UPS在連鑄機(jī)中的電壓凹陷處理與應(yīng)用

1、UPS在連鑄機(jī)中的電壓凹陷處理與應(yīng)用姓名：魏佳星分廠：不銹鋼煉鋼分廠崗位：電氣運(yùn)行值班維護(hù)摘要基于板坯連鑄機(jī)控制系統(tǒng)的分析，討論當(dāng)公司電網(wǎng)故障時(shí)導(dǎo)致板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)電壓凹陷中斷的情況，產(chǎn)生板坯連鑄機(jī)突然澆注中斷。結(jié)果表明，板坯連鑄坯出現(xiàn)嚴(yán)重的臥坯；連鑄機(jī)的振動(dòng)、拉矯停止工作死鎖重新啟動(dòng)，導(dǎo)致連鑄機(jī)處于過(guò)程癱瘓，造成嚴(yán)重的設(shè)備損壞損失。本文旨在討論當(dāng)產(chǎn)生電壓凹陷時(shí)， UPS在連鑄機(jī)中的處理與應(yīng)用。關(guān)鍵詞：連鑄；電壓凹陷；UPS一、 電壓凹陷的定義（一）電壓凹陷（Voltage Sag）也稱為電壓跌落（Voltage Dip）,IEEE Std.1159將電壓凹陷定義為：工頻電壓有效值下降到額定電壓

2、的10%90%范圍內(nèi)，持續(xù)時(shí)間為半個(gè)工頻周期到1分鐘。電壓凹陷一般可以用三個(gè)量來(lái)描述：凹陷幅值、持續(xù)時(shí)間和相位跳變。（1）凹陷幅值：凹陷幅值反映電壓下降程度。常以凹陷后系統(tǒng)殘留電壓和額定電壓的百分比表示。（2）持續(xù)時(shí)間：凹陷持續(xù)時(shí)間是指從電壓有效值下降到一定門(mén)檻值（一般取90%）開(kāi)始到電壓恢復(fù)到此門(mén)檻上所經(jīng)歷的時(shí)間。（3）相位跳變：電壓凹陷不僅造成電壓降落，還會(huì)造成相位跳變，是利用電壓相位來(lái)工作的設(shè)備容易受到干擾。（二）電壓凹陷的分類方法有多種，下面主要介紹三種電壓凹陷。（1）故障引起的電壓凹陷 故障引起的電壓凹陷發(fā)生時(shí)電壓幅值突然下跌，結(jié)束時(shí)快速恢復(fù)。系統(tǒng)某個(gè)位置的凹陷深度由故障類型和與故障

3、點(diǎn)的距離決定。凹陷持續(xù)時(shí)間取決于保護(hù)的類型，在半個(gè)工頻周期到數(shù)秒間的變化。如圖一所示。圖一 故障引起的電壓凹陷在三項(xiàng)系統(tǒng)中可能發(fā)生單相、兩相和三相故障。故障引起的電壓凹陷的幅值和相位以及在哪些相發(fā)生與很多因素相關(guān)，如：系統(tǒng)是否嚴(yán)格接地、變壓器接線方式、負(fù)荷接線方式等。將故障引起的電壓凹陷分為以下四類：凹陷是三相電壓幅值都降到相同的程度；凹陷只有一相發(fā)生凹陷；凹陷有兩相的幅值和相位都發(fā)生了改變；凹陷有兩相的幅值和相位發(fā)生改變，另外一相只是幅值發(fā)生了改變。（2）感應(yīng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)引起的電壓凹陷感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的510倍。啟動(dòng)電流造成電壓凹陷。凹陷深度取決于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)特性和聯(lián)接處的系統(tǒng)容

