工廠低電壓解決方案
| 工業(yè)電動(dòng)機(jī)變頻器技術(shù)改造 -----確保電網(wǎng)瞬時(shí)低電壓時(shí)變頻器正常工作 一、目前存在的問題 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,變頻器以其調(diào)速精確、使用簡(jiǎn)單、保護(hù)功能齊全等優(yōu)點(diǎn)逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的調(diào)速控制裝置而得到廣泛應(yīng)用;但由于國內(nèi)某些工廠的電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，導(dǎo)致變頻器在使用中產(chǎn)生了新的問題—變頻器低壓跳閘。低電壓通常都是短時(shí)的,對(duì)傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)影響較小，而對(duì)變頻器則會(huì)產(chǎn)生低壓跳閘導(dǎo)致電機(jī)停止，影響生產(chǎn)。 變頻器低電壓主要是指中間直流回路的低電壓，一般能引起中間直流回路的低電壓的原因來自兩個(gè)方面： （1）、來自電源輸入側(cè)的低電壓 正常情況下的電源電壓380V，允許誤差為-5%~+10%，經(jīng)三相橋式全波整流后中間直流的電壓值為513V，個(gè)別情況下電源線電壓較小的電壓波動(dòng)，也不會(huì)造成變頻器的低電壓跳閘。電源輸入側(cè)的低電壓主要是由于電網(wǎng)電壓的波動(dòng)或主電力線切換；雷擊使電源正弦波幅值受影響；電廠本身的變壓器超載、負(fù)荷不平衡。 （2）、來自負(fù)載側(cè)的低電壓 大型設(shè)備啟動(dòng)和應(yīng)用； 線路過載； 啟動(dòng)大型電動(dòng)機(jī)等； 從電源輸入側(cè)和負(fù)載側(cè)來解決此問題是不現(xiàn)實(shí)的，我們從變頻器本身著手， 采用直流支撐技術(shù)(在變頻器直流側(cè)加不間斷直流電源提高變頻器的低電壓跨越能力)來解決目前工廠面臨的問題。采用此技術(shù)可確保： (1)、廠用交流電源低電壓時(shí),變頻器還能正常工作。 (2)、備自投切換過程中確保變頻器正常工作。 二、技術(shù)關(guān)鍵: 變頻器是由整流器和逆變器兩部分組成。通過對(duì)變頻器的研究，變頻器低電壓指其中間直流回路低電壓(即逆變器輸入電壓過低)。一般的變頻器都具有過壓、失壓和瞬間停電的保護(hù)功能。變頻器的逆變器件為GTR時(shí)，一旦失壓或停電，控制電路將停止向驅(qū)動(dòng)電路輸出信號(hào)，使驅(qū)動(dòng)電路和GTR全部停止工作，電動(dòng)機(jī)將處于自由制動(dòng)狀態(tài)。逆變器件為IGBT時(shí)，在失壓或停電后，將允許變頻器繼續(xù)工作一個(gè)短時(shí)間td，若失壓或停電時(shí)間to＜td，變頻器將平穩(wěn)過度運(yùn)行；若失壓或停電時(shí)間to＞td ，變頻器自我保護(hù)停止運(yùn)行。一般td都在15～25ms,只要電源“晃電”較為強(qiáng)烈，to都在幾秒鐘以上，變頻器自我保護(hù)停止運(yùn)行，使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。 從電壓跌落到變頻器恢復(fù)正常運(yùn)行，時(shí)間至少幾十秒鐘，此過程中電機(jī)會(huì)停止運(yùn)行，嚴(yán)重影響工廠的正常運(yùn)行,針對(duì)該問題我們采用直流支撐技術(shù)，通過整流裝置、蓄電池組和各直流回路，對(duì)各變頻器的直流母線供電，并通過PT傳感器、開關(guān)量數(shù)據(jù)采集等輸入PLC，編程控制各直流回路的開合、靜態(tài)開關(guān)的導(dǎo)通等，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生晃電甚至停電時(shí)，保障變頻器連續(xù)、穩(wěn)定、安全運(yùn)行一定的時(shí)間，從而大幅度減少電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)變頻器產(chǎn)生的影響，進(jìn)而保障整個(gè)工廠電氣設(shè)備安全度過晃電期。 