CN105322582A - 利用可控硅技术实现的应急供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用可控硅技术实现的应急供电装置，其中：电池组为蓄电池，蓄电池通过充电器先恒流充电，随着电压升高，逐渐保持浮充状态，这样形成了一个备用直流电源，一旦检测到无市电交流输入，则快速开关立即导通，蓄电池电源通过快速开关自动输送电能至直流输出端，直流输出端电压不再下降；当市电交流输入恢复正常后，快速开关闭锁，同时充电器给蓄电池补充充电。本发明可降低由停电造成设备的事故，保障了设备及人身安全事故。

Description

利用可控硅技术实现的应急供电装置

技术领域

本发明涉及以变频器驱动为主的各种生产线和动力设备的技术领域，无论是单传动还是多传动，在工业驱动用不间断电源***基础之上增加可控硅元件并结合PLC技术实现可控硅在变频器应急供电方面的应用，具体地，涉及利用可控硅技术实现的应急供电装置。

背景技术

目前，许多生产线、动力设备广泛地应用了变频器，带来了许多益处，但也导致了一些弊端，如：当电网电压大幅凹陷或瞬间失电或断电时，均能使变频器立即关机。另外来自电网的杂波干扰和雷电等，时常会引起变频器控制***失控，从而导致生产线或动力设备停止运行，造成大量的废品或严重事故，带来较大的经济损失。

目前常用的方法有：

1)通过采用大容量UPS(不间断电源)来解决。缺点在于造价高，且效率低，长期运行耗能大，维护量大，是不经济或不可取的方案；

2)通过采用大容量高精度稳压器来解决。此方案虽然经济，可解决瞬间电压波动。但不能解决因突发性的市电失电或断电所导致的生产线或动力设备停机问题。

3)利用新型驱动电源***(DPS)，在变频器直流端口辅加一直流电源，能确保逆变器的输入稳定，从而使逆变器的交流输出免受交流输入变化的影响。该方案具有比大型UPS更完备的功能，且价格只相当于高精度的稳压器。其结构简单，运行可靠，易于维护，是经济实用的电源装置。

经检索，发现如下相关文献。

申请号：CN200620087150.1，专利名称：工业驱动用不间断电源。该相关文献公开的工业驱动用不间断电源，包括连接在交流市电上的总开关、并联在总开关上的充电器和整流器、逆变器、隔离变压器、连接在整流器和充电器之间的二极管、并联在充电器输出端的蓄电池组和AC/AC变换电路、快速开关、闭锁二极管及交流检测器。隔离变压器输出不间断交流电，闭锁二极管输出不间断直流电。总开关和隔离变压器的输出端还连接着互锁转换开关，互锁转换开关的应急输出接非重要设备的用电。它功能完备，价格低廉。运行可靠，结构简单。对瞬间电压大幅度凹陷或毫秒级断电有补偿作用，安全冗余量大，尤其适合于恶劣电网环境。可广泛用于各种负载波动大且变化频繁的生产线或动力设备的供电。

技术要点比较：该工业不间断电源解决了传动***电源波动问题，但快速开关只是简单使用二极管，利用二极管单向导电性来解决单向隔离，即能量只能从此充电器方输入变频器，以免对其反向充电；但没有很好的解决在正常情况下，要求DPS处于闭锁状态，既阻止DPS向变频器直流母线送电，也阻止变频器直流母线向DPS反送电的可能；同时在遇到变频器失电时，DPS要能快速导通，输出零切换。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种利用可控硅技术实现的应急供电装置。

根据本发明提供的利用可控硅技术实现的应急供电装置，市电输入端、交流软启动输出端、直流输出端，还包括：

依次连接在市电输入端与交流软启动输出端之间的整流器、逆变器、变压器；

依次连接在市电输入端与直流输出端之间的充电器、直流变换器、快速开关；

分别连接至整流器、充电器、逆变器、直流变换器的电池组；

连接在市电输入端与快速开关之间的交流检测器；

其中：

电池组为蓄电池，蓄电池通过充电器先恒流充电，随着电压升高，逐渐保持浮充状态，这样形成了一个备用直流电源，一旦检测到无市电交流输入，则快速开关立即导通，蓄电池电源通过快速开关自动输送电能至直流输出端，直流输出端电压不再下降；当市电交流输入恢复正常后，快速开关闭锁，同时充电器给蓄电池补充充电。

