低電壓大電流混合型直流電源裝置研究及應用

孫海奇

（天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741000）

低電壓大電流混合型直流電源裝置研究及應用

孫海奇

（天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741000）

介紹了直流電源系統對大型發電廠發電機組潤滑系統的重要性，論證了通過降低電源電壓啟動直流電機比采用電樞串電阻啟動方法所具有的優越性。從蓄電池直流電源和晶閘管整流電源兩方面入手，提出了混合型直流電源。設計并證明了該混合型直流電源的可行性。實現了直流電機的低電壓啟動和兩種電源的自動軟切換。同時，實現了鉛酸電池直接啟動直流電機，降低了投入成本和運行維護成本，大大提高了負載運行的可靠性。

直流潤滑油泵；低電壓；蓄電池直流電源；整流電源；混合型直流電源；智能控制

1 概述

發電機組潤滑油系統一般由滑油箱、滑油泵（供油泵、回油泵）、滑油濾、滑油冷卻器等部件構成。直流潤滑油泵在啟機、故障停機、交流泵故障時，應保證發電機組潤滑油系統正常工作。若直流潤滑油泵的電源不可靠，會導致發電不正常甚至損壞發電機組，所以直流電源系統非常重要。本文主要介紹直流電機的低電壓啟動、混合型低電壓直流電源的構成、閥控密封式鉛酸蓄電池啟動電機的新應用、系統的智能控制及設備在伊拉克魯邁拉油田的應用。

2直流電機低電壓啟動

直流電機同交流電機一樣在啟動時要符合兩個基本條件，即啟動要有足夠的轉矩和啟動電流不能超過安全范圍。直流電機在啟動瞬間，轉子還未轉動，感應電動勢尚未建立，既Ea＝CeΦn＝0，此時啟動電流I＝U／R，如在額定電壓下直接啟動，因直流電機的電樞電阻很小（約為0.1Ω-0.2Ω），故啟動電流就非常大，一般高達額定電流的10-20倍，這比交流電機直接啟動的電流倍數高出好多倍，大電流會造成直流電動機的換相器產生環火而燒壞，同時，過大的電樞電流必然產生巨大的啟動轉矩，這會使電動機及其拖動的機械設備遭受突然巨大的沖擊而損壞，而且還可能使直流進線電源的開關跳閘。直流潤滑油泵若不能啟動，發電機組就很有可能被損壞，因此，啟動電流的倍數必須加以限制。限制啟動電流的方法通常有兩種，即電樞串電阻法和降低電源電壓法。電樞串電阻法轉矩與轉速的特性圖如圖1所示。

圖1電樞串電阻法轉矩與轉速的特性圖

由上式可見，當轉速是空載轉速的1／2時，功率的一半消耗在電樞總電阻上，所以這種降低電樞端電壓的方法是很不經濟的。而用降低電源電壓的方法來限制啟動電流，可提高電機的運行效率。

3混合型低電壓直流電源系統構成及工作原理

3.1系統構成

直流電源系統由兩部分構成，即基于鉛酸電池的儲備型直流電源和基于晶閘管的可控型整流電源，其主電路拓撲結構如圖2所示。

圖2混合型低電壓直流電源主電路結構圖

3.2基于鉛酸電池的儲備型直流電源工作原理

兩路交流雙電源自動投切裝置給各個充電模塊供電；充電模塊前端加裝AC380V／AC110V三相降壓變壓器，將輸入的三相交流電轉換為DC24V直流輸出；給蓄電池充電，同時給直流母線負載供電，另外，母線通過降壓裝置給控制母線供電。

系統中的各監控單元受主監控裝置的管理和控制，通過通訊線將各監控單元采集的信息送給主監控裝置統一管理。主監控顯示直流系統各種信息，用戶也可觸摸顯示屏查詢信息，系統信息還可以接入到遠程監控系統中。

系統參數配置如下:交流輸入AC380V，20A；充電模塊雙機熱備，50A模塊兩只；鉛酸蓄電池容量400AH，單體電壓2V，12節；系統電壓DC24V，負載直流電動機3.7kW，額定工作電流160A，工作持續時間不低于30min。電池放電特性如圖3所示。

圖3 25℃時鉛酸電池放電特性圖

由圖3可知，放電容量同放電電流成反比關系，放電電流越大容量越小，放電電流越小容量越大。額定容量是電池在25℃、單體10小時放電至1.8V的放電容量。圖3顯示了電池在25℃時、不同大小電流放電至終止電壓時的恒流放電特性。

當電池放電終止電壓設置為1.7V時，400AH的鉛酸電池以791A的恒流放電，放電時間不到10分鐘。鉛酸電池直接啟動直流電機是不能滿足要求的，會由于啟動放電倍數不夠而導致啟動失敗或者運行時間太短而不能滿足工藝要求，電池也極易損壞。為了解決這個問題，可在電池兩端并接5kW的超級電容，這樣既能保證電機正常啟動，又能保護電池，使設備使用壽命延長，降低投入成本和維護成本。

