動(dòng)力設(shè)備抗晃電能力提升研究

沈康

摘? 要：在工廠動(dòng)力設(shè)備正常運(yùn)作過程中，晃電常會(huì)引起工廠設(shè)備報(bào)警及宕機(jī)，且造成一系列的連鎖反應(yīng)，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。但是晃電的出現(xiàn)具備較強(qiáng)的隨機(jī)性，無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，為了保障有序生產(chǎn)，推進(jìn)動(dòng)力設(shè)備抗晃電能力治理工作成為工廠著力的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：電壓暫降;動(dòng)力設(shè)備;抗晃電;變頻技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM762? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著國(guó)家“智能制造”的整體策略不斷推行以及國(guó)內(nèi)制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化程度正在不斷提升，“無人工廠”等系列先進(jìn)制造業(yè)的代名詞時(shí)常會(huì)被提起，而有“呼之欲出”的趨勢(shì)。眾所周知，工業(yè)自動(dòng)化少不了那些自動(dòng)化產(chǎn)品，而先進(jìn)電力電子技術(shù)轉(zhuǎn)換的各類自動(dòng)化產(chǎn)品也為工廠運(yùn)營(yíng)發(fā)展提供了重要的作用。從運(yùn)維角度分析，電力電子技術(shù)組合的“敏感性”設(shè)備設(shè)施的抗晃電能力需要進(jìn)一步提升，如何抵御晃電產(chǎn)生的危害就成了需要持續(xù)研究的課題。

數(shù)據(jù)顯示，作為國(guó)內(nèi)第一條5代液晶面板的生產(chǎn)基地，工廠籌建于2003年，工廠內(nèi)配備著大量“高精尖，高敏感，高價(jià)值”的生產(chǎn)及輔助設(shè)備。據(jù)內(nèi)部統(tǒng)計(jì)，2011年～2017年期間，電壓暫降型晃電直接影響生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)68次，直接造成經(jīng)濟(jì)損失約860余萬，導(dǎo)致間接影響交付納期、內(nèi)部氛圍、作業(yè)安全等諸多問題。

1 晃電的成因與危害

1.1 晃電成因

工廠晃電主要指電力系統(tǒng)中某點(diǎn)工頻電壓有效值持續(xù)10 ms～1 min降低至額定電壓的10%～90%時(shí)的電壓暫降（如圖1所示），且可以分為2種原因。

供給側(cè)原因：主要為工廠外部電力設(shè)備設(shè)施引起的晃電（如雷擊、極端氣候、動(dòng)物、人為非正常操作、輸配電系統(tǒng)故障等）。從“大電網(wǎng)”的概念來說，電力公司多年一直在做系統(tǒng)性升級(jí)改善，成效明顯，但是整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)難免遭受各類外部干擾波及影響，所以這方面是存在不可控的窘境。

需求側(cè)原因：主要為工廠內(nèi)部設(shè)施設(shè)備引起的晃電（如內(nèi)部設(shè)備短路、大型感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)、沖擊性負(fù)載的投運(yùn)等）。對(duì)此產(chǎn)生影響的設(shè)備則是需要治理，特別是對(duì)于老企業(yè)來說此類問題更需要預(yù)防性治理。

1.2 晃電危害

晃電涉及電壓暫降和暫升，電壓暫升對(duì)于動(dòng)力設(shè)備的影響有限，但是電壓暫降到一定程度，動(dòng)力設(shè)備停機(jī)將會(huì)造成連續(xù)性生產(chǎn)中斷，設(shè)備損壞，產(chǎn)生大量的次品廢品，給工廠帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。而根據(jù)EPRI（美國(guó)電科院）權(quán)威數(shù)據(jù)，日常發(fā)生的電壓暫降、暫升占到電能質(zhì)量事件92%。據(jù)統(tǒng)計(jì)電力系統(tǒng)中用戶側(cè)發(fā)生電壓暫降時(shí)間的次數(shù)遠(yuǎn)大于停電次數(shù)，至少是6倍以上[2]，所以電壓暫降型晃電產(chǎn)生的危害性相對(duì)較大，值得針對(duì)性治理。