优选地，所述快速开关包括：可控硅整流器、二极管、PLC晶体管(晶体管型PLC)；

所述快速开关的输入端的正极与快速开关的输出端正极之间依次连接有可控硅整流器、二极管；可控硅整流元件的门极G连接PLC；

二极管起到单向隔离作用，可控硅起到正常时闭锁，防止通电，失电时快速导通的作用，PLC用于给门极G至可控硅整流元件阴极K之间施加适当的正向电压从而使可控硅整流元件由截止转为导通。

优选地，PLC晶体管输出给门极G至可控硅整流元件阴极K之间施加适当的正向电压从而使可控硅整流元件由截止转为导通，具体为：

首先将需要触发可控硅整流元件的条件全部接至PLC输入端，这里的条件主要包括：

(1)所述应急供电装置设备处于投入位置；

(2)所述应急供电装置主控板检测到蓄电池电压与充电器电压正常；

(3)所述应急供电装置检测到的市电电源状态，即是否失电；

(4)所述应急供电装置的放电时间；

在PLC的逻辑中对这些条件进行判别，一旦条件具备则利用PLC的晶体管输出给可控硅整流元件门极G至阴极K间施加连续脉冲，触发可控硅整流元件快速导通。

优选地，PLC的晶体管输出达20KHz的脉冲指令，PLC的晶体管输出端与可控硅整流元件之间设置有末级电路板，末级电路板起着隔离PLC与可控硅整流元件的作用，防止PLC晶体管输出直接连接到可控硅整流元件门极而导致门极触发电流过大烧坏PLC输出点。

优选地，通过如下任一种方式使可控硅整流元件截止：

-断开可控硅整流元件通电回路；

-使可控硅整流元件的阳极电压小于阴极电压；

-所述应急供电装置检测其内部直流电压是否满足供电需求，如果电压过低或电池组有问题造成直流输出端电压小于额定标称值85％，则不对可控硅整流元件的门极进行脉冲触发。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

转炉氧枪***是整个炼钢厂最重要的***之一，也是比较复杂的***。在转炉炼钢生产过程中，氧枪***的控制是非常重要的环节，它直接影响着转炉炼钢生产的安全、高效及钢水质量。采用了本发明的技术方案以后，可降低由停电造成氧枪在最低点不能及时提起而使氧枪烧毁的事故，保障了设备及人身安全事故。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为DPS电源的原理框图；

图2为快速开关示意图；

图3为可控硅触发示意触发示意图；

图4为使DPS退出供电工作的原理示意图；

图5为柜体分布图；

图6为主回路图；

图7为氧枪电机冷却风机软启交流电源的对接原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供的是在上述第三种DPS(工业驱动不间断电源)基础上实现的快速应急供电装置，在第三种方案中DPS需要具备如下主要功能：

1、DPS电压幅值与变频器直流端口电压保持一致；

2、DPS单向隔离，即能量只能从此端口输入变频器，以免对其反向充电；

3、正常时关断，防止变频器交流输入电压较低时直流电源非正常放电；

4、快速导通，即在变频器交流输入失效时迅速为其逆变器部分提供输入能量。

本发明主要解决的是在正常情况下，要求DPS处于闭锁状态，既阻止DPS向变频器直流母线送电，也阻止变频器直流母线向DPS反送电的可能；在遇到变频器失电时，DPS要能快速导通，输出零切换，即上述第3、4条功能。

下面以本发明在钢厂转炉氧枪变频***中的应用作为实施例，对本发明进行具体描述。

钢厂转炉氧枪及转炉的4台倾翻电机是一个多传动变频***，转炉在工作时，氧枪需要对其进行吹氧，如前面所述由于电网的波动或市电断电等情况造成变频多传动***失电，转炉中吹氧的氧枪因断电无法提升而烧毁造成设备事故，为防止出现因电网问题引起设备或人身安全，增加DPS工业驱动用不间断电源作为保安电源，要求在断电时电源快速导通，提供足够的电能使氧枪从转炉最低点提升到最高点，保障设备安全。