1、直流支撐系統(tǒng)的原理 1)、單臺(tái)電機(jī)工作原理圖： VVVF:變頻器，由AC/DC整流器、DC/AC逆變器等組成 系統(tǒng)由電池組、充電器、靜態(tài)開關(guān)、控制器等組成 SS:靜態(tài)開關(guān) M:電動(dòng)機(jī) 針對(duì)工廠的實(shí)際情況,我們決定采用多臺(tái)電機(jī)工作模式 2）、下圖是多臺(tái)電機(jī)的工作模式圖 多臺(tái)電機(jī)工作模式： M1，M2，M3同時(shí)設(shè)計(jì)于同一控制系統(tǒng)中為低壓電機(jī)群的工作模式； 檢修模式： 以下為檢修模式的示意圖 VVVF1檢修，VVVF2和VVVF3處于工作模式，直流由SS和直流熔斷器等隔離。 2、本系統(tǒng)的工作模式 本系統(tǒng)有三種工作模式： 1)、正常工作模式：由電網(wǎng)通過具有雙變換及軟起動(dòng)功能的VVVF驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，充電器對(duì)電池浮充電。 2)、斷電工作模式：靜態(tài)開關(guān)導(dǎo)通，電池通過VVVF驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；電網(wǎng)恢復(fù)，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)正常工作。轉(zhuǎn)換過程不斷電。 3)、檢修工作模式：每個(gè)回路相對(duì)獨(dú)立，n臺(tái)PLC分路獨(dú)立管理n臺(tái)VVVF，并對(duì)直流系統(tǒng)監(jiān)控。 在工作現(xiàn)場(chǎng)通常都是電機(jī)群，我們只需設(shè)計(jì)一套系統(tǒng)就可以解決問題。 3、本系統(tǒng)的控制邏輯： ( 電話： 手機(jī)： ) 虛線框內(nèi)為直流支撐系統(tǒng) 上圖為直流支撐系統(tǒng)與變頻器控制邏輯簡(jiǎn)圖 邏輯控制說明 1． 變頻器啟動(dòng)；停止控制邏輯 根據(jù)變頻器的原理，變頻器在交流供電或直流供電正常情況下在接受到啟動(dòng)接點(diǎn)指令后，即可投入運(yùn)行。在變頻器正常運(yùn)行后有一反映變頻器運(yùn)行狀態(tài)的接點(diǎn)信號(hào)閉合。變頻器運(yùn)行調(diào)速指令由DCS 或PLC 送來的4－20mA 模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)。 2．直流支撐系統(tǒng)與變頻器的邏輯配合 （1）直流支撐系統(tǒng)的組成 a. 直流電源 b. 回路保護(hù)開關(guān) c. 回路靜態(tài)開關(guān) d. 回路直流接觸器 e. 控制PLC f. 母線電壓監(jiān)測(cè)繼電器 （2）該系統(tǒng)的PLC 控制邏輯 a. 控制PLC 輸入邏輯條件有：變頻器運(yùn)行狀態(tài)接點(diǎn)信號(hào)，母線電壓監(jiān)測(cè)信號(hào)。同時(shí)可能還有現(xiàn)場(chǎng)的一些閉鎖信號(hào)。 b. 控制PLC 輸出邏輯條件有：變頻器運(yùn)行正常且一些閉鎖信號(hào)未給出保護(hù)動(dòng)作信號(hào)時(shí),直流接觸器合上,直流支撐系統(tǒng)處于熱備用狀態(tài),否則直流接觸器斷開，直流支撐系統(tǒng)處于冷備用。變頻器運(yùn)行正常時(shí)，母線電壓<350VAC(可調(diào)節(jié))且閉鎖信號(hào)未給出保護(hù)動(dòng)作信號(hào)時(shí),PLC向靜態(tài)開關(guān)送出24VDC控制電壓,靜態(tài)開關(guān)導(dǎo)通；母線電壓恢復(fù)時(shí)，PLC撤出靜態(tài)開關(guān)閉鎖指令。 c. 母線電壓正常條件下直流支撐系統(tǒng)投入過程 變頻器電源端送入正常電壓，變頻器受電，內(nèi)部CPU 準(zhǔn)備運(yùn)行；控制設(shè)備，DCS 或PLC 或控制繼電器送來啟動(dòng)運(yùn)行指令。電機(jī)按模擬控制4－20mA 電流決定變頻器拖動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速；等到系統(tǒng)正常運(yùn)行后變頻器狀態(tài)接點(diǎn)閉合。 直流支撐系統(tǒng)控制PLC 接受到變頻器運(yùn)行狀態(tài)指令后，向直流接觸器 MF 發(fā)出合閘指令，如果該回路的空開QF 合閘，這時(shí)該回路在熱備份狀態(tài)。