水處理投礬系統的后備電源方案

摘要：水處理中投礬系統是水處理中的一個重要環節，一旦投礬系統失電時，會嚴重影響出廠水的水廠。文章介紹了水廠的投礬系統在電源失電時使用電池組對變頻器的直流母線進行后備電源供電和使用UPS對控制回路進行后備電源供電。

關鍵詞：變頻器；直流母線；后備電源；投礬系統；水處理 文獻標識碼：A

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

1 概述

投礬系統是水處理過程中的重要一環，一旦投礬系統失電時，會嚴重影響出廠水的水廠，因此需要設計投礬系統的后備電源方案。投礬系統的工作原理是使用PLC控制變頻器改變投加泵頻率進行投加控制，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進行供電，而且UPS是成熟設備，市面上能直接購置，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行控制，市面上沒有現成設備，如果使用電池逆變器成本太高，所以經過考慮可以直接使用變頻器的直流母線進行失電時的電池組供電，并配上充電機對電池組進行供電。

2 變頻器的基本構成

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整流器變成直流電，然后再把直流電通過逆變環節變換成頻率、電壓均可控制的交流電，它又稱為間接式變頻器。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、直流環節和逆變器。整流器的作用是把三相交流電轉換成直流電，直流環節對負載（電動機）工作產生的能量，起到緩沖的作用，逆變器則在觸發電路的控制下，有規律地控制逆變器中主開關器件的通與斷，以得到任意頻率的三相交流電，輸出到負載。

變頻器的控制電路由運算電路、檢測電路、控制信號的輸入、輸出電路和驅動電路等構成。其主要任務是完成對逆變器的開關控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等。

3 變頻器不間斷電源的設計

目前常用的變頻器都是交-直-交類型的電壓源型變頻器，其直流環節的電壓為500～620V，是三相交流電壓經過三相不受控整流后得到的。變頻器后備電源的設計思路是：如果在停電后能為變頻器的中間環節提供另一路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連續可調，實現對負載的不間斷控制。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對變頻器進行不間斷供電，當然在有市電時還要對電池組進行

充電。

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

串聯電池的個數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行供電，電池組系統處于浮充電狀態，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只數，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。系統使用羅克韋爾PowerFlex40系列的變頻器。在市電電壓為390V時，變頻器的直流母線電壓為520V，在變頻器的參數設置里面可以看到變頻器母線電壓低的報警值為390V，即變頻器能正常工作的電壓為400～520V，就是說只要直流母線的電壓在這個范圍內，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，延長蓄電池使用壽命，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，三相電源低于380V，則會使電池組電壓高于變頻器直流母線電壓，會切換到電池組供電。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取決于負載額定電源電流I及市電停電后負載由蓄電池供電延遲的時間T以及電池組放電后的終止電壓Uz。一般來說，電池的終止電壓為10.5V，投礬系統有4臺2.2kW的變頻器（兩運兩備），負載約為4.5kW，后備時間按設計需要5小時，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，可根據電池生產廠家提供的電池型號，選型結果為選38A·h電池37只。

AC/DC可調電流電壓型直流充電機的工作原理是采用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，可對400A·h以下的電池組進行浮充充電。在正常狀態下，充電機對電池組的充電電壓為495V。

使每個電池的浮充電壓在13.3V左右。

為了把電池組與變頻器直流母線進行電壓隔離，采用大功率整流器件二極管組成直流隔離開關，當市電正常時，變頻器整流出來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斷狀態，防止變頻器向蓄電池組反向供電。當市電停電時，電池組電壓高于變頻器的整流電壓，使二級管瞬時導通，電池組瞬間放電，這樣可以做到負載由市電供電和電池組供電的瞬時轉換，而不損壞電池組和直流充電機，這元件是在線式不間斷電源的關鍵環節。

4 不間斷電源在投礬系統

投礬控制系統電源分為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，UPS處于整流-逆變狀態供電，電源來源于市電，當發生失電時，UPS自動切換到電池-逆變狀態供電，電源來源于電池，當市電恢復時，UPS自動切換回整流-逆變狀態供電。UPS的內部切換部件是靜態開關，切換時間都只有幾毫秒，可以達到PC級別的電源切換時間。

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。當市電正常供電380V時，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狀態，此時變頻器的工作電源由市電提供。當市電出現跳閘斷電故障時，變頻器母線電壓出現下降，當電壓下降到495V以下時，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為導通狀態，變頻器的工作電源將由蓄電池組提供。當市電恢復正常，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截止狀態，變頻器工作電源恢復為市電提供，蓄電池組恢復浮充狀態，以此實現變頻器不間斷運行，從而不影響投礬系統的變頻器運行。

另外，電池組方面還加了電池巡檢儀，并且信號通過modbus通訊傳了給PLC，中控值班室可以在上位機上看到電池的狀況，使失電時值班人員可以從容應對投礬系統的電源失電狀態。

5 結語

對于水廠內的大部分控制系統都是控制回路220V電源和主回路使用變頻器控制的，通過投礬系統的實踐，可以把這種電源的供電方式推廣到廠內的其他投加系統。并且對于停電時需要緊急運行的機械設備（例如閥門、水泵）都可以增加變頻器和電池組作為它們在停電時的緊急電源，這種電源后備供電模式具有很高的性能價格比。

參考文獻

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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）.

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

（責任編輯：小 燕）