本发明要解决的技术问题是提供一种方法，使DPS在变频***正常情况下能够处于闭锁，防止误通，在变频***失电情况下能够快速导通实现零切换。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案实现：

如图1所示的DPS电源的原理框图，图中直流输出直接接至变频***的直流母线上，电池组2为大容量蓄电池，蓄电池通过充电器先恒流充电，随着电压升高，逐渐保持浮充状态，这样形成了一个备用直流电源，一旦检测到无市电交流输入，则快速开关立即导通，蓄电池电源通过快速开关自动输送电能至变频器直流母线，维持变频器直流母线电压不再下降，使变频器保持正常的工作状态。当交流电网电源恢复正常后，快速开关闭锁，DPS退出工作，同时充电器给蓄电池补充充电。(注：图中交流软启动输出不在本发明讨论范围)

图中的快速开关采用大容量可控硅及二极管组成，二极管起到单向隔离作用，可控硅起到正常时闭锁，防止通电，失电时快速导通的作用。

快速开关的结构如图2所示。

可控硅从截止转变为导通必须具备以下两个条件：

1、可控硅阳极A至阴极K之间加上了正向电压；

2、可控硅门极G至阴极K之间加上适当的正向电压。

当可控硅满足了上述条件，由截止转变为导通的过程叫触发。

当无市电交流输入时，变频器直流母线电压下降，待母线电压下降到蓄电池电压以下，则触发的第一个条件满足，即可控硅阳极A电压大于阴极K电压。此时如何给门极G至阴极K之间施加适当的正向电压从而使可控硅由截止转为导通？即如何实现可控硅触发的第二个条件。

在这里采用PLC技术来解决，一方面是由于PLC具有丰富的指令和灵活的编程功能，另一方面是所使用的晶体管型PLC能够输出高速脉冲，对可控硅的快速导通起着关键作用。

首先将需要触发可控硅的条件全部接至PLC输入端，这里的条件主要包括：

1、DPS设备处于投入位置；

2、DPS主控板检测到蓄电池电压与充电器电压正常；

3、DPS检测到的市电电源状态，即是否失电(注：DPS的市电与变频器的市电取自同一路电源，当变频器失电则DPS也同时失电)；

4、DPS的放电时间；

5、钢厂的转炉氧枪所处位置等。

在PLC的逻辑中对这些条件进行判别，一旦条件具备则利用PLC的晶体管输出给可控硅门极G至阴极K间施加连续脉冲，触发可控硅快速导通，如图3所示。

PLC晶体管可输出达20KHz的脉冲，需要注意的是图3中PLC晶体管输出与可控硅之间有块末级电路板，它起着隔离两者的作用，防止PLC晶体管输出直接连接到可控硅门极因门极触发电流过大烧坏PLC输出点。

需要特别强调的是对PLC的使用，硬件选用方面PLC需具备脉冲输出功能，其次是脉冲指令的使用，本次实例中的脉冲指令是输出单段管线的一串脉冲(占空比50％)，程序中可以控制脉冲的周期和个数，脉冲个数范围为1到4,294,967,295个，周期的范围为50μS到65,535μS或者2ms到65,535ms，周期不能设为奇数，否则会引起占空比失真，在钢厂氧枪的实例中选用的脉冲周期为20ms，脉冲个数为50个，当然也可以使用脉宽可调制的指令，即可以输出一串占空比可调的脉冲，程序可以控制脉冲的周期和脉宽。执行脉冲输出指令前需对特殊寄存器进行配置，如前面所述的脉冲个数、周期、单段管线等定义，脉冲指令会从特殊存储器中读取数据，使程序按照其存储值控制脉冲输出点。

可控硅导通后，门极就失去了控制作用，那么如何使它关断截止呢？即可控硅如何截止使DPS退出应急供电。一种办法是短时断开可控硅通电回路或者在阳极、阴极间加上反向电压，二是降低可控硅阳极与阴极之间的电压，使可控硅的导通电流小于可控硅的维持电流，可控硅就会恢复截止状态。

