1 工艺要求
在冶金石化企业中，大型离心式空气压缩机都有润滑油泵供压缩机开机和停机时使用。开压缩机前，先启动油泵电机为主机提供润滑油，当主机启动后即由主机机械油泵自己提供润滑油，满足油压后自动停该油泵电机。当交流电源正常时如果主机人工停机、保护停机，油压力低保护动作时，要自动启动该油泵电机，以保证空压机停机过程中有足够压力的润滑油。当交流电源断电引起空压机停机时，油压力低保护动作，要自动启动另一台应急电源为油泵电机供电，提供主机系统润滑油，保证空压机组在交流停电时间内有可靠的润滑油安全停机;当交流电源短时断电又恢复的情况引起空压机转速降低，引起油压力低保护动作时，也要自动启动该应急电源为油泵电机供电，要在几秒内启动到全速，以满足系统油润滑压力的要求，保证压缩机组能够正常连续运行。
综上所述生产工艺要求应急电源的工作状态有以下4种情况:
(1) 在交流电源正常情况下，每次空压机组启动前要先用应急电源启动润滑油泵电机，为空压机组油膜轴承提供润滑油，当油压达到足够压力时再启动空压机组;当空压机组转速达到额定转速时机械油泵为空压机组油膜轴承提供足够压力的润滑油，空压机组处于正常运行状态，应急电源发出停油泵电机指令。
(2) 在交流电源正常，空压机组运行情况下，机械油泵出现故障，系统发出油压力低信号，自动启动应急电源为事故油泵供电，此时油泵电机应连续运行为空压机组油膜轴承提供足够压力的润滑油。
(3) 在空压机组正常运行情况下，如果交流电源突然断电，此时应急电源要瞬间投入运行为事故油泵供电确保油压正常，以便空压机组安全停机。
(4) 在空压机组正常运行情况下，如果交流电源突然瞬间断电又恢复供电，此时应急电源要瞬间投入运行为事故油泵供电确保交流电源断电期间油压不产生波动，以便空压机组安全连续运行。
2 应急电源的配置、原理设计和参数计算
某厂一台大型空气压缩机组的润滑油泵电机功率为7.5kw，工艺要求在交流事故停电时需要一台应急电源为事故油泵电机供电,维持时间30min。
2.1 原理设计
根据上述工艺要求，交流电源正常时和交流电源停电时都由应急电源为事故油泵电机供电，所以应急电源设计成在线式，以保证实现交流和直流供电的零秒切换。
应急电源的工作原理是:在交流电源正常时应急电源的变频器由三相交流供电，输出三相电压和频率都可变的电源为油泵电机供电，实现电机的变频启动(如需要还可以实现油压恒定的变频调速控制)。同时应急电源的充电模块对电池组进行浮充电，电池组通过静态开关接到变频器的直流输入端。在交流电源正常时，如果出现油压力低信号，应急电源的变频器就会通过交流自动启动为油泵电机供电，只有当交流电源停电时，应急电源的电池组才会通过变频器自动启动，为油泵电机供电。而且变频器由交流电源供电时出现交流瞬间断电，应急电源会自动零秒切换到电池组供电。
应急电源配置和原理框图见图1。
图1 应急电源配置和原理框图
2.2 电源配置
电源的主要配置为:
●7.5kw变频器1台(容量同电机)
●静态开关模块1台(输出容量按负载电流计算)
●充电模块2台(输出电流按电池容量的10%计算)
●免维护铅酸蓄电池1组(电池容量按负载电流和后备时间计算)
●计算机监控系统1套
2.3 参数计算
(1) 变频器技术参数
变频器为西门子矢量型变频器，其技术参数为:
交流输入电压:3ac380 v~460v(±15%)
直流输入电压:dc510v~650v(±15%)
输出电压:3ac0~输入电压
输入频率:50hz(±6%)
输出频率:0~50hz
直流输入电流:20.8a
输出电流:17.5a
过载电流:23.9a
过载时间:60s
(2) 充电模块技术参数
充电模块为我公司专利产品高压大容量高频开关充电模块，其技术参数为:
交流输入电压:3ac380 v~460v(±15%)
直流输出电压:dc462v~606v(±0.5%)
直流输出电流:0~20a
纹波系数:≤0.5%
稳流精度:≤±0.5%
浮充电压过压值:592v
浮充电压欠压值:454v
电池组充电电流:根据电池容量设定(0.1c~0.25c)
电池组过充保护值:根据电池容量设定
(3) 静态开关模块技术参数
静态开关模块为直流可控硅无触点开关，技术参数为:
额定电压:1200v
额定电流:根据电机实际负载电流或变频器输入电流以及可控硅过载能力确定，此电源中为50a。
导通时间:≤5ms
关断时间:零秒自然关断
(4) 电池组技术参数
a) 电池容量计算
电池组是当交流事故停电时，作为变频器的直流输入电源为负载提供能量，电池组的容量由变频器器输出的最大负载电流和持续时间决定。
由西门子变频器技术参数可知:额定交流输出电流为17.5a时，直流输入电流为20.8a，那麽油泵电机工作在额定电流15a时，直流输入电流为15a×20.8a/17.5a＝17.8a。
因此电池组需要提供的最大持续电流为17.8a，而持续时间为30分钟。根据这两个数据就可以计算电池组的容量。
按恒流放电计算电池组容量，已知条件为:
单只电池额定电压:12v
单只电池放电后的截止电压:10.8v
恒流放电电流:17.8a
放电持续时间:30分钟
由附表可以查出20安时电池以18.4a恒流放电至终止电压10.8v可以维持30分钟，故选取20安时电池可以满足要求。
附表 电池放电容量表
5分钟 10分钟 20分钟 30分钟 60分钟
20安时 38a 29a 21.7a 18.4a 12.3a
b) 电池串联只数计算
串联只数n取决于变频器直流输入电压的最大和最小允许值。
不间断电源在正常运行时，系统处于浮充电状态，单只电池电压为12v的电池只数应为:
n=ue/uf
式中:n蓄电池组串联只数
ue变频器中间直流回路额定电压
uf单只电池的浮充电电压，uf=2.25×6=13.5v。
西门子变频器的直流输入电压范围为:ue=510～650v±15%,
即ue(min)=510v×０.85=433.5v,
ue(max)=650×1.15=747.5v,
ue(min)和ue(max)是变频器直流输入时能正常工作的电压上限和下限值，取平均值:ue=(433.5v+747.5v)/2=590.5v。
则n=ue/uf=590.5v/13.5v=43.74只。取n=42只。
浮充电时,电池组端电压ud=42×13.5v=567v。电压在设备允许范围内。
(5) 计算机监控系统功能
计算机监控系统采用西门子s7-200系列可编程控制器，人机接口汉显触摸屏采用hitech pws-700t系列产品。监控系统主要功能为:
a) 系统操作:根据交流电源正常或断电、油压力过低或正常信号自动或手动起停充电模块和变频器，并可以在触摸屏上手动操作油泵电机起停及升降速。
b) 参数显示:在触摸屏上显示充电电压、电流、电机电流、电机频率值。
c) 故障存储:可存储交流电源断电、充电电压过高、过低、充电过流、变频器故障等信息。
通讯功能:可以通过标准通讯接口和上位机通讯，实现远距离监控、无人值守。
3 应急电源的设备组成和原理框图
图2 应急电源原理框图
应急电源的原理框图见图2。
应急电源的设备组成:
qf:交流输入断路器;1km:充电模块输入接触器; 2km:变频器交流输入接触器;cm1、cm2:充电模块;nb:变频器;jkm:静态开关模块;dcz:免维护铅酸蓄电池组。
4 可变频应急电源的工作状态
4.1 交流电源正常时的运行
当交流电源正常供电时，充电模块对电池组进行浮充电，同时nb变频器由交流电源供电，处于热备待启动状态，空压机组启动前润滑油泵电机由nb变频器供电，启动电机为空压机组油膜轴承提供润滑油，当油压达到足够压力时停油泵再启动空压机组;当空压机组转速达到额定转速时机械油泵为空压机组油膜轴承提供足够压力的润滑油，空压机组处于正常运行状态，应急电源发出停油泵电机指令。交流电源正常时系统的运行状态见图3。
图3 交流电源正常时的运行
4.2 交流电源断电时的运行
当交流电源停电或瞬时断电时，1km、2km接触器断开，充电模块停止工作;nb变频器输入电源由jkm静态开关模块切换到电池组供电，同时监控系统自动启动nb变频器，油泵电机由nb供电。此时nb的运行是靠电池组放电来维持的，电池组对变频器提供一个稳定的直流电压，因时不会因交流电源断电而影响负载工作，交流电源断电时的运行状态见图4。
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