本次操作結(jié)束。 d. 變頻器電源失電，PLC 及靜態(tài)開關(guān)都測(cè)到變頻器失電信息。 1） PLC 測(cè)到了母線電壓＜350VAC 信號(hào)而發(fā)出靜態(tài)開關(guān)合閘指令。 2） 靜態(tài)開關(guān)測(cè)到變頻器直流母線電壓＜460VAC 而快速導(dǎo)通。 變頻器電力迅速由母線供電轉(zhuǎn)入直流支撐系統(tǒng)供電。變頻器保持連續(xù)不間斷運(yùn)行。 e. 變頻器電源供電恢復(fù)時(shí)其直流環(huán)節(jié)的電壓應(yīng)立刻上升；母線電壓恢復(fù)使得PLC 重新得到電壓正常信號(hào)而撤出靜態(tài)開關(guān)閉鎖指令。當(dāng)變頻器直流母線電壓>直流支撐系統(tǒng)母線電壓，并且PLC撤出閉鎖指令后靜態(tài)開關(guān)立即關(guān)閉。電機(jī)在這一過程中仍然保持不間斷運(yùn)行。在充電器作用下對(duì)放過電的電池組補(bǔ)充電。 f. 母線電壓連續(xù)在85％（該值可以重新設(shè)定）上下波動(dòng)。母線電壓一旦 <350VAC（>85％）直流支撐系統(tǒng)即自動(dòng)投入,由蓄電池直接向變頻器的直流母線供電。母線恢復(fù)正常值后PLC 延時(shí)2s 才撤出靜態(tài)開關(guān)閉鎖信號(hào)。 g. 根據(jù)用戶工藝條件，在蓄電池供電數(shù)秒鐘后PLC自行切斷直流接觸器，具體延時(shí)多長(zhǎng)時(shí)間可在調(diào)試時(shí)確定。 3． 系統(tǒng)安全性 1）直流支撐系統(tǒng)與變頻器組成的電機(jī)不停電系統(tǒng)具有可靠的系統(tǒng)安全性。該供電系統(tǒng)與變頻器是分布式結(jié)構(gòu)，該供電系統(tǒng)應(yīng)用后完全不影響原有變頻器的使用方式及性能，在母線電壓正常時(shí)該系統(tǒng)僅作為后備電源。這時(shí)候直流支撐系統(tǒng)的退出，投入不會(huì)對(duì)原變頻器產(chǎn)生任何影響。 2）該系統(tǒng)與變頻器之間有十分可靠的隔離保護(hù)設(shè)計(jì)，當(dāng)一臺(tái)變頻器出現(xiàn)故障，不會(huì)影響其它變頻器正常運(yùn)行。 3）在檢測(cè)維修時(shí)，每回路直流支撐系統(tǒng)均可單獨(dú)與母線分離，以便于維修。 4）HMI上備有保護(hù)變頻器母線電壓晃電、失電、充電壓實(shí)時(shí)紀(jì)錄， 運(yùn)行工程師可在事后在HMI 上查詢紀(jì)錄精度在秒。 ² 控制部分我們可以根據(jù)用戶的要求采用RTU模塊,來采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)和控制我們的DC-BANK系統(tǒng)。同時(shí)RTU還有多種電動(dòng)機(jī)的微機(jī)保護(hù)功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的多重保護(hù)。 利用RTU來實(shí)現(xiàn)智能控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能 1、進(jìn)行線路的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)遙控（分合、啟停、正反轉(zhuǎn)等）、遙測(cè)（電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)等）、遙信（反映各種開關(guān)量狀態(tài)）等功能。通過RS485和上位機(jī)軟件一起構(gòu)建SCADA系統(tǒng)。 2、進(jìn)行三相電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)（如啟停、正反轉(zhuǎn)、電流、電壓、功率、功率因數(shù)、頻率、溫度等），對(duì)電機(jī)進(jìn)行多種保護(hù)（過流、過壓、過載、欠壓、堵轉(zhuǎn)、零序、負(fù)序等保護(hù)）。 3、GPS對(duì)時(shí)：接入GPS時(shí)鐘信號(hào)，統(tǒng)一系統(tǒng)時(shí)鐘，并向控制終端發(fā)送對(duì)時(shí)命令；可支持多種通訊規(guī)約、多種通訊通道。 