工厂低电压解决方案

工业电动机变频器技术改造
-----确保电网瞬时低电压时变频器正常工作
一、目前存在的问题
随着电力电子技术的发展,变频器以其调速精确、使用简单、保护功能齐全等优点逐步代替传统的调速控制装置而得到广泛应用;但由于国内某些工厂的电网电压不稳定，导致变频器在使用中产生了新的问题—变频器低压跳闸。低电压通常都是短时的,对传统的控制系统影响较小，而对变频器则会产生低压跳闸导致电机停止，影响生产。
变频器低电压主要是指中间直流回路的低电压，一般能引起中间直流回路的低电压的原因来自两个方面：
（1）、来自电源输入侧的低电压
正常情况下的电源电压380V，允许误差为-5%~+10%，经三相桥式全波整流后中间直流的电压值为513V，个别情况下电源线电压较小的电压波动，也不会造成变频器的低电压跳闸。电源输入侧的低电压主要是由于电网电压的波动或主电力线切换；雷击使电源正弦波幅值受影响；电厂本身的变压器超载、负荷不平衡。
（2）、来自负载侧的低电压
大型设备启动和应用；
线路过载；
启动大型电动机等；
从电源输入侧和负载侧来解决此问题是不现实的，我们从变频器本身着手，
采用直流支撑技术(在变频器直流侧加不间断直流电源提高变频器的低电压跨越能力)来解决目前工厂面临的问题。采用此技术可确保：
(1)、厂用交流电源低电压时,变频器还能正常工作。
(2)、备自投切换过程中确保变频器正常工作。
二、技术关键:
变频器是由整流器和逆变器两部分组成。通过对变频器的研究，变频器低电压指其中间直流回路低电压(即逆变器输入电压过低)。一般的变频器都具有过压、失压和瞬间停电的保护功能。变频器的逆变器件为GTR时，一旦失压或停电，控制电路将停止向驱动电路输出信号，使驱动电路和GTR全部停止工作，电动机将处于自由制动状态。逆变器件为IGBT时，在失压或停电后，将允许变频器继续工作一个短时间td，若失压或停电时间to＜td，变频器将平稳过度运行；若失压或停电时间to＞td ，变频器自我保护停止运行。一般td都在15～25ms,只要电源“晃电”较为强烈，to都在几秒钟以上，变频器自我保护停止运行，使电动机停止运行。
从电压跌落到变频器恢复正常运行，时间至少几十秒钟，此过程中电机会停止运行，严重影响工厂的正常运行,针对该问题我们采用直流支撑技术，通过整流装置、蓄电池组和各直流回路，对各变频器的直流母线供电，并通过PT传感器、开关量数据采集等输入PLC，编程控制各直流回路的开合、静态开关的导通等，当电网发生晃电甚至停电时，保障变频器连续、稳定、安全运行一定的时间，从而大幅度减少电网电压波动对变频器产生的影响，进而保障整个工厂电气设备安全度过晃电期。
1、直流支撑系统的原理
1)、单台电机工作原理图：

VVVF:变频器，由AC/DC整流器、DC/AC逆变器等组成
系统由电池组、充电器、静态开关、控制器等组成
SS:静态开关
M:电动机
针对工厂的实际情况,我们决定采用多台电机工作模式
2）、下图是多台电机的工作模式图
多台电机工作模式：
M1，M2，M3同时设计于同一控制系统中为低压电机群的工作模式；

检修模式：
以下为检修模式的示意图

VVVF1检修，VVVF2和VVVF3处于工作模式，直流由SS和直流熔断器等隔离。

2、本系统的工作模式
本系统有三种工作模式：
1)、正常工作模式：由电网通过具有双变换及软起动功能的VVVF驱动电动机，充电器对电池浮充电。
2)、断电工作模式：静态开关导通，电池通过VVVF驱动电动机；电网恢复，系统自动恢复正常工作。转换过程不断电。
3)、检修工作模式：每个回路相对独立，n台PLC分路独立管理n台VVVF，并对直流系统监控。
在工作现场通常都是电机群，我们只需设计一套系统就可以解决问题。
3、本系统的控制逻辑：