4、量。其特點(diǎn)是凹陷發(fā)生時(shí)電壓突然下跌，結(jié)束時(shí)平緩恢復(fù)，三相電壓降幾乎是一樣的。如圖二所示。圖二 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)引起的電壓凹陷（3）變壓器激磁涌流引起的電壓凹陷變壓器激磁電流可達(dá)正常值得幾十倍甚至幾百，足以形成電壓凹陷，如圖三所示。圖三 變壓器激磁涌流引起的電壓凹陷其特點(diǎn)是電壓突然下跌，結(jié)束時(shí)緩慢恢復(fù)，但三相的電壓降是不一樣的。此外，還伴隨有一定量的二次諧波畸變。二、 1#連鑄機(jī)當(dāng)前的技術(shù)狀況酒鋼不銹鋼分公司煉鋼分廠1#連鑄機(jī)自2005年投產(chǎn)以來(lái)，為治理電壓凹陷問(wèn)題，就使用一臺(tái)400KVA的UPS給拉矯電機(jī)、液壓站機(jī)切割車供電。可以在發(fā)生突然斷電及電壓凹陷時(shí)保證設(shè)備正常運(yùn)行，降低了臥坯、漏鋼造成的

5、經(jīng)濟(jì)損失，且提高了設(shè)備性能和裝備電控水平。三、 產(chǎn)生電壓凹陷后造成的影響產(chǎn)生電壓凹陷后，會(huì)對(duì)工業(yè)用電設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。電壓凹陷造成的危害如下所示。計(jì)算機(jī)：當(dāng)電壓低于60%，持續(xù)時(shí)間超過(guò)12個(gè)周期時(shí)，計(jì)算機(jī)程序紊亂，數(shù)據(jù)丟失。芯片測(cè)試儀：當(dāng)電壓低于85%時(shí)，測(cè)試儀停止工作，芯片、主板被毀壞。電動(dòng)機(jī)接觸器：當(dāng)電壓低于50%、持續(xù)時(shí)間超過(guò)一個(gè)周期，電動(dòng)機(jī)接觸器就會(huì)脫扣。PLC可編程控制器：早期產(chǎn)品當(dāng)電壓低于10%仍能工作15個(gè)周期；新產(chǎn)品當(dāng)電壓低于50%60%時(shí)PLC停止工作。直流電機(jī)：當(dāng)電壓低于80%時(shí)，直流電機(jī)被跳閘。調(diào)速裝置：當(dāng)電壓低于70%，持續(xù)時(shí)間超過(guò)6個(gè)周期時(shí)，調(diào)速裝置被切除。而對(duì)于一

6、些精細(xì)加工業(yè)中的電機(jī)，當(dāng)電壓低于90%、持續(xù)時(shí)間超過(guò)三個(gè)周期時(shí)，電機(jī)就會(huì)被跳閘而退出運(yùn)行。綜上所述，當(dāng)發(fā)生電壓凹陷時(shí)，交直交變頻裝置、直流調(diào)速裝置的直流側(cè)電壓驟降超過(guò)允許值，使逆變器無(wú)法正常工作，致使板坯連鑄機(jī)拉矯、振動(dòng)傳動(dòng)全部失去電源支持，造成板坯連鑄機(jī)“臥坯”停產(chǎn)，板坯連鑄機(jī)的振動(dòng)、拉矯停止工作死鎖重新啟動(dòng)，導(dǎo)致主機(jī)處于過(guò)程癱瘓，造成嚴(yán)重的設(shè)備損壞損失。四、電壓凹陷的抑制措施敏感用戶為了減小電壓凹陷的影響，可以裝設(shè)各種補(bǔ)償裝置。目前用于治理電壓凹陷的主要補(bǔ)償裝置如下。（1）不間斷電源（UPS） 過(guò)去UPS是補(bǔ)償電壓凹陷和供電中斷最常用的裝置。UPS的優(yōu)點(diǎn)是它讓負(fù)荷能在斷電和凹陷時(shí)都能正常運(yùn)