1.2.1 設(shè)備運(yùn)行影響

對(duì)于動(dòng)力設(shè)備來說，雖然晃電持續(xù)時(shí)間一般在毫秒內(nèi)，晃電消失后恢復(fù)正常，但是可能會(huì)觸發(fā)保護(hù)性報(bào)警而停機(jī)，設(shè)備運(yùn)作節(jié)拍打亂而中斷，甚至二次能源供給波動(dòng)將導(dǎo)致大規(guī)模停機(jī)，復(fù)機(jī)恢復(fù)至少需60 min以上（在沒有設(shè)備設(shè)施損壞的條件下）。對(duì)于液晶面板制造工廠，無論是生產(chǎn)計(jì)劃完成，還是經(jīng)營(yíng)目標(biāo)達(dá)成都存在嚴(yán)重的影響。模擬驗(yàn)證結(jié)果（表1），可見變頻器等應(yīng)對(duì)晃電能力較差[3]。

1.2.2 傳導(dǎo)特性影響

當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的某線路出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致相連的多條線發(fā)生電壓暫降現(xiàn)象。也就是說，當(dāng)系統(tǒng)任意一點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，從故障點(diǎn)起，電壓暫降會(huì)向多條線“傳播”。通常來說，距離故障點(diǎn)越近，暫降幅度越低，距離故障點(diǎn)越遠(yuǎn)，暫降幅度越高，所以必然導(dǎo)致影響面擴(kuò)大，且不可預(yù)見性增大了控制的難度[4]。

2 供電系統(tǒng)與變頻技術(shù)背景

2.1 供電系統(tǒng)現(xiàn)狀

評(píng)估供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為4條35 kV供電線路，每路35 kV/6 kV分別供2段母線，在6 kV側(cè)的8段母線之間安裝4套固體靜態(tài)切換開關(guān)（SSTS1#-4#），實(shí)現(xiàn)供電線路<20ms的快速切換，生產(chǎn)工藝負(fù)載接入在各SSTS及UPS保護(hù)下，而常規(guī)動(dòng)力設(shè)備由8條母線直接供給，晃電時(shí)無直接保護(hù)功能，如圖2所示。

2.2 變頻技術(shù)應(yīng)用

隨著電力電子器件不斷地更新迭代以及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展， 高性能交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用的比例逐年上升， 變頻器使復(fù)雜的調(diào)速控制簡(jiǎn)單化，小型化，使傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展到新階段。

液晶面板產(chǎn)業(yè)作為一個(gè)高能耗，高排放，高投入的行業(yè)，投資不菲的動(dòng)力設(shè)備為了滿足精準(zhǔn)的生產(chǎn)需求，響應(yīng)節(jié)能降耗的號(hào)召，生產(chǎn)過程中涉及的工藝除害、排氣、冷熱源供給、水處理應(yīng)用、空氣壓縮以及生產(chǎn)真空供給等各個(gè)環(huán)節(jié)中大量應(yīng)用變頻器，在穩(wěn)定運(yùn)行、節(jié)能降耗方面充分體現(xiàn)了其優(yōu)勢(shì)。

但是隨著投運(yùn)近16年，不間斷運(yùn)行部分設(shè)備已經(jīng)老化，運(yùn)行性能急劇下將，自身的“健康”程度亟待關(guān)注。同時(shí)由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)的局限性，變頻類設(shè)備存在軟肋，如動(dòng)力/控制電源不在SSTS及UPS的保護(hù)范圍內(nèi)，發(fā)生晃電時(shí)，變頻器易受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響而跳閘停機(jī)[5]，影響正常生產(chǎn)作業(yè)。

3 抗晃電措施應(yīng)用分析

結(jié)合歷史晃電記錄分析（參考semiF47標(biāo)準(zhǔn)），14～18年歷史數(shù)據(jù)顯示，80%晃電的電壓跌<30%，持續(xù)時(shí)間<100 ms，設(shè)想以此策劃提升動(dòng)力設(shè)備的抗晃電能力。