4、具有SOE功能 采用RTU來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)，功能齊全、方案簡(jiǎn)潔，具有高可靠性、高集成度，分布式安裝和控制，易擴(kuò)展、開放性好。 4、性能特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)合理可靠 該系統(tǒng)直接向VVVF提供直流電源。和傳統(tǒng)的UPS相比，減少了AC/DC、DC/AC 兩次變換，硬件費(fèi)用減少，可靠性提高。 常規(guī)UPS整流充電器與變頻器處于串聯(lián)狀態(tài)，既要對(duì)電池充電，還須向逆變器提供額定直流功率，而此系統(tǒng)的充電器處于并聯(lián)狀態(tài)，平時(shí)只對(duì)電池浮充電，成本低，可靠性高。 直流支撐系統(tǒng)不影響原來設(shè)備的全部工作狀態(tài)。 電動(dòng)機(jī)享有VVVF的軟啟動(dòng)、調(diào)速等功能，并具備短路、接地故障和過載等保護(hù)特性。 充電器具有穩(wěn)壓、限流功能。 直流支撐系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)可以記錄、儲(chǔ)存和顯示。 采用方便檢修維護(hù)的模塊化結(jié)構(gòu)，并聯(lián)使用。系統(tǒng)各回路完全獨(dú)立，檢修某回路VVVF及其控制保護(hù)電路等，不影響其他回路工作。 系統(tǒng)相關(guān)部件采用IGBT逆變功率器件和微處理器控制。 靜態(tài)開關(guān)采用在線跟蹤和電壓自動(dòng)監(jiān)控，保證主電源電壓波動(dòng)和失電時(shí)，系統(tǒng)瞬時(shí)切換到電池供電,變頻器的輸出頻率沒有變化。 三、設(shè)備及系統(tǒng)配置 ( 電話： 手機(jī)： ) 1、實(shí)驗(yàn)條件 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件： 一路380V/60A 3P+N+PE電源. 被保護(hù)變頻器的狀態(tài)干節(jié)點(diǎn)信號(hào) 被保護(hù)變頻器電源狀態(tài)的PT取信號(hào)電源。 一些保護(hù)的閉鎖信號(hào) 其他電氣設(shè)備的工作狀態(tài)信號(hào)(根據(jù)需要) 被保護(hù)變頻器二次接線圖。 有關(guān)的工程設(shè)計(jì)條件。包括被保護(hù)變頻器盤內(nèi)布置圖。 2、直流支撐系統(tǒng)主要設(shè)備 1、 蓄電池 1) 蓄電池采用免維護(hù)閥控式全密封鉛酸電池。 2) 蓄電池的使用壽命為7~12年。 2、整流器 整流器的功率逆變管采用進(jìn)口快速IGBT，其余元件采用進(jìn)口工業(yè)等級(jí)器件，生產(chǎn)工藝嚴(yán)格完整，保證機(jī)器的可靠性和穩(wěn)定性。輸出電壓和電流均可連續(xù)調(diào)節(jié)。具有強(qiáng)大的保護(hù)功能(輸入過流、過壓、欠壓保護(hù)；輸出短路，過流，過壓保護(hù)；整機(jī)過熱保護(hù))。 3、靜態(tài)開關(guān) 靜態(tài)開關(guān)采用大功率器件組成直流電子開關(guān)。當(dāng)電網(wǎng)供電正常時(shí)，開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)，切斷電池組與變頻器的通路，防止電池組在浮充電或均充電時(shí)，因端電壓高于交流進(jìn)線經(jīng)整流后輸出的直流電壓引起頻繁放電；當(dāng)交流電源低于變頻器低壓保護(hù)值時(shí)(以變頻器的品牌而定)，監(jiān)控系統(tǒng)觸發(fā)直流電子開關(guān)瞬間導(dǎo)通，可以做到變頻器由交流供電和由電池組供電的瞬時(shí)轉(zhuǎn)換。 靜態(tài)開關(guān)工作條件 截止條件：變頻器沒有運(yùn)行或變頻器運(yùn)行且母線電壓正常。 導(dǎo)通條件：變頻器運(yùn)行且電網(wǎng)晃電或停電(備自投切換時(shí))。 4、智能控制系統(tǒng) 根據(jù)需要用一臺(tái)或多臺(tái)可編程控制器和HMI(觸摸屏)組成帶有人機(jī)操作界面的監(jiān)控系統(tǒng)，其功能為：充電模塊輸出電壓設(shè)定，充電電流限值設(shè)定，本系統(tǒng)的起停操作，運(yùn)行參數(shù)顯示，變頻器工作狀態(tài)顯示，故障報(bào)警存儲(chǔ)以及按需要和上位機(jī)通訊實(shí)現(xiàn)四遙功能。 系統(tǒng) |