虚线框内为直流支撑系统
上图为直流支撑系统与变频器控制逻辑简图
逻辑控制说明
1． 变频器启动；停止控制逻辑
根据变频器的原理，变频器在交流供电或直流供电正常情况下在接受到启动接点指令后，即可投入运行。在变频器正常运行后有一反映变频器运行状态的接点信号闭合。变频器运行调速指令由DCS 或PLC 送来的4－20mA 模拟信号实现。
2．直流支撑系统与变频器的逻辑配合
（1）直流支撑系统的组成
a. 直流电源 b. 回路保护开关 c. 回路静态开关
d. 回路直流接触器 e. 控制PLC f. 母线电压监测继电器
（2）该系统的PLC 控制逻辑
a. 控制PLC 输入逻辑条件有：变频器运行状态接点信号，母线电压监测信号。同时可能还有现场的一些闭锁信号。
b. 控制PLC 输出逻辑条件有：变频器运行正常且一些闭锁信号未给出保护动作信号时,直流接触器合上,直流支撑系统处于热备用状态,否则直流接触器断开，直流支撑系统处于冷备用。变频器运行正常时，母线电压<350VAC(可调节)且闭锁信号未给出保护动作信号时,PLC向静态开关送出24VDC控制电压,静态开关导通；母线电压恢复时，PLC撤出静态开关闭锁指令。
c. 母线电压正常条件下直流支撑系统投入过程
变频器电源端送入正常电压，变频器受电，内部CPU 准备运行；控制设备，DCS 或PLC 或控制继电器送来启动运行指令。电机按模拟控制4－20mA 电流决定变频器拖动电机的运行转速；等到系统正常运行后变频器状态接点闭合。
直流支撑系统控制PLC 接受到变频器运行状态指令后，向直流接触器 MF 发出合闸指令，如果该回路的空开QF 合闸，这时该回路在热备份状态。本次操作结束。
d. 变频器电源失电，PLC 及静态开关都测到变频器失电信息。
1） PLC 测到了母线电压＜350VAC 信号而发出静态开关合闸指令。
2） 静态开关测到变频器直流母线电压＜460VAC 而快速导通。
变频器电力迅速由母线供电转入直流支撑系统供电。变频器保持连续不间断运行。
e. 变频器电源供电恢复时其直流环节的电压应立刻上升；母线电压恢复使得PLC 重新得到电压正常信号而撤出静态开关闭锁指令。当变频器直流母线电压>直流支撑系统母线电压，并且PLC撤出闭锁指令后静态开关立即关闭。电机在这一过程中仍然保持不间断运行。在充电器作用下对放过电的电池组补充电。
f. 母线电压连续在85％（该值可以重新设定）上下波动。母线电压一旦 <350VAC（>85％）直流支撑系统即自动投入,由蓄电池直接向变频器的直流母线供电。母线恢复正常值后PLC 延时2s 才撤出静态开关闭锁信号。
g. 根据用户工艺条件，在蓄电池供电数秒钟后PLC自行切断直流接触器，具体延时多长时间可在调试时确定。
3． 系统安全性
1）直流支撑系统与变频器组成的电机不停电系统具有可靠的系统安全性。该供电系统与变频器是分布式结构，该供电系统应用后完全不影响原有变频器的使用方式及性能，在母线电压正常时该系统仅作为后备电源。这时候直流支撑系统的退出，投入不会对原变频器产生任何影响。
2）该系统与变频器之间有十分可靠的隔离保护设计，当一台变频器出现故障，不会影响其它变频器正常运行。
3）在检测维修时，每回路直流支撑系统均可单独与母线分离，以便于维修。
4）HMI上备有保护变频器母线电压晃电、失电、充电压实时纪录，
运行工程师可在事后在HMI 上查询纪录精度在秒。
&sup2; 控制部分我们可以根据用户的要求采用RTU模块,来采集现场信号和控制我们的DC-BANK系统。同时RTU还有多种电动机的微机保护功能，可以实现对电动机的多重保护。
利用RTU来实现智能控制系统可以实现以下几个功能
1、进行线路的监测，实现遥控（分合、启停、正反转等）、遥测（电压、电流、功率、频率、功率因数等）、遥信（反映各种开关量状态）等功能。通过RS485和上位机软件一起构建SCADA系统。
2、进行三相电动机微机保护，实时监测电机运行状态（如启停、正反转、电流、电压、功率、功率因数、频率、温度等），对电机进行多种保护（过流、过压、过载、欠压、堵转、零序、负序等保护）。
3、GPS对时：接入GPS时钟信号，统一系统时钟，并向控制终端发送对时命令；可支持多种通讯规约、多种通讯通道。
4、具有SOE功能
采用RTU来实现控制系统，功能齐全、方案简洁，具有高可靠性、高集成度，分布式安装和控制，易扩展、开放性好。