雖然各系統(tǒng)的變頻器型號(hào)不一，但是工作機(jī)理一致，組織研究一款普及應(yīng)用型號(hào)，推動(dòng)橫向執(zhí)行改善。以下研究以三菱400V_FR_F700系列為例，針對(duì)變頻調(diào)速的工作參數(shù)、運(yùn)行條件、參數(shù)設(shè)定進(jìn)行研究，尋求提升抗晃電能力的優(yōu)化方法。

3.1 變頻調(diào)速運(yùn)行條件分析

變頻裝置具有IGBT等功率性的元器件，通常有一定的過載能力，當(dāng)?shù)碗妷悍容^小，持續(xù)時(shí)間較短時(shí)（t0t），變頻器的開關(guān)電源無法起振，控制電源的輸出停止或輸出功率下降，才會(huì)造成變頻器控制系統(tǒng)發(fā)生紊亂，功率器件不能關(guān)斷，給變頻器造成運(yùn)行問題。隨即變頻器保護(hù)動(dòng)作，使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行[6]。

以工廠動(dòng)力設(shè)備冷卻水三菱變頻器為例，額定輸入交流電壓：3相380 V～480 V，允許波動(dòng)范圍323 V～528 V，在額定運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)速器允許15%以內(nèi)暫降是不受影響可持續(xù)輸出運(yùn)行。

3.2 變頻調(diào)速器設(shè)定參數(shù)分析

查閱手冊(cè)及文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)變頻器運(yùn)行指令具備“特殊”功能，在晃電發(fā)生時(shí)（暫降≤15%），只要關(guān)鍵運(yùn)行指令合理設(shè)定參數(shù)，就可實(shí)現(xiàn)電機(jī)停止后電機(jī)再啟動(dòng)（瞬間停電再啟動(dòng)）系列參數(shù)（例如：Pr.57， Pr.58， Pr.162～165，Pr.299， Pr.611等），是存在優(yōu)化調(diào)整的可行性。

3.3 抗晃電應(yīng)用

3.3.1 保護(hù)-整機(jī)保護(hù)

對(duì)系統(tǒng)功能、影響范圍進(jìn)行梳理，著手推進(jìn)一批以“生產(chǎn)真空”變頻調(diào)速先行設(shè)備的整機(jī)保護(hù)，變頻柜主回路、控制回路由德廣3E486母排進(jìn)線改造成600 kVA大型UPS系統(tǒng)進(jìn)線。

UPS 抗晃電系統(tǒng)是解決晃電比較好的一種技術(shù)[7]。該方案主要是針對(duì)功率大且集中型設(shè)備設(shè)施，施工工藝也比較方便，當(dāng)然也要衡量UPS剩余容量及其他負(fù)載重要程度可推廣。保證在系統(tǒng)發(fā)生晃電時(shí)，動(dòng)力設(shè)備能夠依靠UPS提供的可靠電源正常工作[8]。

3.3.2 控制盤柜控制電源保護(hù)

評(píng)估動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行信號(hào)都來自于遠(yuǎn)程控制或者柜內(nèi)控制賦予（邏輯判斷控制器、過程控制器等一系列等中間部品），中間部品容量較小且分散，所以設(shè)計(jì)常規(guī)1 kVA～3 kVA小型UPS即可達(dá)成保護(hù)。

以水處理系統(tǒng)為例，針對(duì)日系電壓等級(jí)為100 V，國(guó)內(nèi)常規(guī)小型UPS無法直接接入。設(shè)計(jì)采用2個(gè)變壓器，先將輸入AC100V通過升壓變壓器升壓至AC220V，供UPS運(yùn)行，UPS輸出電壓AC220V還需通過一個(gè)降壓變壓器降壓至AC100V，最后為設(shè)備控制回路供電。