实例中在三种情况下使DPS退出供电工作，如图4所示：

1、当DPS开始向变频***直流母线供电时，其时间继电器KT1线圈通电并开始计时，达到设定时间(出厂设定为18分钟)时，KT1延时触点断开，分断电子开关单元和接触器KM2，停止直流供电。

2、当DPS开始向变频***直流母线供电时，此时交流电网电源恢复正常，KA1线圈得电，KA1接点闭合，断开电子开关单元(包括KM1)。

3、当DPS检测到其直流输出端电压过低或电池组电压低于额定标称电压的85％以下时，则通过主控板上的CN6端口分断电子开关单元和接触器KM1，停止直流供电。

第一、二种情况即为断开可控硅通电回路或者是阳极电压小于阴极电压实现可控硅的截止，第三情况是DPS检测其内部直流电压是否满足供电需求，如果电压过低或电池组有问题造成直流母线电压小于额定标称值85％，则不会对可控硅门极进行脉冲触发，所以也就无法对可控硅进行导通，此种情况是DPS对自身设备的一种保护。

硬件选型中对可控硅的选用需要考虑变频器的功率及可控硅本身的耐压，一般交流400V变频器直流母线电压为540V左右，实例中选用的可控硅的额定电压VDRM＝2800V，平均电流IT(AV)M＝793A，完全能满足现场氧枪变频的需要。其他设备的选用和设计主要考虑设备的响应时间，例如晶体管PLC的输出时间仅为2-15μS，而继电器输出转换时间为10ms。响应时间越快则可控硅导通时间也就越快。

下面通过本发明的一个优选的具体方式，对本发明进行更为详细的描述。

1、***供电现状

某钢厂转炉设备现有的供电***是双回路电源供电，但厂外供电线路只有一条。这种供电方式可以保证厂内某一线路出现故障时自动切换到另一路电源工作，但却无法解决厂外线路停电带来的问题，如果厂外线路出现停电，转炉生产安全将受到严重威胁。

转炉***在生产过程中，如果出现主供电回路故障或停电，则倾动电机、氧枪提升电机、烟罩等不能运转，不能够将上述设备移动到安全位置、恢复到安全状态，会存在很大的安全生产隐患。因此，增加主回路供电备用电源是非常必要的。

2、转炉***主要设备参数、柜体布置情况

转炉倾动***倾动电机数量：4台

电机型号：YZP315L-8

电机额定电流：265A

电机额定功率：132KW

电机极数：8极

驱动方式：变频驱动

抱闸方式：液压抱闸

氧枪提升***氧枪提升电机数量：2台

电机型号：YZP315S-4

电机额定电流：235A

电机额定功率：132KW

电机极数：4极

驱动方式：变频驱动

抱闸方式：液压抱闸

烟罩提升***烟罩提升***采用液压驱动，设置有专门的烟罩提升控制液压站。液压站的液压油泵采用三相交流380V电源供电，液压站及液压阀门控制所需的控制回路辅助电源容量为AC220V/10A。

主油泵电机数量：3台，2用1备。

电机额定功率：37KW

驱动方式：直接启动。

辅助电源：AC220V/10A

柜体布置情况如图5所示。

3、后备电源装置容量计算

3.1、转炉氧枪提升***

转炉氧枪提升***有驱动电机2台，为一用一备工作方式。氧枪的正常提升一般速度为41.9m/min，事故提升速度通常为10.5m/min，约为正常提升速度的25％。

根据工程要求，即主要设备必须具备的功能：转炉在冶炼情况下，发生突然断电时，能够满足：①将氧枪以正常速度(最高50HZ)从最低点提升至换枪点，②持续放电时间应大于15分钟以上。满足此功能所需的事故驱动功率为：1*132KW＝132KW，折算到变频器直流母线：电压530VDC/电流250ADC。

