低电压大电流混合型直流电源装置研究及应用

孙海奇

（天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水741000）

低电压大电流混合型直流电源装置研究及应用

孙海奇

（天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水741000）

介绍了直流电源系统对大型发电厂发电机组润滑系统的重要性，论证了通过降低电源电压启动直流电机比采用电枢串电阻启动方法所具有的优越性。从蓄电池直流电源和晶闸管整流电源两方面入手，提出了混合型直流电源。设计并证明了该混合型直流电源的可行性。实现了直流电机的低电压启动和两种电源的自动软切换。同时，实现了铅酸电池直接启动直流电机，降低了投入成本和运行维护成本，大大提高了负载运行的可靠性。

直流润滑油泵；低电压；蓄电池直流电源；整流电源；混合型直流电源；智能控制

1 概述

发电机组润滑油系统一般由滑油箱、滑油泵（供油泵、回油泵）、滑油滤、滑油冷却器等部件构成。直流润滑油泵在启机、故障停机、交流泵故障时，应保证发电机组润滑油系统正常工作。若直流润滑油泵的电源不可靠，会导致发电不正常甚至损坏发电机组，所以直流电源系统非常重要。本文主要介绍直流电机的低电压启动、混合型低电压直流电源的构成、阀控密封式铅酸蓄电池启动电机的新应用、系统的智能控制及设备在伊拉克鲁迈拉油田的应用。

2直流电机低电压启动

直流电机同交流电机一样在启动时要符合两个基本条件，即启动要有足够的转矩和启动电流不能超过安全范围。直流电机在启动瞬间，转子还未转动，感应电动势尚未建立，既Ea＝CeΦn＝0，此时启动电流I＝U／R，如在额定电压下直接启动，因直流电机的电枢电阻很小（约为0.1Ω-0.2Ω），故启动电流就非常大，一般高达额定电流的10-20倍，这比交流电机直接启动的电流倍数高出好多倍，大电流会造成直流电动机的换相器产生环火而烧坏，同时，过大的电枢电流必然产生巨大的启动转矩，这会使电动机及其拖动的机械设备遭受突然巨大的冲击而损坏，而且还可能使直流进线电源的开关跳闸。直流润滑油泵若不能启动，发电机组就很有可能被损坏，因此，启动电流的倍数必须加以限制。限制启动电流的方法通常有两种，即电枢串电阻法和降低电源电压法。电枢串电阻法转矩与转速的特性图如图1所示。

图1电枢串电阻法转矩与转速的特性图

由上式可见，当转速是空载转速的1／2时，功率的一半消耗在电枢总电阻上，所以这种降低电枢端电压的方法是很不经济的。而用降低电源电压的方法来限制启动电流，可提高电机的运行效率。

3混合型低电压直流电源系统构成及工作原理

3.1系统构成

直流电源系统由两部分构成，即基于铅酸电池的储备型直流电源和基于晶闸管的可控型整流电源，其主电路拓扑结构如图2所示。

图2混合型低电压直流电源主电路结构图

3.2基于铅酸电池的储备型直流电源工作原理

两路交流双电源自动投切装置给各个充电模块供电；充电模块前端加装AC380V／AC110V三相降压变压器，将输入的三相交流电转换为DC24V直流输出；给蓄电池充电，同时给直流母线负载供电，另外，母线通过降压装置给控制母线供电。

系统中的各监控单元受主监控装置的管理和控制，通过通讯线将各监控单元采集的信息送给主监控装置统一管理。主监控显示直流系统各种信息，用户也可触摸显示屏查询信息，系统信息还可以接入到远程监控系统中。

系统参数配置如下:交流输入AC380V，20A；充电模块双机热备，50A模块两只；铅酸蓄电池容量400AH，单体电压2V，12节；系统电压DC24V，负载直流电动机3.7kW，额定工作电流160A，工作持续时间不低于30min。电池放电特性如图3所示。

图3 25℃时铅酸电池放电特性图

由图3可知，放电容量同放电电流成反比关系，放电电流越大容量越小，放电电流越小容量越大。额定容量是电池在25℃、单体10小时放电至1.8V的放电容量。图3显示了电池在25℃时、不同大小电流放电至终止电压时的恒流放电特性。