通過上述方法解決了日系電壓?jiǎn)栴}，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)正常供電暫降時(shí)，將蓄電池輸出的直流變換成交流持續(xù)供電，裝設(shè)UPS電源后可以充分利用其功能特點(diǎn)，預(yù)防因欠壓而跳停的缺點(diǎn)，維持正常工作并保護(hù)軟、硬件不受損壞，保證控制設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。

3.3.3 變頻調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化

針對(duì)晃電時(shí)造成冷卻水、冷凍機(jī)變頻器異常的問題，經(jīng)過查詢資料，咨詢變頻器廠家通過現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)后，具體參數(shù)調(diào)整如下所述。

3.3.3.1 設(shè)置自動(dòng)再起動(dòng)功能

根據(jù)工藝流程性質(zhì)，結(jié)合變頻器參數(shù)以及控制系統(tǒng)狀況，采取相應(yīng)的措施來預(yù)防晃電對(duì)其的危害，保證變頻器安全穩(wěn)定的工作。設(shè)置變頻器自動(dòng)再起動(dòng)功能有效預(yù)防欠電壓對(duì)變頻器的影響。其設(shè)計(jì)就是變頻器在失電后，濾波電容器放電，逆變器控制電源失電時(shí)能夠自動(dòng)復(fù)位。

Pr.162： 0→0;Pr.57：9999→0 ;Pr.58：1→0.5;

Pr.611： 55 kW以下 5→3; 75 kW以上15→10

3.3.3.2 調(diào)低低電壓保護(hù)值，延長(zhǎng)控制設(shè)備的加速時(shí)間

核對(duì)設(shè)定，原供電電源降到其額定值的90%左右時(shí)，變頻器即可發(fā)生跳停，根據(jù)其說明書適當(dāng)調(diào)低變頻器低電壓保護(hù)值80%，同時(shí)針對(duì)變頻器控制的電氣設(shè)備加速時(shí)間短，加速度高，電源電壓會(huì)被很快拉低，導(dǎo)致變頻器欠電壓而跳停，因此可根據(jù)生產(chǎn)工藝需求，適當(dāng)延長(zhǎng)變頻器所控制設(shè)備的加速時(shí)間，降低電網(wǎng)出現(xiàn)降壓對(duì)變頻器的影響，如果使用了PID技術(shù)控制器，注意降低系統(tǒng)響應(yīng)，減P設(shè)80加I設(shè)20，延長(zhǎng)濾波時(shí)間。

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

在供電系統(tǒng)定期預(yù)防性檢測(cè)保障，加上在紅外點(diǎn)檢/示溫可視化保證的條件下，年內(nèi)完成了排氣、水處理、生產(chǎn)真空等動(dòng)力設(shè)備能力提升專項(xiàng)，具體涉及增設(shè)小型UPS，變頻器升級(jí)迭代/參數(shù)優(yōu)化， 雙開關(guān)電源， 并入大型UPS系統(tǒng)等有效措施。

各系統(tǒng)變頻技術(shù)優(yōu)化后，抗晃電能力顯著得到提升，有效減少了晃電造成整體系統(tǒng)或者需求側(cè)設(shè)備報(bào)警宕機(jī)，下階段準(zhǔn)備橫向推廣至其他系統(tǒng)。

通過運(yùn)行模式調(diào)整和技術(shù)改裝后，動(dòng)力設(shè)備抗晃電能力達(dá)到預(yù)期，2018年～2019年期間影響占比下降至6%，有效保障了動(dòng)力設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語

總之，由于動(dòng)力設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域具有專業(yè)寬，范圍廣等特征，隨著智能制造目標(biāo)的推動(dòng)，工廠對(duì)于動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性要求必然越來越高，粗放型的設(shè)備運(yùn)維管理必然不能適應(yīng)變化的要求及現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境[9]，所以動(dòng)力技術(shù)人員需要隨之變革，潛心學(xué)習(xí)提升，進(jìn)一步提升動(dòng)力設(shè)備的能力。

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