7、行。它的缺點(diǎn)是損耗大，而且蓄電池需要維護(hù)和周期性的更換，這導(dǎo)致成本的增加、容量大、費(fèi)用高。（2）磁諧振變壓器（CVT） CVT的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)三繞組變壓器，原邊作為輸入，副邊接負(fù)荷，第三邊調(diào)整電容器。CVT運(yùn)行在飽和區(qū)域調(diào)整負(fù)荷端電壓。在電壓凹陷下降到正常值的70%任能使負(fù)荷安全過(guò)度。在滿負(fù)荷時(shí)CVT的效率可以達(dá)到70%75%。為了對(duì)滿負(fù)荷提供足夠的凹陷保護(hù)，CVT的容量常常比滿負(fù)荷的正常容量大。CVT廣泛應(yīng)用于低于20KVA 的容量。（3）靜止開(kāi)關(guān)切換（STSS） 當(dāng)負(fù)荷有備用電源（或獨(dú)立電源）時(shí)，發(fā)生故障后可以通過(guò)STS來(lái)供應(yīng)負(fù)荷電壓。電源用電力電子開(kāi)關(guān)并聯(lián)的形式連接到負(fù)荷。通常負(fù)荷由一個(gè)

8、電源轉(zhuǎn)換到另一個(gè)需要一個(gè)半周期。（4）多分接頭變壓器多分接頭變壓器由電力電子開(kāi)關(guān)在每個(gè)分接頭構(gòu)成，用來(lái)對(duì)電壓變動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前市場(chǎng)上產(chǎn)品的最低反應(yīng)時(shí)間是一個(gè)半周期。它只能對(duì)凹陷幅值進(jìn)行有限補(bǔ)償。鑒于較慢的反應(yīng)速度和有限的凹陷補(bǔ)償能力，這種方式在緩解凹陷的應(yīng)用上并不廣泛。（5）電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組（MG）MG通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)給負(fù)荷供電。旋轉(zhuǎn)機(jī)器的中間時(shí)期可以對(duì)凹陷進(jìn)行補(bǔ)償。在附加上一臺(tái)飛輪時(shí)，MG就可以成為一臺(tái)“旋轉(zhuǎn)的UPS”，可以對(duì)凹陷和斷電補(bǔ)償（最長(zhǎng)可達(dá)幾秒）。飛輪的大小決定頻率下滑和對(duì)電壓的調(diào)整。（6）動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)期（DVR）負(fù)荷正常運(yùn)行時(shí)DVR被旁路，有系統(tǒng)提供電壓；當(dāng)凹陷發(fā)生時(shí)，DV

9、R向系統(tǒng)注入需要的電壓以保持復(fù)合電壓波形。補(bǔ)償電壓通常由串聯(lián)變壓器注入系統(tǒng)。由于DVR只在電壓凹陷出現(xiàn)時(shí)提供負(fù)荷滿足正常電壓所需的功率消耗，所以效率較高、費(fèi)用較低。五、 UPS在處理電壓凹陷中的應(yīng)用（一）UPS的供電原理用戶的UPS供電基本由用戶配電箱、UPS、電池組、UPS輸出配電設(shè)備、負(fù)載配電插座五部分組成。用戶交流配電箱 UPSUPS輸出配電設(shè)備負(fù)載配電插座電池組工作原理：系統(tǒng)有三種工作方式：正常情況下，UPS的電源輸出有自動(dòng)旁路供給，該旁路有雙向可控硅組成的穩(wěn)壓、調(diào)頻環(huán)節(jié)，可以向負(fù)載供給頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定的三相380V 交流電源；同時(shí)，整流器工作，向電池組充電。當(dāng)外接電源故障斷電時(shí)，電

10、池組向逆變器輸入430V直流電壓，經(jīng)逆變后向負(fù)載供給頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定的三相380V 交流電源。當(dāng)UPS系統(tǒng)故障檢修時(shí)，負(fù)載供電可由手動(dòng)旁路供給。此時(shí)，系統(tǒng)不具備不間斷供電功能。系統(tǒng)單線圖如下：KM40由變流器供電由旁路供電Q3輸出電抗器Q 20 電池組 32塊整流變壓器旁路變壓器Q 4Q 5逆變器整流器X3X2X2手動(dòng)旁路自動(dòng)旁路UPS電源供給負(fù)載一個(gè)穩(wěn)定的、連續(xù)的工作電源在市電提供時(shí)，UPS供給電池充電并輸出穩(wěn)定、可靠電源；在市電停電或波動(dòng)時(shí)，UPS由電池放電并輸出穩(wěn)定、可靠電源。UPS由三相整流器、三相逆變器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)、電池組及控制部分組成。（二）UPS的在處理電壓凹陷中的應(yīng)用我們以近年

