水处理投矾系统的后备电源方案

摘要：水处理中投矾系统是水处理中的一个重要环节，一旦投矾系统失电时，会严重影响出厂水的水厂。文章介绍了水厂的投矾系统在电源失电时使用电池组对变频器的直流母线进行后备电源供电和使用UPS对控制回路进行后备电源供电。

关键词：变频器；直流母线；后备电源；投矾系统；水处理 文献标识码：A

中图分类号：TV53 文章编号：1009-2374（2017）03-0133-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.059

1 概述

投矾系统是水处理过程中的重要一环，一旦投矾系统失电时，会严重影响出厂水的水厂，因此需要设计投矾系统的后备电源方案。投矾系统的工作原理是使用PLC控制变频器改变投加泵频率进行投加控制，需要考虑的后备电源有控制回路的电源和主回路的电源，控制回路的电源是220V交流电源，在后备电源方案中可以使用UPS进行供电，而且UPS是成熟设备，市面上能直接购置，但另一方面，主回路电源供电是380V交流供电，并且电源是供给变频器进行控制，市面上没有现成设备，如果使用电池逆变器成本太高，所以经过考虑可以直接使用变频器的直流母线进行失电时的电池组供电，并配上充电机对电池组进行供电。

2 变频器的基本构成

目前常用的变频器都是交-直-交变频器，就是变频器先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电通过逆变环节变换成频率、电压均可控制的交流电，它又称为间接式变频器。一般变频器的控制可以分为主电路和控制电路。

变频器的主电路包括整流器、直流环节和逆变器。整流器的作用是把三相交流电转换成直流电，直流环节对负载（电动机）工作产生的能量，起到缓冲的作用，逆变器则在触发电路的控制下，有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，以得到任意频率的三相交流电，输出到负载。

变频器的控制电路由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。

3 变频器不间断电源的设计

目前常用的变频器都是交-直-交类型的电压源型变频器，其直流环节的电压为500～620V，是三相交流电压经过三相不受控整流后得到的。变频器后备电源的设计思路是：如果在停电后能为变频器的中间环节提供另一路440～500V的直流电源，其IGBT逆变器就能不间断地输出三相正弦交流电压，而且输出电压为0～380V、频率为O～50Hz连续可调，实现对负载的不间断控制。另一方利用直流电压的高低特性给变频器做一路冗余供电，还有需要用元件把电池组的直流电和变频器整流后的直流电相隔离，就可以做到变频器失电时对变频器进行不间断供电，当然在有市电时还要对电池组进行

充电。

后备电源的主要单元有交-直-交变频器、蓄电池组、AC/DC可调电流电压型直流充电机、輸出隔离单向二极管。

串联电池的个数取决于变频器直流母线上电压的正常值和最小允许值。在有市电的情况下使用三相进行供电，电池组系统处于浮充电状态，因此电池组电压必须低于变频器直流母线电压。

N=U/Uf

公式中：N为蓄电池组最多串联只数，U为变频器直流母线上的正常电压，Uf为单体电池的浮充电电压。

电池选用12V的蓄电池，电池的浮充电压Uf=13.5V。系统使用罗克韦尔PowerFlex40系列的变频器。在市电电压为390V时，变频器的直流母线电压为520V，在变频器的参数设置里面可以看到变频器母线电压低的报警值为390V，即变频器能正常工作的电压为400～520V，就是说只要直流母线的电压在这个范围内，变频器都能正常工作。变频器把电池组作为后备电源，正常时只用市电供电，利用直流电压的高低特性，为了减少蓄电池组的充放电次数，延长蓄电池使用寿命，其浮充电压不能高于变频器的正常工作电压520V。

则N=520/13.5V=38.5，取N=38只。

但一旦电压有波动，三相电源低于380V，则会使电池组电压高于变频器直流母线电压，会切换到电池组供电。因此取37只电池，即Uf=37*13.5V=499.5V，电压低于变频器正常工作电压。