3.2、交流控制输出电源

用于***控制回路的供电电源，按AC220V/5A来考虑，折算到三相380V三相平衡电源，所需电源容量为：3.3KVA。

3.3、电机冷却风机控制***

氧枪电机的冷却风机在事故停电时不再正常工作，会造成电机散热不良，引起电机温度升高。其功率为0.75KW，按1.5KVA来折合考虑。由工业不停电电源装置的逆变器式软启交流输出电源来供电。

3.4、所需后备电源中的交流电源总容量

上述交流用电设备所需的后备电源总容量为：3.3KVA+1.5KVA＝4.8KVA。

4、后备电源装置的选型

综上所述，所需的后备电源容量要求为：

直流电源：电压530VDC/电流250ADC，给变频器直流母线供电；

交流电源：4.8KVA/380V，给所需交流***供电。

为了安全起见，考虑一定的余量，选用设备如下：

工业不停电电源装置：2套，每座转炉各一套。

型号：CMK-P610-08/300/18

即：交流三相380V输出8KVA

直流输出DC530V/300A

维持时间18分钟

5、与原***的对接和工作状态说明

CMK-P610工业不停电电源装置在输入侧配有主回路进线断路器，为了不影响生产和施工方便，该进线电源接在另一路AC380V电源上，其供电容量为5KVA左右。CMK-P610的每路输出均配有隔离开关，其目的是为了方便地与原***隔离和调试方便，当CMK-P610工业不停电电源装置安装配线后，通过这些隔离开关可以方便地把本装置与原***隔离，确保装置在调试过程中可以随时与原***脱离，对生产不构成影响。在生产允许的情况下亦可方便地投入CMK-P610工业不停电电源装置来进行调试。

5.1、直流回路的对接

CMK-P610工业不停电电源装置在直流输出侧配有隔离开关，该隔离开关的输出侧应接至原***的整流双投开关柜中的双投开关与原***整流回馈柜相连的一侧，并要保证极性的正确性。

当电网电源正常时，由检测单元检测提供电网电源正常信号，控制***控制DC/DC变换单元空载运行，电池单元的输出电压被变换为匹配的直流电压送至电子开关单元的输入侧等待输出，电子开关单元处于关闭状态，无直流输出。同时回路闭锁单元的单向性使得直流母线的电压亦无法进入电源直流回路。

当电网电源异常时，由检测单元检测提供电网电源异常信号，控制***控制DC/DC变换单元投入负载运行，电池单元的输出电压被变换为匹配的直流电压送至电子开关单元，电子开关单元和回路闭锁单元处于可输出状态，***输出直流电压，给直流母线供电。

该回路一旦正常投入，在电源正常、异常时都处于自动运行状态，不需要人工手动操作，***原来的操作模式不受任何影响。参见图6所示的主回路图。

5.2、氧枪电机冷却风机软启交流电源的对接

该电源的对接其原理如图7所示。

CMK-P610工业不停电电源装置来完成氧枪电机冷却风机的切换控制和闭锁功能，只需要从原***提供主电源信号即可。***严格按照电网状态当原供电***故障时来控制使CMK-P610交流软启输出电源驱动1#氧枪电机冷却风机运行或2#氧枪电机冷却风机运行。当电网电源正常时则由原控制***控制来使氧枪电机的冷却电机按原模式运行。

它们之间的切换属自动进行，不需要人工手动操作，***原来的操作模式不受任何影响。

采用机械互锁交流接触器进行闭锁，保证了***的安全可靠性。

其中的控制电源由CMK-P610自身“交流控制输出电源”来提供。

6、快速电子开关实现技术

6.1、选用合适的可控硅作为CMK-P610电子开关的主要部件，其阳极A和阴极K串接至蓄电池到变频传动***的直流母线上，本实例中是对400VAC以下低压变频器进行的设计，所以选用ABB晶闸管5STP08D2801并配散热器，其额定电压VDRM＝2800V，平均电流IT(AV)M＝793A，满足***参数要求；

6.2、选择具有脉冲输出功能的PLC，用于对可控硅门极进行触发，本方案中的PLC选用的是西门子S7-200系列的6ES7216-2AD23-0XB0；

6.3、设计触发电路，选择一块末级板用于隔离PLC与可控硅，将PLC脉冲输出点Q0.0接至隔离末级板的+24V端，输出负端接至隔离末级板的g1端，通过隔离末级板接至可控硅门极G和阴极K；