4、性能特点
结构合理可靠
该系统直接向VVVF提供直流电源。和传统的UPS相比，减少了AC/DC、DC/AC 两次变换，硬件费用减少，可靠性提高。
常规UPS整流充电器与变频器处于串联状态，既要对电池充电，还须向逆变器提供额定直流功率，而此系统的充电器处于并联状态，平时只对电池浮充电，成本低，可靠性高。
直流支撑系统不影响原来设备的全部工作状态。
电动机享有VVVF的软启动、调速等功能，并具备短路、接地故障和过载等保护特性。
充电器具有稳压、限流功能。
直流支撑系统的相关参数可以记录、储存和显示。
采用方便检修维护的模块化结构，并联使用。系统各回路完全独立，检修某回路VVVF及其控制保护电路等，不影响其他回路工作。
系统相关部件采用IGBT逆变功率器件和微处理器控制。
静态开关采用在线跟踪和电压自动监控，保证主电源电压波动和失电时，系统瞬时切换到电池供电,变频器的输出频率没有变化。
三、设备及系统配置
1、实验条件
现有实验条件：
一路380V/60A 3P+N+PE电源.
被保护变频器的状态干节点信号
被保护变频器电源状态的PT取信号电源。
一些保护的闭锁信号
其他电气设备的工作状态信号(根据需要)
被保护变频器二次接线图。
有关的工程设计条件。包括被保护变频器盘内布置图。
2、直流支撑系统主要设备
1、 蓄电池
1) 蓄电池采用免维护阀控式全密封铅酸电池。
2) 蓄电池的使用寿命为7~12年。
2、整流器
整流器的功率逆变管采用进口快速IGBT，其余元件采用进口工业等级器件，生产工艺严格完整，保证机器的可靠性和稳定性。输出电压和电流均可连续调节。具有强大的保护功能(输入过流、过压、欠压保护；输出短路，过流，过压保护；整机过热保护)。
3、静态开关
静态开关采用大功率器件组成直流电子开关。当电网供电正常时，开关处于关断状态，切断电池组与变频器的通路，防止电池组在浮充电或均充电时，因端电压高于交流进线经整流后输出的直流电压引起频繁放电；当交流电源低于变频器低压保护值时(以变频器的品牌而定)，监控系统触发直流电子开关瞬间导通，可以做到变频器由交流供电和由电池组供电的瞬时转换。
静态开关工作条件
截止条件：变频器没有运行或变频器运行且母线电压正常。
导通条件：变频器运行且电网晃电或停电(备自投切换时)。
4、智能控制系统
根据需要用一台或多台可编程控制器和HMI(触摸屏)组成带有人机操作界面的监控系统，其功能为：充电模块输出电压设定，充电电流限值设定，本系统的起停操作，运行参数显示，变频器工作状态显示，故障报警存储以及按需要和上位机通讯实现四遥功能。
系统监控由系统控制器、切换控制器、电池检测器及分路检测器等主要部件组成，各部件均有单片机进行控制，监控系统是通过RS485进行数字化连接以完成系统的通信与控制。各部件主要功能如下：
1) 系统控制器：实现人机交流、系统参数显示、系统指示、系统设置、历史事件的存储及远程通信等功能。
2) 切换控制器：负责系统各路电压及市电的监测以实现系统安全可靠快速的切换。
3) 电池检测器：负责电池自动化管理和及监测。
4) 分路检测器：负责输出各分路的负载状况(正常、开路、短路、未装等)的检测。
5、安全保护
此系统都是安装在配电柜内的。配电柜符合IP20要求，由能承受一定机械应力、电气应力及热应力材料构成。
3、直流支撑系统的主要配置
1、系统组成
1）、设备基本参数:
—蓄电池的输出功率根据现扬的设备功率决定。
—直流输出回路由现场被保护的变频器的数量决定。
—电池放电时间：根据现扬的工作要求。
2）、设备基本组成及柜体安排
整流器柜、直流控制柜、蓄电池柜。
柜体具体安排：
—ZL柜；冗余高频DC 530V/10A 2台充电器、含有HMI屏的系统测控。AC/DC 24V、 DC/DC 24V构成冗余的控制电源、系统变压器、
—CA柜有多条直流支撑回路，每一条支撑回路中，含有静态开关、直流接触器、直流熔断器、直流隔离模块，光电检测继电器、PLC公用等
每台变频器由一个静态开关来控制.。
各柜有自己独立的PLC系统，与HMI采用串行通讯的方法传递数据。
--柜体安排：根据现场现有的施工条件。
a、将系统的全部柜体集中定位在所有被保护变频器相对最中心的位置的那台机组的控制室中，支撑系统分别与每一个变频器连接。
b、根据现场提供的条件，合理安排柜体的位置。
3)、方案的最终确定实施时：
我们会提供：
设备就位的平面布置图。
设备基础安装图。
电气条件图、设备荷重图各一份，可用电子版发送。
2、系统指标：
1）、输入电压：380 + 10%VAC，3P+N+PE 频率：50HZ + 1%。
2）、结构要求
a 每组直流电源柜为落地安装式，防护等级：IP20
b 进出线方式：下进下出线或按现场要求。
c 电控柜尺寸：800×600×2200（W×D×H） 前后开门
电池柜尺寸：1320×600×2200 （W×D×H）
d 整流器柜体顶部加装2个风扇，下侧设有带滤网的进风口。
e 每个柜均有铭牌，标明其功能。
3、功能要求
1） 当变频器交流进线电源故障（失压或短时停电）时，变频器在该系统保护下，在设计时间内连续正常运转。
2）直流支撑系统在线工作，变频器供电电源由交流三相380V转至直流530V供电时无间断。
3） 电池组的备用时间根据设计，不少于10分钟(暂定)。
4） 在电池组放电过程中,若三相电源恢复正常,则变频器供电自动切换至三相380V交流电源。
5） 进线电源停电超过一定时间，应自动分断直流接触器，变频器停止工作。（主要是防止设备出现故障的保护动作信号）
6） 具备系统自诊断及故障显示功能。
7） 为延长蓄电池的使用寿命,充电系统具备“均充”与“浮充”功能，且能自动转换。均充电压应达到560V，浮充电压应达到530V(HMI可调)。在正常操作期间，电池应处于浮充状态。
8） 电池组具备以下功能：
定时均充：即在每隔1-3个月（HMI可设定）自动均充一次。
欠压均充：即电池放电至欠压时，自动进行均充（交流正常时）
9） 具备各种工作状态指示灯。
四、直流支撑系统的安装：
1、安装要求
1）、设备安装时要充分考虑安装位置，包括柜外、柜间接线。
2）、工厂要负责现场作业协调组织工作，并为工厂工程人员工作提供方便。
3）、对工厂提供的现场条件，在安装二周前进行实地考察协调并与工厂共同制定工程计划。
4）、工厂需提供所有的系统内柜间电缆。工厂承担被保护变频器的电缆。
2、系统的安装环境要求：
使用场所：户内
使用环境：无爆炸性气体及粉尘
环境温度：-10℃ — +40℃；电池室5℃--30℃
相对湿度：90%未结露
海拔高度：1000米以下
3、安装标准及规范
GB17478-1998 低压直流电源设备的输出性能特性和安全要求
JB/T8948-1999 电控设备用低压直流电源
B4208-1993 外壳保护等级（IP代码）
GB4026-1992 设备接线端子和规定电线端鉴别标志以及、文字和数字系统一般应用原则
GB50150-91 电气装置安装工程电气设备交接试验
GB50168-92 电气装置安装工程电气电缆线路施工及验收
GB50172-92 电气装置安装工程蓄电池施工及验收规范
GB50254-92 电气装置安装工程低压电器施工及验收
GB50171-92 电气装置安装工程盘、柜及二次回路结线施工及验收规范
五、该项目实施的最终结果
在电机规定的负荷下做2次断电试验，间隔24小时，支持时间均应为3秒钟(暂定)。
在变频器工作正常的情况下，切断三相交流输入电源，系统自动切换成直流供电，保证受保护的变频器及电机不间断运行在工厂要求的时间内。其中，变频器显示的频率保持恒定，没有任何变化。然后送上三相交流电源，受保护的变频器及电机继续运行于交流电源工作状态，充电器给蓄电池充电，完成一次电源失电切换过程。触摸屏显示并记录停电及恢复供电的时刻。

