工廠低電壓解決方案

工業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展,變頻器以其調速精確、使用簡單、保護功能齊全等優點逐步代替傳統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,對傳統的控制系統影響較小，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。逆變器件為IGBT時，在失壓或停電后，將允許變頻器繼續工作一個短時間td，若失壓或停電時間to＜td，變頻器將平穩過度運行；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、靜態開關的導通等，當電網發生晃電甚至停電時，保障變頻器連續、穩定、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
系統由電池組、充電器、靜態開關、控制器等組成
SS:靜態開關
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、本系統的工作模式
本系統有三種工作模式：
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：靜態開關導通，電池通過VVVF驅動電動機；電網恢復，系統自動恢復正常工作。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，并對直流系統監控。
在工作現場通常都是電機群，我們只需設計一套系統就可以解決問題。
3、本系統的控制邏輯：

虛線框內為直流支撐系統
上圖為直流支撐系統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。
2．直流支撐系統與變頻器的邏輯配合
（1）直流支撐系統的組成
a. 直流電源 b. 回路保護開關 c. 回路靜態開關
d. 回路直流接觸器 e. 控制PLC f. 母線電壓監測繼電器
（2）該系統的PLC 控制邏輯
a. 控制PLC 輸入邏輯條件有：變頻器運行狀態接點信號，母線電壓監測信號。同時可能還有現場的一些閉鎖信號。
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,直流支撐系統處于熱備用狀態,否則直流接觸器斷開，直流支撐系統處于冷備用。變頻器運行正常時，母線電壓<350VAC(可調節)且閉鎖信號未給出保護動作信號時,PLC向靜態開關送出24VDC控制電壓,靜態開關導通；母線電壓恢復時，PLC撤出靜態開關閉鎖指令。
c. 母線電壓正常條件下直流支撐系統投入過程
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；等到系統正常運行后變頻器狀態接點閉合。
直流支撐系統控制PLC 接受到變頻器運行狀態指令后，向直流接觸器 MF 發出合閘指令，如果該回路的空開QF 合閘，這時該回路在熱備份狀態。本次操作結束。
d. 變頻器電源失電，PLC 及靜態開關都測到變頻器失電信息。
1） PLC 測到了母線電壓＜350VAC 信號而發出靜態開關合閘指令。
2） 靜態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供電。變頻器保持連續不間斷運行。
e. 變頻器電源供電恢復時其直流環節的電壓應立刻上升；母線電壓恢復使得PLC 重新得到電壓正常信號而撤出靜態開關閉鎖指令。當變頻器直流母線電壓>直流支撐系統母線電壓，并且PLC撤出閉鎖指令后靜態開關立即關閉。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． 系統安全性
1）直流支撐系統與變頻器組成的電機不停電系統具有可靠的系統安全性。該供電系統與變頻器是分布式結構，該供電系統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僅作為后備電源。這時候直流支撐系統的退出，投入不會對原變頻器產生任何影響。
2）該系統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。
&sup2; 控制部分我們可以根據用戶的要求采用RTU模塊,來采集現場信號和控制我們的DC-BANK系統。同時RTU還有多種電動機的微機保護功能，可以實現對電動機的多重保護。
利用RTU來實現智能控制系統可以實現以下幾個功能
1、進行線路的監測，實現遙控（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）等功能。通過RS485和上位機軟件一起構建SCADA系統。
2、進行三相電動機微機保護，實時監測電機運行狀態（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，統一系統時鐘，并向控制終端發送對時命令；可支持多種通訊規約、多種通訊通道。
4、具有SOE功能
采用RTU來實現控制系統，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
該系統直接向VVVF提供直流電源。和傳統的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UPS整流充電器與變頻器處于串聯狀態，既要對電池充電，還須向逆變器提供額定直流功率，而此系統的充電器處于并聯狀態，平時只對電池浮充電，成本低，可靠性高。
直流支撐系統不影響原來設備的全部工作狀態。
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。
充電器具有穩壓、限流功能。
直流支撐系統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，并聯使用。系統各回路完全獨立，檢修某回路VVVF及其控制保護電路等，不影響其他回路工作。
系統相關部件采用IGBT逆變功率器件和微處理器控制。
靜態開關采用在線跟蹤和電壓自動監控，保證主電源電壓波動和失電時，系統瞬時切換到電池供電,變頻器的輸出頻率沒有變化。
三、設備及系統配置
1、實驗條件
現有實驗條件：
一路380V/60A 3P+N+PE電源.
