1  工艺要求
    炼钢转炉氧枪电机目前多采用交流电动机，交流电源正常时由变频器供电，实现氧枪的下降、吹氧、提升的调速运行;交流电源事故停电时必须由另一套应急电源供电，紧急提升氧枪，防止发生设备事故。
根据某钢厂炼钢转炉的工艺要求，在交流事故停电时应急电源需要供电的负载为:
    (1) 氧枪电机1台，电压380V，容量55kW;
    (2) 氧枪抱闸电机1台，电压380V，容量0.33kW;
    (3) 转炉抱闸电机4台，电压380V，
    容量0.45kW×4＝1.8kW;
    (4) 事故控制电源，电压380V，容量2.4kW;
    (5) 要求应急电源的备用时间为1小时。
应急电源的工作情况有以下2种情况:
    当转炉正在炼钢吹氧时，交流电源突然停电，应急电源中的可变频逆变器应首先输出给氧枪电机使其处于堵转状态，同时应急电源中的工频逆变器输出事故控制电源，给氧枪抱闸电机供电，松开氧枪抱闸，然后紧急提升氧枪到最高位。因为炼钢时，转炉已经在零位，应急电源不需给转炉抱闸电机供电。
    如转炉正在出钢时，交流电源突然停电，应急电源中的可变频逆变器应输出给转炉抱闸电机，松开转炉抱闸，转炉靠自重倾转回到零位。因为出钢时，氧枪已经在最高位，应急电源不需给氧枪电机供电。

2  应急电源的配置
根据上述工艺要求，应急电源的配置应为:
    (1) 75kW可变频逆变器1台(考虑氧枪最大负载情况，过载能力150%，60s)
    (2) 3kVA工频正弦波逆变器1台(按氧枪抱闸电机全压启动及交流接触器线圈最大吸合功率考虑)
    (3) 充电模块2台(输出电流按电池容量的10%计算)
    (4) 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)

3  应急电源的原理设计和参数计算
3.1 原理设计
    因为在交流电源正常时，氧枪电机由一台变频器供电，控制电源、氧枪抱闸电机、转炉抱闸电机都是由交流电源供电，只有交流电源停电时，氧枪电机、控制电源、氧枪抱闸电机、转炉抱闸电机才由应急电源供电，所以应急电源设计成离线式。
    氧枪电机变频器和应急电源的可变频逆变器分别通过两台输出交流接触器给氧枪电机供电，两台接触器由操作连锁系统控制，接触器线圈分别由交流电源和应急电源中的工频正弦波逆变器供电，交流电源正常时，氧枪电机由原控制系统控制工作，交流电源事故停电时在机旁箱操作事故氧枪提升按钮和事故松转炉抱闸按钮。氧枪提升到上极限自动停止，转炉倾转到零位停止。应急电源系统主回路及控制回路见图1。