电池组容量Q取决于负载额定电源电流I及市电停电后负载由蓄电池供电延迟的时间T以及电池组放电后的终止电压Uz。一般来说，电池的终止电压为10.5V，投矾系统有4台2.2kW的变频器（两运两备），负载约为4.5kW，后备时间按设计需要5小时，则需要电池组容量必须大于11kW。

单位电池容量为n，n=11kW*1000/12V/37，n=24.7A·h，可根据电池生产厂家提供的电池型号，选型结果为选38A·h电池37只。

AC/DC可调电流电压型直流充电机的工作原理是采用IGBT电力电子器件组成Buck（降压）隔离型直流变换器，耐压为l200V，电流则根据电池容量按0.1C（10）充电，可输出电流5～10A，输出电压274～600V可调，可对400A·h以下的电池组进行浮充充电。在正常状态下，充电机对电池组的充电电压为495V。

使每个电池的浮充电压在13.3V左右。

为了把电池组与变频器直流母线进行电压隔离，采用大功率整流器件二极管组成直流隔离开关，当市电正常时，变频器整流出来的直流电压高于电池组的输出电压，使隔离单向二极管处于关断状态，防止变频器向蓄电池组反向供电。当市电停电时，电池组电压高于变频器的整流电压，使二级管瞬时导通，电池组瞬间放电，这样可以做到负载由市电供电和电池组供电的瞬时转换，而不损坏电池组和直流充电机，这元件是在线式不间断电源的关键环节。

4 不间断电源在投矾系统

投矾控制系统电源分为PLC控制电源和变频器的三相电源，PLC控制电源可以使用UPS供电。使用市电供电时，UPS处于整流-逆变状态供电，电源来源于市电，当发生失电时，UPS自动切换到电池-逆变状态供电，电源来源于电池，当市电恢复时，UPS自动切换回整流-逆变状态供电。UPS的内部切换部件是静态开关，切换时间都只有几毫秒，可以达到PC级别的电源切换时间。

变频器则使用两路供电：一路为正常的三相供电；另一路为电池组的直流母线供电。当市电正常供电380V时，变频器整流后处理直流母线电压520V左右，蓄电池组处于浮充状态495V，变频器直流母线电压高于蓄电池组的电压，输出隔离单向二极管处于截止状态，此时变频器的工作电源由市电提供。当市电出现跳闸断电故障时，变频器母线电压出现下降，当电压下降到495V以下时，变频器直流母线电压低于蓄电池组的电压，输出隔离单向二极管变为导通状态，变频器的工作电源将由蓄电池组提供。当市电恢复正常，变频器直流母线电压上升到正常值，输出隔离单向二极管恢复截止状态，变频器工作电源恢复为市电提供，蓄电池组恢复浮充状态，以此实现变频器不间断运行，从而不影响投矾系统的变频器运行。

另外，电池组方面还加了电池巡检仪，并且信号通过modbus通讯传了给PLC，中控值班室可以在上位机上看到电池的状况，使失电时值班人员可以从容应对投矾系统的电源失电状态。

5 结语

对于水厂内的大部分控制系统都是控制回路220V电源和主回路使用变频器控制的，通过投矾系统的实践，可以把这种电源的供电方式推广到厂内的其他投加系统。并且对于停电时需要紧急运行的机械设备（例如阀门、水泵）都可以增加变频器和电池组作为它们在停电时的紧急电源，这种电源后备供电模式具有很高的性能价格比。

参考文献

[1] 熊冠楚.基于直流支撑的起重机用变频器后备电源方

案[J].变频器世界，2010，（1）.

[2] 熊冠楚.变频器直流后备电源方案[J].有色冶金世界

与研究，2009，30（5）.

作者简介：唐思炜（1984-），男，广东广州人，广州市自来水公司西洲水厂工程师，工程硕士，研究方向：控制工程应用及其自动化。

（责任编辑：小 燕）