11、使用比較廣泛的，采用微處理器調(diào)控的小型在現(xiàn)實(shí)UPS電源為例，介紹UPS電源的工作原理。（1）市電輸入電路在上圖中我們看到，市電經(jīng)濾波后對(duì)于來(lái)自電網(wǎng)的電磁干擾和射頻干擾首先進(jìn)行衰減和抑制處理后，分成兩路去控制后級(jí)電路的正常工作。直接經(jīng)交流旁路供電通道送到轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（即轉(zhuǎn)換繼電器，高速的轉(zhuǎn)換時(shí)間約為24ms，計(jì)算機(jī)要求的最大間斷時(shí)間約為78ms）的輸入端，即轉(zhuǎn)換繼電器的常閉觸點(diǎn)上；當(dāng)UPS的逆變器正常工作時(shí)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是將交流旁路供電通道與負(fù)載之間的供電通道予以切換的。市電電源送到文諧振式變換器的輸入端上。然后一路經(jīng)充電器對(duì)于UPS機(jī)內(nèi)的電池組進(jìn)行充電，當(dāng)市電供電中斷時(shí)，蓄電池有足夠的能量來(lái)支持UPS

12、的正常運(yùn)行；一路到控制電路，一路到逆變器。（2） 微處理控制電路這種UPS的控制中心是由微處理器芯片完成的。微處理器通過(guò)變換器控制器去驅(qū)動(dòng)具有輸入功率因數(shù)校正功能的諧振變換器。電路中的諧振變換器具有的調(diào)控功能主要有：可以使UPS的輸入功率因數(shù)從普通UPS的0.8左右提高到0.97以上，并可基本消除由普通UPS產(chǎn)生的影響市電的諧波干擾。將市電輸入的50Hz、220V低頻正弦交流電，變成20KHz、410V左右的高頻電壓正弦電源。電路中采用脈寬調(diào)制的串聯(lián)諧振輸入電路，能夠允許市電電壓波動(dòng)范圍很寬的情況下，均能保持輸出的穩(wěn)定。其允許的范圍可達(dá)120264V。（3）UPS的自動(dòng)保護(hù) 逆變器輸出過(guò)載或短

13、路的自動(dòng)保護(hù)對(duì)于小型的UPS電源，若負(fù)載端嚴(yán)重過(guò)載，甚至短路，保護(hù)電路應(yīng)立即將逆變器電源置于關(guān)閉狀態(tài)。進(jìn)而防止逆變器中的功率管（MOS管或IGBT）被燒毀。另外為保證負(fù)載的供電，控制電路還應(yīng)將輸出繼電器由逆變輸出轉(zhuǎn)到旁路輸出。這樣由驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)的市電來(lái)維持正常的工作或燒毀保險(xiǎn)絲。 電池電壓過(guò)低自動(dòng)保護(hù)當(dāng)市電故障時(shí)，蓄電池將向逆變器提供直流電源。當(dāng)工作時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，電池組的電壓將要下降當(dāng)端電壓下降到一定值時(shí)，為防止電池組過(guò)度放電而遭受損壞，UPS會(huì)自動(dòng)地將逆變器關(guān)閉。（三）UPS在PLC系統(tǒng)供電中的應(yīng)用酒鋼不銹鋼自建廠以來(lái)就采用技術(shù)含量高的煉鋼設(shè)備，大都采用進(jìn)口設(shè)備，自動(dòng)化程度相當(dāng)高，其中有大量P