图1     应急电源系统主回路及控制回路

3.2 参数计算
(1)可变频逆变器技术参数
可变频逆变器采用西门子矢量型逆变器，其电气参数为:
   输入:DC510V(-15%)~650V(+10%)   
   输出:0~3AC380
   额定频率
   输入:直流
   输出:0~50Hz
   额定电流
   输入:174A
   输出:146A
   过载电流:198A
   过载时间:60S
(2) 工频正弦波逆变器技术参数
   直流输入电压:180~300V
   直流输入电流:13.6A
   交流旁路输入电压:380V±15%
   交流旁路输入电流:4.5A
   切换时间:≤5ms
   交流输出电压:380V±3%
   交流输出电流:3.6A
   过载能力:120% 1min;150% 10s;200% 1s
(3) 逆变器容量核算
    a)可变频逆变器容量核算
    氧枪电机容量为55KW，额定电流约110A，考虑氧枪刮渣过负荷情况，电流1.5倍为165A＜198A(逆变器过载电流)，故逆变器容量能够满足。
    b) 工频正旋波逆变器容量核算
    该逆变器负载是氧枪抱闸电机(直接启动)和控制电源，氧枪抱闸电机容量为0.33kW,额定电流约0.66A，直接启动电流按8倍计算为5.28A，逆变器额定输出电流为3.6A,过载1.5倍电流为5.4A＞5.28A。
    控制电源的负载为氧枪电机、氧枪抱闸电机、转炉抱闸电机输入接触器线圈，因为他们不是同时工作，所以可以按最大线圈的吸合功率考虑，氧枪电机输入接触器为250A，线圈吸合功率为1430W，电流为1430W/220V＝6.5A，吸合时间0.5s;而逆变器过载能力:200% 1s，既容许电流为3.6×2＝7.2A＞6.5A。
    因为氧枪抱闸电机启动和接触器操作不是同时进行的，所以可以按最大负载考虑，由以上计算可以看出逆变器容量可以满足。
    (4) 电池容量和串联只数的计算
    a) 电池容量计算
    电池组是当交流事故停电时，作为2台逆变器的输入电源为负载提供能量，电池组的容量由逆变器输出的最大负载电流和持续时间决定。
    由西门子逆变器技术参数可知:额定交流输出电流为146A时，直流输入电流为174A，那麽氧枪电机工作在额定电流110A时，直流输入电流为110A×174A/146A＝131A。
由工频正弦波逆变器技术参数可知:在额定情况下，逆变器直流输入电流为13.6A。因此2台逆变器总的直流输入电流为144.6A。既电池组需要提供的最大持续电流为144.6A，而持续时间为60min。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:144.6A
   ●放电持续时间:1h
   ●放电容量为144.6A×1.0h＝144.6Ah
    从图4电池放电曲线可以得出1h对应12×J20曲线，再由图5电池容量曲线可以得出容量60%;设所求电池容量为C，按下面公式计算:
60%×144.6=100%×C
C=100×144.6/60=241Ah   故选240Ah电池。
    b) 电池串联只数计算
    串联只数N取决于逆变器输入直流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，电池只数应为:
    N=Ue/6Uf(12V/单只电池)
    式中:N为蓄电池组串联只数
    Ue逆变器输入或变频器中间直流回路额定电压
    Uf单体电池的浮充电电压
    以12V/单只电池为例，单体电池的浮充电压Uf=  2.25V,单只电池的浮充电压Uf=13.5V。
    西门子逆变器的输入电压为:
    Ue=510～650V±10%, 即Ue(min)=510V﹡
    650V和715V是逆变器能正常工作的电压上限和下限值，取平均值:Ue=(459V+715V)/2=587V。
    则N=Ue/6Uf=587V/6×2.25V=43.48只。取N=42只。
    浮充电时,电池组端电压Ud=42×2.25V×６=567V。电压在设备允许范围内。

图2      应急电源原理框图

3.3 应急电源的设备组成和原理框图
    应急电源的原理框图见图2。应急电源的组成:
    (1) 断路器:1QF:交流输入断路器;2QF:工频逆变器输入断路器;3QF:工频逆变器输出断路器;QS:可变频逆变器输入开关;
    (2) 接触器:1KM:交流输入接触器;2KM、4KM:可变频逆变器输出接触器;3KM:变频器输出接触器(用户设备); 5KM:转炉抱闸电机输入接触器(用户设备);
    (3) TR:隔离变压器;
    (4) CM1、CM2:高频开关充电模块;
    (5) DC1、DC2:免维护铅酸蓄电池组;
    (6) 1NB:可变频逆变器;
    (7) 2NB:工频逆变器;
    (8) VF:变频器(用户设备)。

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2NB逆变器由交流供电旁路输出(注:2NB输入电源以交流优先)，为控制电源供电;1NB逆变器处于热备待启动状态，电机由用户变频器供电，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
当交流电源断电时，1KM接触器断开，充电模块停止工作;2NB逆变器输入电源由交流切换到电池组供电，保证外部控制电源不间断;同时外部连锁系统停电启动信号(用户提供)启动1NB逆变器，输出接触器3KM断开，2KM接通，用户电机由1NB供电。此时1NB，2NB的运行是靠电池组放电来维持的，电池组对逆变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，见图4。
4.3 交流电源恢复时的运行
在交流电源恢复正常时，应急电源可不需人工操作便可自动重新启动，充电模块开始对电池组补充充电，这时电源恢复到正常运行状态，等待下次使用。

图4     交流电源断电时的运行

5  结束语
    可变频应急电源是专门用于电动机负载的输出电压和输出频率可变的交流不间断电源，和传统的UPS或工频应急电源相比，可以大大减少电源的设计容量，过载能力强、可靠性高。和传统的柴油发电机相比，启动时间快，无噪音、无污染，维护简单，可无人值守自动操作，可计算机监控。是一种值得推广的新型工业电源。
 
参考文献
[1] SIEMENS SIMOVERT MASTER DRIVES 逆变器(变频器)使用说明书 西门子.
[2] GFM阀控式密封铅酸蓄电池电力工程设计应用手册 2000年.
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[4] 阀控式密封铅酸蓄电池资料汇编[M]. 北京:中国电力出版社,2001.
[5] 免维护变频型交流不停电电源 童林毅 张奇 张立阳(实用新型专利ZL99 215007.8).
[6] 在线式双机热备电力系统直流操作电源 童林毅 张奇 张立阳(实用新型专利ZL99 215006.X).
[7]童林毅. 可变频应急电源的开发及应用[J]. 变频器世界, 2003,(2).