3.3基于晶閘管可控型整流電源的工作原理

該整流電源采用三相半波可控整流電路，通過控制脈沖觸發相位角來控制輸出的電壓值。三相半波整流電路圖如圖4所示。

圖4三相半波可控整流電路圖

圖中TR為整流變壓器，參數為380V／42V，直流輸出電壓Ud＝1.17U2Φcosa，直流平均輸出電流Id＝1.17 U2Φcosa／Rd。U2Φ為整流變壓器二次側輸出相電壓，當輸出電壓為Ud＝DC24V、U2Φ＝42V時，cosa≈0.5、a≈60°。當a＝90°時，輸出電壓Ud＝0V。當a角在60°-70°范圍內調節時，就能輸出一個滿足負載需要的電壓值。蓄電池直流電源平時處于電池浮充狀態，此時單體電池電壓為2.35V，總電壓U1＝12＊2.35V＝28.2V，直流母線二極管的管壓降為0.7V，所以蓄電池組最高負載輸出電壓為27.5V。由此來看，整流型直流電源輸出電壓必需大于28.2V才可能是常用電源。當交流電源停電或者整流電源出現故障時，蓄電池組才自動投入使用。

3.4混合型直流電源通訊管理系統

主機采用中英文顯示，按鍵式操作。系統極易實現故障查詢、告警管理、電池管理、開關量檢測、控母電壓智能調節以及上位機通訊等功能。各種報警信息文字顯示，故障定位直觀清晰，對歷史故障有存儲功能且斷電后不丟失。故障發生時自動彈出故障界面，當屏幕點亮時，機箱內置蜂鳴器發生告警聲音，告警門限可設置。通過預先設置電池充電運行參數，自動對電池充放電進行管理，配置電池巡檢模塊檢測單體電池電壓，通過預先設置的DC24V輸出參數，監控主機對降壓硅鏈進行實時調節。觸摸監控主機可設置整流電源任意輸出電壓值和最大輸出電流限制。與上位機的通訊接口可選擇RS232或RS485，通訊規約為Modbus，波特率可設置，設備通訊地址從01-99可選擇設置。另外，每半個小時記錄運行參數，可記錄48條運行記錄，且斷電數據不丟失，通訊系統框圖如圖5所示。

圖5電源通訊管理系統

3.5電源對照分析表

混合型直流電源同各類直流電源對照分析見表1。

表1電源對照分析表

4結束語

本系統自2014年5月投入使用以來，運行平穩正常、安全可靠、操作簡便、維護方便，達到了預期的運行指標。該直流電源系統的電池室、電控室分離，其各自獨立的空調系統為蓄電池提供了鉛酸閥控式免維護的理想工作溫度，使鉛酸電池首次在伊拉克高溫環境中使用獲得了成功。氫氣自動排放或手動排放技術排除了設備發生氫氣爆炸的危險，混合型直流系統采用儲備電源同整流電源熱備技術實現了負載在任何情況下均不掉電，設備的安全性、可靠性大大提高。交流系統使用MCC抽出式開關柜，提高了互換性，并大大縮短了排除故障的時間。

本系統設計先進、制造精良，經過運行檢驗，各項性能指標均滿足現場運行的要求和燃氣渦輪發電機組的發電工藝要求，為我國更好地開發伊拉克及周邊國家的石油市場做出了貢獻。

［1］半導體變流技術［M］.北京:機械工業出版社.

［2］電機及拖動基礎（上）［M］.北京:機械工業出版社.

［3］電機及拖動基礎（下）［M］.北京:機械工業出版社.

［4］智能型直流電源技術手冊［Z］.深圳艾默生.

［5］高頻開關電源模塊技術手冊［Z］.通合電子.

Research and application of low-voltage large-current mixed type DC power supply device

SUN Hai-qi
（Tianshui Electric Drive Research Institute Co.，Ltd.，Tianshui 741020，China）

The importance of DC power supply in the lubricating system of the generating units of the large power plant is introduced.As regard to start the DC motor，it is proved that the superiority of the method of reducing the power supply voltage than the method of series-connecting the armature with the resistance.From the two aspects of the storage battery DC power supply and the thyristor rectifier power supply，the mixed type DC power supply is put forward and designed，and its feasibility is proved.The low-voltage startup of the DC motor and the automatic soft-switching of the two power supplies are realized.It is realized that the lead-acid battery directly starts the DC motor，which reduces the inputcostandtherunningandmaintenancecostsofthesystem，andalsoimprovesthereliabilityoftheloadrunning.

DC lubricating oil pump；low voltage；storage battery DC power supply；rectifier power supply；mixed type DC power supply；intelligent control

TM91

A

孫海奇（1973-），男，工程師，就職于天水電氣傳動研究所有限責任公司，主要從事傳動系統及自動化控制裝置的設計研究工作。

2016-05-15

1005—7277（2016）04—0022—03