14、LC（可編程控制器）系統(tǒng)，需外配UPS，容量從3kVA到80kVA。UPS冗余方案選擇 在PLC系統(tǒng)中，為保證系統(tǒng)的可靠性和供電安全性，建議采用1+1并機(jī)冗余集中供電方案。這種方案中，兩臺(tái)UPS 正常工作時(shí)，平均承擔(dān)系統(tǒng)總負(fù)載，各承擔(dān)50%，其工作可靠性是單機(jī)系統(tǒng)的5.5倍。例如一臺(tái)UPS單機(jī)的MTBF（平均無(wú)故障時(shí)間）為30萬(wàn)小時(shí)，則 1+1系統(tǒng)中，其MTBF為165萬(wàn)小時(shí)，可靠性大大提高。以連鑄計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的PLC系統(tǒng)來(lái)看，需要有以下所需的參數(shù)：整流器額定輸入電壓：380V10%（三相電源）旁路隔離變額定輸入電壓:380V10%（二相電源）逆變器額定輸入直流電壓：220V穩(wěn)態(tài)電壓特性：1%動(dòng)

15、態(tài)電壓特性：波峰小于8%，穩(wěn)定時(shí)間小于40毫秒。輸出頻率：與交流輸入同步。波形失真：小于5%。工作原理是：當(dāng)主電源正常時(shí)，供電路徑為主電源隔離變2整流器逆變器PLC及計(jì)算機(jī)，主電源隔離變2整流器UPS電池充電；當(dāng)主電源停電時(shí)，供電路徑為UPS逆變器PLC及計(jì)算機(jī)。目前，連鑄區(qū)域的PLC系統(tǒng)設(shè)備有主PLC4套，遠(yuǎn)程PLC 系統(tǒng)16套，服務(wù)器3套，客戶機(jī)4套，工程師站1套。每套主PLC功率： 220V*0.5=110VA每套遠(yuǎn)程PLC功率：220V*0.4=88VA 每臺(tái)操作站功率： 220V*2A=440VAPC客戶機(jī)及服務(wù)器：220V*1.5A=330VA則總功率：4*110VA+1*440V

16、A+3*330VA+16*88VA=4598VA，因此選用的UPS為4598VA/0.8=5747VA,選用10KVA的UPS或選用2臺(tái)5KVA的并聯(lián)1+1冗余運(yùn)行的UPS既可以滿足要求。目前，1#連鑄機(jī)選用的是10KVA的UPS。（四）UPS的使用和維護(hù)UPS蓄電池在UPS電源設(shè)備中占有十分重要的地位。因此，在使用和維修UPS電源時(shí)，正確認(rèn)識(shí)UPS蓄電池、科學(xué)使用UPS蓄電池、掌握測(cè)試和挑選UPS蓄電池的方法就顯得尤其重要?？茖W(xué)使用電池就是要明確電池的正確使用方法，延長(zhǎng)電池的壽命，使之發(fā)揮最大的作用。（1）保持適宜的環(huán)境溫度影響蓄電池壽命的重要因素是環(huán)境溫度，一般電池生產(chǎn)廠家要求的最佳環(huán)境溫

17、度是在之間，雖然溫度的升高對(duì)電池放電能力有所提高，但付出的代價(jià)卻，是電池的壽命大大縮短。據(jù)試驗(yàn)測(cè)定，環(huán)境溫度一旦超過(guò)，每升高電池的壽命就要縮短一半。目前所用的蓄電池一般都是免維護(hù)的密封鉛酸蓄電池，設(shè)計(jì)壽命普遍是年，這在電池生產(chǎn)廠家要求的環(huán)境溫度的提高，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部化學(xué)活性增強(qiáng)，從而產(chǎn)生大量的熱能，又會(huì)反過(guò)來(lái)促使周圍環(huán)境溫度升高，這種惡性循環(huán)，會(huì)加速縮短電池的壽命。（2）控制好充電電壓，防止過(guò)壓充電對(duì)于端電壓為的電池，正常的浮充電壓在之間。浮充電壓過(guò)低，電池充不滿，浮充電壓過(guò)高，會(huì)造成過(guò)壓充電。當(dāng)浮充電壓超過(guò)時(shí)，即認(rèn)為是過(guò)壓充電。過(guò)壓充電會(huì)導(dǎo)致電解液中的水被分離成氫氧氣而溢出，使電池的壽命縮短