当电池放电终止电压设置为1.7V时，400AH的铅酸电池以791A的恒流放电，放电时间不到10分钟。铅酸电池直接启动直流电机是不能满足要求的，会由于启动放电倍数不够而导致启动失败或者运行时间太短而不能满足工艺要求，电池也极易损坏。为了解决这个问题，可在电池两端并接5kW的超级电容，这样既能保证电机正常启动，又能保护电池，使设备使用寿命延长，降低投入成本和维护成本。

3.3基于晶闸管可控型整流电源的工作原理

该整流电源采用三相半波可控整流电路，通过控制脉冲触发相位角来控制输出的电压值。三相半波整流电路图如图4所示。

图4三相半波可控整流电路图

图中TR为整流变压器，参数为380V／42V，直流输出电压Ud＝1.17U2Φcosa，直流平均输出电流Id＝1.17 U2Φcosa／Rd。U2Φ为整流变压器二次侧输出相电压，当输出电压为Ud＝DC24V、U2Φ＝42V时，cosa≈0.5、a≈60°。当a＝90°时，输出电压Ud＝0V。当a角在60°-70°范围内调节时，就能输出一个满足负载需要的电压值。蓄电池直流电源平时处于电池浮充状态，此时单体电池电压为2.35V，总电压U1＝12＊2.35V＝28.2V，直流母线二极管的管压降为0.7V，所以蓄电池组最高负载输出电压为27.5V。由此来看，整流型直流电源输出电压必需大于28.2V才可能是常用电源。当交流电源停电或者整流电源出现故障时，蓄电池组才自动投入使用。

3.4混合型直流电源通讯管理系统

主机采用中英文显示，按键式操作。系统极易实现故障查询、告警管理、电池管理、开关量检测、控母电压智能调节以及上位机通讯等功能。各种报警信息文字显示，故障定位直观清晰，对历史故障有存储功能且断电后不丢失。故障发生时自动弹出故障界面，当屏幕点亮时，机箱内置蜂鸣器发生告警声音，告警门限可设置。通过预先设置电池充电运行参数，自动对电池充放电进行管理，配置电池巡检模块检测单体电池电压，通过预先设置的DC24V输出参数，监控主机对降压硅链进行实时调节。触摸监控主机可设置整流电源任意输出电压值和最大输出电流限制。与上位机的通讯接口可选择RS232或RS485，通讯规约为Modbus，波特率可设置，设备通讯地址从01-99可选择设置。另外，每半个小时记录运行参数，可记录48条运行记录，且断电数据不丢失，通讯系统框图如图5所示。

图5电源通讯管理系统

3.5电源对照分析表

混合型直流电源同各类直流电源对照分析见表1。

表1电源对照分析表

4结束语

本系统自2014年5月投入使用以来，运行平稳正常、安全可靠、操作简便、维护方便，达到了预期的运行指标。该直流电源系统的电池室、电控室分离，其各自独立的空调系统为蓄电池提供了铅酸阀控式免维护的理想工作温度，使铅酸电池首次在伊拉克高温环境中使用获得了成功。氢气自动排放或手动排放技术排除了设备发生氢气爆炸的危险，混合型直流系统采用储备电源同整流电源热备技术实现了负载在任何情况下均不掉电，设备的安全性、可靠性大大提高。交流系统使用MCC抽出式开关柜，提高了互换性，并大大缩短了排除故障的时间。

本系统设计先进、制造精良，经过运行检验，各项性能指标均满足现场运行的要求和燃气涡轮发电机组的发电工艺要求，为我国更好地开发伊拉克及周边国家的石油市场做出了贡献。

［1］半导体变流技术［M］.北京:机械工业出版社.

［2］电机及拖动基础（上）［M］.北京:机械工业出版社.

［3］电机及拖动基础（下）［M］.北京:机械工业出版社.

［4］智能型直流电源技术手册［Z］.深圳艾默生.

［5］高频开关电源模块技术手册［Z］.通合电子.

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

孙海奇（1973-），男，工程师，就职于天水电气传动研究所有限责任公司，主要从事传动系统及自动化控制装置的设计研究工作。

2016-05-15

1005—7277（2016）04—0022—03