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电能质量对生产制造可靠性的影响

来源:控制工程网2020.11.10阅读 1825

  拿我们熟悉的场景为例:生产制造过程已启动,正常运行,生产的产品没有瑕疵,持续数天或数周后,报警指示灯闪烁(也可能不闪烁),生产中断……中断可能持续数小时。必须对生产线进行清洁和重置。生产过程中已经使用的材料很可能无法使用。生产调度受到影响www.cechina.cn,时间浪费了,产品报废了www.cechina.cn,资金也损失了。
  发生什么事了?许多人可能会认为电气事件是一次电力浪涌、停电或短暂的电力事故,这是含糊不清的术语。在电力工业中,有关于瞬间完全失去电压或瞬间电压下降的精确定义是——中断或电压骤降。图1说明了这两者在影响程度上的差异。

图1 :电压骤降与电压中断的比较。蓝色阴影区域代表电压骤降幅度:额定电压的90%至10% ;而红色区域代表电压中断:额定电压的10%及以下。本文图片来源:EPRI

  电压骤降和中断的区别
  当系统所提供的电压短暂下降到额定电压的90%以下时(例如,蓝色区域,对于120V的系统而言就是108V),就是电压骤降。如果电压降至额定值的10%或以下(红色区域,对于120V的系统而言就是12V),则发生电力中断。美国电力研究院(EPRI)的研究显示:几乎所有的电压骤降,持续时间都在1秒以内——大多数在0.5秒之内,并且在大多数情况下,下降幅度都超过额定电压的50%。
  电压骤降具有一定的幅度——剩余电压为额定电压的多少,以及电压骤降持续的时间。图2显示了60Hz的三相电压波形和测得的均方根(RMS)电压曲线。在上面的图中,蓝线的“通道1”,代表A相(其它的则为B相和C相),显示了比1个周期稍长(60Hz时,每秒60个周期)的波形抖动。在下面的图中,在很短的时间间隔内,电压最低下降至约为额定电压的25%,即68V左右。整个事件发生在0.04秒以内。

图2:电压波形和RMS值随时间的变化:配电系统中的瞬时短路,会导致电压瞬降。

  风暴以及动物对地面电气系统的破坏,是造成电力中断和电压骤降事件的常见原因。连接到变电站变压器二次侧的多个配电馈线电路CONTROL ENGINEERING China版权所有,有点类似于一只手(变压器二次侧)和伸出的手指(配电馈线电路)。这些分配电路(手指)可能会延伸数十英里。如果树枝碰到其中一个馈线(在暴风雨中很可能发生这种情况),则该馈线可能会在单相或多相对地之间、或两相之间出现短路(称为故障)。连接到该变电站变压器二次侧(手)的所有其它馈线(手指),也将会经历电压骤降,根据实际情况的不同,可能会下降到额定电压的10%以下。
  短路馈线上的断路器可能会动作以中断故障,从而断开下游负载,这就是服务中断。但是,一旦受影响馈线上的断路器断开,则其它馈线上的电压骤降就会终止。无论程度如何,电压骤降都可能非常短暂。根据所设置的断路器重新连接特性以及故障的性质,故障馈线上的中断也可能是短暂的。
  为什么电压骤降对工业设备而言是一个问题,为什么工业控件对电压骤降敏感?
  工业控件的固有敏感性
  在美国,大多数电气设备都设计为可以在为额定电压±10%的稳态电压下工作。因此www.cechina.cn,假定工作电压是恒定的(尽管有时不太恒定的)。在美国,很久以来工业控制被设计为120V交流电压。
  图3显示了一个示例,其中的压降控制电源变压器(CPT)的相间连接。在控制电路内,是一个紧急切断电路(EMO),带有一个交流先导继电器,向主接触器线圈提供120V电压,进而为过程提供电源。交流控件通常不存储能量。交流电压以60Hz的频率CONTROL ENGINEERING China版权所有,每秒变为零120次。因此www.cechina.cn,在电压骤降期间,也没有什么可以防止控制电压下降。当控件停止运行时,该过程停止。

图3:典型的交流控制示意图:控制电源变压器(CPT)为继电器、接触器、PLC电源和I/O等控制组件供电。可能还有其它组件,例如直流电源和变速驱动器(ASD)。 

  由于控制组件很敏感,容易受到电压骤降影响,所以一旦发生控制就会停止。只需一个即可使过程停止。在上述情况下,交流先导继电器,通常在额定电压的70%处打开,与足够低电压具有相同的效果,就像有人按下了紧急停机按钮一样。
  其它可能的敏感组件,包括但不限于可编程逻辑控制器(PLC)电源(或其它直流电源)、I/O、变速驱动器和其它接触器。在设备内部有多个过程时,特定控制电路可以从不同阶段开始供电。根据电压骤降发生阶段的不同,过程可能会在不同时点停止。
  过程控制中的有些部件,对电源电压的瞬时降低,具有固有的敏感性,正是它们导致了工业过程对电能质量事件非常敏感。这些电压瞬降,通常是由地上配电系统事件引起的,这些事件会造成地对地或相间短路。了解过程对电压骤降的敏感性问题的根源,对于确定该问题的可能解决方案很重要。
  提升电能质量
  解决电能质量问题,有助于企业增加正常运行时间,提升生产运营的可靠性。下面是提升电能质量的几个建议:
  ●了解您的电能质量环境,制定适合您情况的解决方案;
  ●不要假设需要使用基于电池的不间断电源系统; 
  ●避免在控件中使用敏感的交流组件;
  ●使用符合IEEE1668或SEMIF47的基于交流或直流的控件来嵌入鲁棒性;
  ●在电机驱动系统设置中配置电压过渡。 (作者:Mark Stephens)
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