被保護變頻器的狀態干節點信號
被保護變頻器電源狀態的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等級器件，生產工藝嚴格完整，保證機器的可靠性和穩定性。輸出電壓和電流均可連續調節。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、靜態開關
靜態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，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)，監控系統觸發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
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控系統，其功能為：充電模塊輸出電壓設定，充電電流限值設定，本系統的起停操作，運行參數顯示，變頻器工作狀態顯示，故障報警存儲以及按需要和上位機通訊實現四遙功能。
系統監控由系統控制器、切換控制器、電池檢測器及分路檢測器等主要部件組成，各部件均有單片機進行控制，監控系統是通過RS485進行數字化連接以完成系統的通信與控制。各部件主要功能如下：
1) 系統控制器：實現人機交流、系統參數顯示、系統指示、系統設置、歷史事件的存儲及遠程通信等功能。
2) 切換控制器：負責系統各路電壓及市電的監測以實現系統安全可靠快速的切換。
3) 電池檢測器：負責電池自動化管理和及監測。
4) 分路檢測器：負責輸出各分路的負載狀況(正常、開路、短路、未裝等)的檢測。
5、安全保護
此系統都是安裝在配電柜內的。配電柜符合IP20要求，由能承受一定機械應力、電氣應力及熱應力材料構成。
3、直流支撐系統的主要配置
1、系統組成
1）、設備基本參數:
—蓄電池的輸出功率根據現揚的設備功率決定。
—直流輸出回路由現場被保護的變頻器的數量決定。
—電池放電時間：根據現揚的工作要求。
2）、設備基本組成及柜體安排
整流器柜、直流控制柜、蓄電池柜。
柜體具體安排：
—ZL柜；冗余高頻DC 530V/10A 2臺充電器、含有HMI屏的系統測控。AC/DC 24V、 DC/DC 24V構成冗余的控制電源、系統變壓器、
—CA柜有多條直流支撐回路，每一條支撐回路中，含有靜態開關、直流接觸器、直流熔斷器、直流隔離模塊，光電檢測繼電器、PLC公用等
每臺變頻器由一個靜態開關來控制.。
各柜有自己獨立的PLC系統，與HMI采用串行通訊的方法傳遞數據。
--柜體安排：根據現場現有的施工條件。
a、將系統的全部柜體集中定位在所有被保護變頻器相對最中心的位置的那臺機組的控制室中，支撐系統分別與每一個變頻器連接。
b、根據現場提供的條件，合理安排柜體的位置。
3)、方案的最終確定實施時：
我們會提供：
設備就位的平面布置圖。
設備基礎安裝圖。
電氣條件圖、設備荷重圖各一份，可用電子版發送。
2、系統指標：
1）、輸入電壓：380 + 10%VAC，3P+N+PE 頻率：50HZ + 1%。
2）、結構要求
a 每組直流電源柜為落地安裝式，防護等級：IP20
b 進出線方式：下進下出線或按現場要求。
c 電控柜尺寸：800×600×2200（W×D×H） 前后開門
電池柜尺寸：1320×600×2200 （W×D×H）
d 整流器柜體頂部加裝2個風扇，下側設有帶濾網的進風口。
e 每個柜均有銘牌，標明其功能。
3、功能要求
1） 當變頻器交流進線電源故障（失壓或短時停電）時，變頻器在該系統保護下，在設計時間內連續正常運轉。
2）直流支撐系統在線工作，變頻器供電電源由交流三相380V轉至直流530V供電時無間斷。
3） 電池組的備用時間根據設計，不少于10分鐘(暫定)。
4） 在電池組放電過程中,若三相電源恢復正常,則變頻器供電自動切換至三相380V交流電源。
5） 進線電源停電超過一定時間，應自動分斷直流接觸器，變頻器停止工作。（主要是防止設備出現故障的保護動作信號）
6） 具備系統自診斷及故障顯示功能。
7） 為延長蓄電池的使用壽命,充電系統具備“均充”與“浮充”功能，且能自動轉換。均充電壓應達到560V，浮充電壓應達到530V(HMI可調)。在正常操作期間，電池應處于浮充狀態。
8） 電池組具備以下功能：
定時均充：即在每隔1-3個月（HMI可設定）自動均充一次。
欠壓均充：即電池放電至欠壓時，自動進行均充（交流正常時）
9） 具備各種工作狀態指示燈。
四、直流支撐系統的安裝：
1、安裝要求
1）、設備安裝時要充分考慮安裝位置，包括柜外、柜間接線。
2）、工廠要負責現場作業協調組織工作，并為工廠工程人員工作提供方便。
3）、對工廠提供的現場條件，在安裝二周前進行實地考察協調并與工廠共同制定工程計劃。
4）、工廠需提供所有的系統內柜間電纜。工廠承擔被保護變頻器的電纜。
2、系統的安裝環境要求：
使用場所：戶內
使用環境：無爆炸性氣體及粉塵
環境溫度：-10℃ — +40℃；電池室5℃--30℃
相對濕度：90%未結露
海拔高度：1000米以下
3、安裝標準及規范
GB17478-1998 低壓直流電源設備的輸出性能特性和安全要求
JB/T8948-1999 電控設備用低壓直流電源
B4208-1993 外殼保護等級（IP代碼）
GB4026-1992 設備接線端子和規定電線端鑒別標志以及、文字和數字系統一般應用原則
GB50150-91 電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗
GB50168-92 電氣裝置安裝工程電氣電纜線路施工及驗收
GB50172-92 電氣裝置安裝工程蓄電池施工及驗收規范
GB50254-92 電氣裝置安裝工程低壓電器施工及驗收
GB50171-92 電氣裝置安裝工程盤、柜及二次回路結線施工及驗收規范
五、該項目實施的最終結果
在電機規定的負荷下做2次斷電試驗，間隔24小時，支持時間均應為3秒鐘(暫定)。
在變頻器工作正常的情況下，切斷三相交流輸入電源，系統自動切換成直流供電，保證受保護的變頻器及電機不間斷運行在工廠要求的時間內。其中，變頻器顯示的頻率保持恒定，沒有任何變化。然后送上三相交流電源，受保護的變頻器及電機繼續運行于交流電源工作狀態，充電器給蓄電池充電，完成一次電源失電切換過程。觸摸屏顯示并記錄停電及恢復供電的時刻。

