工廠低電壓解決方案
| 工業(yè)電動機變頻器技術改造 -----確保電網瞬時低電壓時變頻器正常工作 一、目前存在的問題 隨著電力電子技術的發(fā)展,變頻器以其調速精確、使用簡單、保護功能齊全等優(yōu)點逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的調速控制裝置而得到廣泛應用;但由于國內某些工廠的電網電壓不穩(wěn)定，導致變頻器在使用中產生了新的問題—變頻器低壓跳閘。低電壓通常都是短時的,對傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)影響較小，而對變頻器則會產生低壓跳閘導致電機停止，影響生產。 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方面： （1）、來自電源輸入側的低電壓 正常情況下的電源電壓380V，允許誤差為-5%~+10%，經三相橋式全波整流后中間直流的電壓值為513V，個別情況下電源線電壓較小的電壓波動，也不會造成變頻器的低電壓跳閘。電源輸入側的低電壓主要是由于電網電壓的波動或主電力線切換；雷擊使電源正弦波幅值受影響；電廠本身的變壓器超載、負荷不平衡。 （2）、來自負載側的低電壓 大型設備啟動和應用； 線路過載； 啟動大型電動機等； 從電源輸入側和負載側來解決此問題是不現(xiàn)實的，我們從變頻器本身著手， 采用直流支撐技術(在變頻器直流側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。采用此技術可確保： (1)、廠用交流電源低電壓時,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、技術關鍵: 變頻器是由整流器和逆變器兩部分組成。通過對變頻器的研究，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功能。變頻器的逆變器件為GTR時，一旦失壓或停電，控制電路將停止向驅動電路輸出信號，使驅動電路和GTR全部停止工作，電動機將處于自由制動狀態(tài)。逆變器件為IGBT時，在失壓或停電后，將允許變頻器繼續(xù)工作一個短時間td，若失壓或停電時間to＜td，變頻器將平穩(wěn)過度運行；若失壓或停電時間to＞td ，變頻器自我保護停止運行。一般td都在15～25ms,只要電源“晃電”較為強烈，to都在幾秒鐘以上，變頻器自我保護停止運行，使電動機停止運行。 從電壓跌落到變頻器恢復正常運行，時間至少幾十秒鐘，此過程中電機會停止運行，嚴重影響工廠的正常運行,針對該問題我們采用直流支撐技術，通過整流裝置、蓄電池組和各直流回路，對各變頻器的直流母線供電，并通過PT傳感器、開關量數據采集等輸入PLC，編程控制各直流回路的開合、靜態(tài)開關的導通等，當電網發(fā)生晃電甚至停電時，保障變頻器連續(xù)、穩(wěn)定、安全運行一定的時間，從而大幅度減少電網電壓波動對變頻器產生的影響，進而保障整個工廠電氣設備安全度過晃電期。 1、直流支撐系統(tǒng)的原理 1)、單臺電機工作原理圖： 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、控制器等組成 SS:靜態(tài)開關 M:電動機 針對工廠的實際情況,我們決定采用多臺電機工作模式 2）、下圖是多臺電機的工作模式圖 多臺電機工作模式： M1，M2，M3同時設計于同一控制系統(tǒng)中為低壓電機群的工作模式； 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：由電網通過具有雙變換及軟起動功能的VVVF驅動電動機，充電器對電池浮充電。 2)、斷電工作模式：靜態(tài)開關導通，電池通過VVVF驅動電動機；電網恢復，系統(tǒng)自動恢復正常工作。轉換過程不斷電。 3)、檢修工作模式：每個回路相對獨立，n臺PLC分路獨立管理n臺VVVF，并對直流系統(tǒng)監(jiān)控。 在工作現(xiàn)場通常都是電機群，我們只需設計一套系統(tǒng)就可以解決問題。 