6.4、将CMK-P610工作位、CMK-P610主控板工作正常信号、市电电源状态信号、CMK-P610放电时间信号、钢厂转炉氧枪工作位等信号接入PLC输入点；

6.5、对Q0.0激活PTO功能，设置特殊寄存器SM67、SM68和SM72，其中脉冲周期为20ms,脉冲个数为50个，脉冲输出指令PLS从特殊存储器中读取数据，使程序按照其存储值控制脉冲输出点；

6.6、PLC逻辑中对触发条件进行判别，一旦条件具备则利用PLC的晶体管输出给可控硅门极G至阴极K间施加连续脉冲，触发可控硅快速导通；

6.7、可控硅导通后，门极就失去了控制作用，如电网恢复供电则通过断开可控硅通电回路或者是阳极电压小于阴极电压实现可控硅的截止。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种利用可控硅技术实现的应急供电装置，包括市电输入端、交流软启动输出端、直流输出端，其特征在于，还包括：

依次连接在市电输入端与交流软启动输出端之间的整流器、逆变器、变压器；

依次连接在市电输入端与直流输出端之间的充电器、直流变换器、快速开关；

分别连接至整流器、充电器、逆变器、直流变换器的电池组；

连接在市电输入端与快速开关之间的交流检测器；

其中：

电池组为蓄电池，蓄电池通过充电器先恒流充电，随着电压升高，逐渐保持浮充状态，这样形成了一个备用直流电源，一旦检测到无市电交流输入，则快速开关立即导通，蓄电池电源通过快速开关自动输送电能至直流输出端，直流输出端电压不再下降；当市电交流输入恢复正常后，快速开关闭锁，同时充电器给蓄电池补充充电。

2.根据权利要求1所述的利用可控硅技术实现的应急供电装置，其特征在于，所述快速开关包括：可控硅整流器、二极管、PLC晶体管；

所述快速开关的输入端的正极与快速开关的输出端正极之间依次连接有可控硅整流器、二极管；可控硅整流元件的门极G连接PLC；

二极管起到单向隔离作用，可控硅起到正常时闭锁，防止通电，失电时快速导通的作用，PLC用于给门极G至可控硅整流元件阴极K之间施加适当的正向电压从而使可控硅整流元件由截止转为导通。

3.根据权利要求2所述的利用可控硅技术实现的应急供电装置，其特征在于，PLC晶体管输出给门极G至可控硅整流元件阴极K之间施加适当的正向电压从而使可控硅整流元件由截止转为导通，具体为：

首先将需要触发可控硅整流元件的条件全部接至PLC输入端，这里的条件主要包括：

(1)所述应急供电装置设备处于投入位置；

(2)所述应急供电装置主控板检测到蓄电池电压与充电器电压正常；

(3)所述应急供电装置检测到的市电电源状态，即是否失电；

(4)所述应急供电装置的放电时间；

在PLC的逻辑中对这些条件进行判别，一旦条件具备则利用PLC的晶体管输出给可控硅整流元件门极G至阴极K间施加连续脉冲，触发可控硅整流元件快速导通。

4.根据权利要求3所述的利用可控硅技术实现的应急供电装置，其特征在于，PLC的晶体管输出达20KHz的脉冲指令，PLC的晶体管输出端与可控硅整流元件之间设置有末级电路板，末级电路板起着隔离PLC与可控硅整流元件的作用，防止PLC晶体管输出直接连接到可控硅整流元件门极而导致门极触发电流过大烧坏PLC输出点。

5.根据权利要求4所述的利用可控硅技术实现的应急供电装置，其特征在于，通过如下任一种方式使可控硅整流元件截止：

-断开可控硅整流元件通电回路；

-使可控硅整流元件的阳极电压小于阴极电压；

-所述应急供电装置检测其内部直流电压是否满足供电需求，如果电压过低或电池组有问题造成直流输出端电压小于额定标称值85％，则不对可控硅整流元件的门极进行脉冲触发。