六、經濟分析、效益預測及社會效益預測
直接經濟效益
工廠發生一次變頻器跳閘事件會造成很大的經濟損失和危險。少則上百萬，多則上億，這樣對工廠的正常運行產生很大的經濟影響。采用直流支撐系統后徹底消除因供電故障引起的電機跳閘事故，保障電機安全穩定的運行，挽回了大量由于電網晃電造成的經濟損失，更重要的是投資成本相對較低。
社會效益
根據調查表明，在供電穩定性和可靠性要求非常高的企業(例如：石油化工，鋼鐵，化纖)中，關鍵設備中電動機(如泵類，攪拌機，風機)，運行中常常由于電氣控制系統發生故障而突然停機，引起連續生產中斷、堵料、設備溫度急劇升高、工作壓力失控、有毒氣體外泄、主設備損壞，甚至造成整個生產線非計劃停車，直流支撐系統可以很好解決這些問題，保障電機連續、安全、穩定的運行，能為用戶挽回巨大的經濟損失。這一研究思想是全新的，成果具有明顯的創新性和實用性，在國內外均處領先地位，并具有非常廣闊的推廣應用前景。

七、公司業績
成功案例：上海高橋石化化工廠
6萬噸苯酚裝置 244kw 6 回路 MUPS
4.5萬噸苯酚裝置 133kw 8 回路 MUPS

成功案例：上海高橋石化漕涇化工區
20萬噸苯酚丙酮裝置 725kw 9 回路 MUPS
成功案例：上海廣電住金微電子
變頻器電控柜 4 x 18.5kw MUPS

成功案例：洛陽石化化纖廠
短絲1#線驟冷風機 132KW MUPS
270kw 88 回路 DC-BANK
成功案例：珠海ＢＰ化工有限公司
變頻器電控柜 1500kw
成功案例：揚子石化熱電廠
變頻器電控