18、。理想的充電電流應(yīng)采用分階段定流充電的方式，即在充電初期采用較大的電流，充電一定時(shí)間后，改為較小的電流，至充電末期改用更小的電流。充電電流的設(shè)計(jì)一般為，當(dāng)充電電流超過(guò)時(shí)可認(rèn)為是過(guò)流充電。過(guò)流充電會(huì)導(dǎo)致電池極板彎曲，活性物質(zhì)脫落，使電池?fù)p壞。（3）防止電池過(guò)流放電電池實(shí)際放出的容量與放電電流有關(guān)。放電電流越大，電池的效率越低盡管小電流放電，能提高電池的效率，但是當(dāng)用極小電流（小于）長(zhǎng)時(shí)間放電時(shí)，將導(dǎo)致電池實(shí)際放出容量超過(guò)其額定容量，從而造成電池嚴(yán)重的深度放電。按廠家的數(shù)據(jù)，當(dāng)電池放電深度為時(shí)，電池實(shí)際使用壽命約為次充放電循環(huán)；放電深度為時(shí)，約為次充放電循環(huán)。因此，在使用時(shí)，既要避免重載過(guò)流放電，

19、又要避免長(zhǎng)時(shí)間輕載逆變?cè)斐呻姵厣疃确烹?。?）定期充電放電電源中的浮充電壓和放電電壓，在出廠時(shí)均已調(diào)試到額定值，而放電電流的大小是隨著負(fù)載的增大而增加的，使用中應(yīng)合理調(diào)節(jié)負(fù)載，比如控制微機(jī)等電子設(shè)備的使用臺(tái)數(shù)。一般情況下，負(fù)載不宜超過(guò)額定負(fù)載的。在這個(gè)范圍內(nèi)，電池的放電電流就不會(huì)出現(xiàn)過(guò)度放電。因長(zhǎng)期與市電相連，在供電質(zhì)量高、很少發(fā)生市電停電的使用環(huán)境中，蓄電池會(huì)長(zhǎng)期處于浮充電狀態(tài)，日久就會(huì)導(dǎo)致電池化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的活性降低，加速老化而縮短使用壽命。因此，一般每隔個(gè)月應(yīng)完全放電一次，放電時(shí)間可根據(jù)蓄電池的容量和負(fù)載大小確定。一次全負(fù)荷放電完畢后，按規(guī)定財(cái)充電小時(shí)以上。這種定期的實(shí)驗(yàn)操作，有助

20、于延長(zhǎng)電池壽命。一般正常使用的，其電池壽命不超過(guò)年。（5）利用通訊功能目前，絕大多數(shù)大、中型都具備與微機(jī)通訊和和程序控制等可操作性能。在微機(jī)上安裝相應(yīng)的軟件，通過(guò)串并口連接，運(yùn)行該程序，就可以利用微機(jī)與進(jìn)行通訊。一般具有信息查詢、參數(shù)設(shè)置、定時(shí)設(shè)定、自動(dòng)關(guān)機(jī)和報(bào)警等功能。通過(guò)信息查詢，可能獲取市電輸入電壓、輸出電壓、負(fù)載利用率、電池容量利用率、機(jī)內(nèi)溫度和市電頻率等信息：通過(guò)參數(shù)調(diào)協(xié)，可以設(shè)定基本特性、電池可維持時(shí)間和電池用完告警等。通過(guò)這些智能化的操作，大大方便了電源及其蓄電池的使用管理。（6）及時(shí)更換廢壞電池目前大中型電源配備的蓄電池?cái)?shù)量，從只到只不等，甚至更多。這些單個(gè)的電池通過(guò)電路連接構(gòu)成電池組，以滿足直流供電的需要。在連續(xù)不斷的運(yùn)行使用中，因性能和質(zhì)量上差別，個(gè)別電池性能下降、儲(chǔ)電容量達(dá)不到要求而損壞是難免的。當(dāng)電池組中某個(gè)些電池出現(xiàn)損壞時(shí)，維護(hù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)每只電池進(jìn)行檢查測(cè)試，排除損壞的電池。更換新