3、本系統(tǒng)的控制邏輯： ( 電話： 手機： ) 虛線框內為直流支撐系統(tǒng) 上圖為直流支撐系統(tǒng)與變頻器控制邏輯簡圖 邏輯控制說明 1． 變頻器啟動；停止控制邏輯 根據變頻器的原理，變頻器在交流供電或直流供電正常情況下在接受到啟動接點指令后，即可投入運行。在變頻器正常運行后有一反映變頻器運行狀態(tài)的接點信號閉合。變頻器運行調速指令由DCS 或PLC 送來的4－20mA 模擬信號實現(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. 回路保護開關 c. 回路靜態(tài)開關 d. 回路直流接觸器 e. 控制PLC f. 母線電壓監(jiān)測繼電器 （2）該系統(tǒng)的PLC 控制邏輯 a. 控制PLC 輸入邏輯條件有：變頻器運行狀態(tài)接點信號，母線電壓監(jiān)測信號。同時可能還有現(xiàn)場的一些閉鎖信號。 b. 控制PLC 輸出邏輯條件有：變頻器運行正常且一些閉鎖信號未給出保護動作信號時,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。變頻器運行正常時，母線電壓<350VAC(可調節(jié))且閉鎖信號未給出保護動作信號時,PLC向靜態(tài)開關送出24VDC控制電壓,靜態(tài)開關導通；母線電壓恢復時，PLC撤出靜態(tài)開關閉鎖指令。 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，內部CPU 準備運行；控制設備，DCS 或PLC 或控制繼電器送來啟動運行指令。電機按模擬控制4－20mA 電流決定變頻器拖動電機的運行轉速；等到系統(tǒng)正常運行后變頻器狀態(tài)接點閉合。 直流支撐系統(tǒng)控制PLC 接受到變頻器運行狀態(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，這時該回路在熱備份狀態(tài)。本次操作結束。 d. 變頻器電源失電，PLC 及靜態(tài)開關都測到變頻器失電信息。 1） PLC 測到了母線電壓＜350VAC 信號而發(fā)出靜態(tài)開關合閘指令。 2） 靜態(tài)開關測到變頻器直流母線電壓＜460VAC 而快速導通。 變頻器電力迅速由母線供電轉入直流支撐系統(tǒng)供電。變頻器保持連續(xù)不間斷運行。 e. 變頻器電源供電恢復時其直流環(huán)節(jié)的電壓應立刻上升；母線電壓恢復使得PLC 重新得到電壓正常信號而撤出靜態(tài)開關閉鎖指令。當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)開關立即關閉。電機在這一過程中仍然保持不間斷運行。在充電器作用下對放過電的電池組補充電。 f. 母線電壓連續(xù)在85％（該值可以重新設定）上下波動。母線電壓一旦 <350VAC（>85％）直流支撐系統(tǒng)即自動投入,由蓄電池直接向變頻器的直流母線供電。母線恢復正常值后PLC 延時2s 才撤出靜態(tài)開關閉鎖信號。 g. 根據用戶工藝條件，在蓄電池供電數秒鐘后PLC自行切斷直流接觸器，具體延時多長時間可在調試時確定。 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構，該供電系統(tǒng)應用后完全不影響原有變頻器的使用方式及性能，在母線電壓正常時該系統(tǒng)僅作為后備電源。這時候直流支撐系統(tǒng)的退出，投入不會對原變頻器產生任何影響。 2）該系統(tǒng)與變頻器之間有十分可靠的隔離保護設計，當一臺變頻器出現(xiàn)故障，不會影響其它變頻器正常運行。 3）在檢測維修時，每回路直流支撐系統(tǒng)均可單獨與母線分離，以便于維修。 4）HMI上備有保護變頻器母線電壓晃電、失電、充電壓實時紀錄， 運行工程師可在事后在HMI 上查詢紀錄精度在秒。 ² 控制部分我們可以根據用戶的要求采用RTU模塊,來采集現(xiàn)場信號和控制我們的DC-BANK系統(tǒng)。