六、经济分析、效益预测及社会效益预测
直接经济效益
工厂发生一次变频器跳闸事件会造成很大的经济损失和危险。少则上百万，多则上亿，这样对工厂的正常运行产生很大的经济影响。采用直流支撑系统后彻底消除因供电故障引起的电机跳闸事故，保障电机安全稳定的运行，挽回了大量由于电网晃电造成的经济损失，更重要的是投资成本相对较低。
社会效益
根据调查表明，在供电稳定性和可靠性要求非常高的企业(例如：石油化工，钢铁，化纤)中，关键设备中电动机(如泵类，搅拌机，风机)，运行中常常由于电气控制系统发生故障而突然停机，引起连续生产中断、堵料、设备温度急剧升高、工作压力失控、有毒气体外泄、主设备损坏，甚至造成整个生产线非计划停车，直流支撑系统可以很好解决这些问题，保障电机连续、安全、稳定的运行，能为用户挽回巨大的经济损失。这一研究思想是全新的，成果具有明显的创新性和实用性，在国内外均处领先地位，并具有非常广阔的推广应用前景。

七、公司业绩
成功案例：上海高桥石化化工厂
6万吨苯酚装置 244kw 6 回路 MUPS
4.5万吨苯酚装置 133kw 8 回路 MUPS

成功案例：上海高桥石化漕泾化工区
20万吨苯酚丙酮装置 725kw 9 回路 MUPS
成功案例：上海广电住金微电子
变频器电控柜 4 x 18.5kw MUPS

成功案例：洛阳石化化纤厂
短丝1#线骤冷风机 132KW MUPS
270kw 88 回路 DC-BANK
成功案例：珠海ＢＰ化工有限公司
变频器电控柜 1500kw
成功案例：扬子石化热电厂
变频器电控柜157.6KW