控制。

3)電動機享有VVVF 的軟啟動、調速等功能，并具備短路、接地故障和過載等保護特性。

4)MUPS 系統里充電器僅對蓄電池充電，具有穩壓、限流及浮充溫度補償功能。

5)MUPS 系統里的PLC 對每臺電動機的啟動、停止和蓄電池定期向假負載放電等狀況實施監控、保護。

6)MUPS 系統里的各回路完全獨立，當檢修某回路VVVF及其控制保護電路時，不影響其他回路工作。

7)MUPS 系統里設置的靜態開關具有環流隔離功能。

8)MUPS 系統里靜態開關采用在線跟蹤和電壓自動監控，保證主電源失電時，系統瞬時切換到電池供電，變頻器的輸出沒有任何中斷。主電源恢復正常時，靜態開關自動阻斷蓄電池與被保護電機驅動器的連接，蓄電池自動充電在維持狀態。

3 MUPS系統技術數據

MUPS 系統技術數據如表1 所列。

4 MUPS系統組成及原理圖

MUPS 系統由變頻器VVVF +直流支撐系統DC-BANK組成。直流電源支撐裝置DC-BANK主要由蓄電池BAT、整流充電器CD1、靜態開關SW1、快速熔斷器QD1、直流接觸器MF1、電動機M、執行單元控制器等組成。變頻器VVVF由AC/DC整流器、DC/AC 逆變器等組成。整套MUPS 系統設備包括VVVF、DC原BANK在內，如果用戶已裝有變頻器VVVF，則可提供DC原BANK直流支撐系統。

MUPS 原理圖如圖1 所示。

 

 

5 DC-BANK 系統的工作模式

直流支撐系統DC-BANK有三種工作模式。

1)正常工作模式由廠用電通過具有雙變換及軟起動功能的VVVF驅動電動機，充電器對電池浮充電。

2)斷電工作模式靜態開關SW1 開通，蓄電池直流電通過VVVF驅動電動機;廠用電恢復，系統自動恢復正常工作。轉換過程不斷電。

3)檢修工作模式每個回路相對獨立，n臺PLC分路獨立管理n臺VVVF，并對直流系統進行監控。

在工作現場通常都是電機群，只需設計一套系統就可以解決問題。例如3 臺電機的工作模式如圖2 所示。

 

 

6 DC-BANK 工作原理及控制邏輯

6.1 DC-BANK 系統工作原理

當電網供電正常時，靜態開關SW1處于關斷狀態，切斷電池組BAT 與變頻器的通路，直流支撐系統裝置通過整流設備對蓄電池組進行浮充電，裝置儲能;當交流電源低于變頻器低壓保護值時(即交流368 V，直流516 V)時，監控系統觸發靜態開關SW1瞬間導通，可以做到變頻器由交流供電和由電池組供電的瞬時轉換。

 

 

6.2 DC-BANK系統控制邏輯說明

DC-BANK與變頻器控制邏輯如圖3所示。

6.2.1 變頻器啟動、停止控制邏輯

根據變頻器的原理，變頻器在交流供電或直流供電正常情況下在接受到啟動接點指令后，即可投入運行。變頻器正常運行后有一反映變頻器運行狀態的接點信號閉合。變頻器運行調速指令由DCS 或PLC 送來的4耀20 mA 模擬信號實現。

 

 

6.2.2 直流支撐系統與變頻器的邏輯配合

1)控制PLC 輸入邏輯條件變頻器運行狀態接點信號，母線電壓監測信號，有時要求加變頻器保護動作信號。

2)控制PLC 輸出邏輯條件變頻器運行正常且未給出保護動作信號時，直流接觸器合上，直流支撐系統處于熱備用狀態，否則直流接觸器斷開，直流支撐系統處于冷備用。變頻器運行正常時，母線電壓約AC 350 V(可調節)且未給出保護動作信號時，PLC 向靜態開關送出DC 24 V的控制電壓，靜態開關導通;母線電壓恢復且未給出保護動作信號時，PLC撤出靜態開關閉鎖指令。

3)母線電壓正常條件下直流支撐系統投入過程變頻器電源端送入正常電壓，變頻器受電，內部CPU 準備運行;控制設備，DCS或PLC或控制繼電器送來啟動運行指令。電機按模擬控制4耀20 mA電流決定變頻器拖動電機的運行轉速;等到系統正常運行后變頻器狀態接點閉合。直流支撐系統控制PLC 接收到變頻器運行狀態指令后，向直流接觸器MF發出合閘指令，如果該回路的空氣開關QF合閘，這時該回路在熱備份狀態。

4)變頻器電源失電PLC 及靜態開關都測到變頻器失電信息，PLC 測到了母線電壓約AC 350 V發出靜態開關合閘指令，靜態開關測到變頻器直流母線電壓約AC 460 V而快速導通。變頻器電源迅速由廠用電交流母線供電轉入直流支撐系統蓄電池組供電。變頻器保持連續不間斷運行。

5)變頻器電源供電恢復時其直流環節的電壓應立刻上升母線電壓恢復使得PLC 重新得到電壓正常信號而撤出靜態開關閉鎖指令。當變頻器直流母線電壓大于直流支撐系統母線電壓，并且PLC 撤出閉鎖指令后靜態開關立即關閉。電機在這一過程中仍然保持不間斷運行。充電器對放過電的電池組充電。

6)母線電壓連續在85豫上下波動母線電壓一旦約AC 350 V(>85豫)，直流支撐系統即自動投入，由蓄電池直接向變頻器的直流母線供電。母線恢復正常值后PLC 延時2 s 撤出靜態開關閉鎖信號。在蓄電池供電數秒鐘后PLC 自行切斷直流接觸器，具體延時時間可在調試時確定。

7 DC-BANK 系統主要設備選擇

1)蓄電池蓄電池采用免維護閥控式全密封鉛酸電池，使用壽命為7耀12年。

2)整流器整流器的功率逆變管采用進口快速IGBT，其余元器件采用進口工業等級元器件，生產工藝嚴格完整，保證機器的可靠性和穩定性。

輸出電壓和電流均可連續調節。具有強大的保護功能(輸入過流、過壓、欠壓保護;輸出短路，過流，過壓保護;整機過熱保護)。

3)靜態開關靜態開關采用大功率器件組成直流電子開關。當電網供電正常時，開關處于關斷狀態，切斷電池組與變頻器的通路，防止電池組在浮充電或均充電時，因端電壓高于交流進線經整流后輸出的直流電壓引起頻繁放電;當交流電源低于變頻器低壓保護值時(通常依據變頻器的品牌而定)，監控系統觸發直流電子開關瞬間導通，可以做到變頻器由交流供電和由電池組供電的瞬時轉換。

4)智能控制、監控系統根據需要用一臺或多臺西門子S7-200 可編程控制器和HMI(觸摸屏)組成帶有人機操作界面的監控系統。

監控系統由系統控制器、切換控制器、電池檢測器及分路檢測器等主要部件組成，各部件均由單片機控制，監控系統是通過RS485進行數字化連接以完成系統的通信與控制。

5)安全保護此系統是安裝在配電柜內的。

配電柜符合IP20要求，由能承受一定機械應力、電氣應力及熱應力的材料構成。