同時RTU還有多種電動機的微機保護功能，可以實現(xiàn)對電動機的多重保護。 利用RTU來實現(xiàn)智能控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下幾個功能 1、進行線路的監(jiān)測，實現(xiàn)遙控（分合、啟停、正反轉等）、遙測（電壓、電流、功率、頻率、功率因數等）、遙信（反映各種開關量狀態(tài)）等功能。通過RS485和上位機軟件一起構建SCADA系統(tǒng)。 2、進行三相電動機微機保護，實時監(jiān)測電機運行狀態(tài)（如啟停、正反轉、電流、電壓、功率、功率因數、頻率、溫度等），對電機進行多種保護（過流、過壓、過載、欠壓、堵轉、零序、負序等保護）。 3、GPS對時：接入GPS時鐘信號，統(tǒng)一系統(tǒng)時鐘，并向控制終端發(fā)送對時命令；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來實現(xiàn)控制系統(tǒng)，功能齊全、方案簡潔，具有高可靠性、高集成度，分布式安裝和控制，易擴展、開放性好。 4、性能特點 結構合理可靠 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)，平時只對電池浮充電，成本低，可靠性高。 直流支撐系統(tǒng)不影響原來設備的全部工作狀態(tài)。 電動機享有VVVF的軟啟動、調速等功能，并具備短路、接地故障和過載等保護特性。 充電器具有穩(wěn)壓、限流功能。 直流支撐系統(tǒng)的相關參數可以記錄、儲存和顯示。 采用方便檢修維護的模塊化結構，并聯(lián)使用。系統(tǒng)各回路完全獨立，檢修某回路VVVF及其控制保護電路等，不影響其他回路工作。 系統(tǒng)相關部件采用IGBT逆變功率器件和微處理器控制。 靜態(tài)開關采用在線跟蹤和電壓自動監(jiān)控，保證主電源電壓波動和失電時，系統(tǒng)瞬時切換到電池供電,變頻器的輸出頻率沒有變化。 三、設備及系統(tǒng)配置 ( 電話： 手機： ) 1、實驗條件 現(xiàn)有實驗條件： 一路380V/60A 3P+N+PE電源. 被保護變頻器的狀態(tài)干節(jié)點信號 被保護變頻器電源狀態(tài)的PT取信號電源。 一些保護的閉鎖信號 其他電氣設備的工作狀態(tài)信號(根據需要) 被保護變頻器二次接線圖。 有關的工程設計條件。包括被保護變頻器盤內布置圖。 2、直流支撐系統(tǒng)主要設備 1、 蓄電池 1) 蓄電池采用免維護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口快速IGBT，其余元件采用進口工業(yè)等級器件，生產工藝嚴格完整，保證機器的可靠性和穩(wěn)定性。輸出電壓和電流均可連續(xù)調節(jié)。具有強大的保護功能(輸入過流、過壓、欠壓保護；輸出短路，過流，過壓保護；整機過熱保護)。 3、靜態(tài)開關 靜態(tài)開關采用大功率器件組成直流電子開關。當電網供電正常時，開關處于關斷狀態(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，因端電壓高于交流進線經整流后輸出的直流電壓引起頻繁放電；當交流電源低于變頻器低壓保護值時(以變頻器的品牌而定)，監(jiān)控系統(tǒng)觸發(fā)直流電子開關瞬間導通，可以做到變頻器由交流供電和由電池組供電的瞬時轉換。 靜態(tài)開關工作條件 截止條件：變頻器沒有運行或變頻器運行且母線電壓正常。 導通條件：變頻器運行且電網晃電或停電(備自投切換時)。 4、智能控制系統(tǒng) 根據需要用一臺或多臺可編程控制器和HMI(觸摸屏)組成帶有人機操作界面的監(jiān)控系統(tǒng)，其功能為：充電模塊輸出電壓設定，充電電流限值設定，本系統(tǒng)的起停操作，運行參數顯示，變頻器工作狀態(tài)顯示，故障報警存儲以及按需要和上位機通訊實現(xiàn)四遙功能。 系統(tǒng) |
