UPS在連鑄機中的電壓凹陷處理與應(yīng)用

1、UPS在連鑄機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：電氣運行值班維護摘要基于板坯連鑄機控制系統(tǒng)的分析，討論當(dāng)公司電網(wǎng)故障時導(dǎo)致板坯連鑄機生產(chǎn)電壓凹陷中斷的情況，產(chǎn)生板坯連鑄機突然澆注中斷。結(jié)果表明，板坯連鑄坯出現(xiàn)嚴重的臥坯；連鑄機的振動、拉矯停止工作死鎖重新啟動，導(dǎo)致連鑄機處于過程癱瘓，造成嚴重的設(shè)備損壞損失。本文旨在討論當(dāng)產(chǎn)生電壓凹陷時， UPS在連鑄機中的處理與應(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)時間為半個工頻周期到1分鐘。電壓凹陷一般可以用三個量來描述：凹陷幅值、持續(xù)時間和相位跳變。（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)時間：凹陷持續(xù)時間是指從電壓有效值下降到一定門檻值（一般取90%）開始到電壓恢復(fù)到此門檻上所經(jīng)歷的時間。（3）相位跳變：電壓凹陷不僅造成電壓降落，還會造成相位跳變，是利用電壓相位來工作的設(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)生時電壓幅值突然下跌，結(jié)束時快速恢復(fù)。系統(tǒng)某個位置的凹陷深度由故障類型和與故障

3、點的距離決定。凹陷持續(xù)時間取決于保護的類型，在半個工頻周期到數(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)是否嚴格接地、變壓器接線方式、負荷接線方式等。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)電動機啟動引起的電壓凹陷感應(yīng)電動機的啟動電流是穩(wěn)態(tài)運行時的510倍。啟動電流造成電壓凹陷。凹陷深度取決于感應(yīng)電動機特性和聯(lián)接處的系統(tǒng)容

4、量。其特點是凹陷發(fā)生時電壓突然下跌，結(jié)束時平緩恢復(fù)，三相電壓降幾乎是一樣的。如圖二所示。圖二 感應(yīng)電動機啟動引起的電壓凹陷（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是電壓突然下跌，結(jié)束時緩慢恢復(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#連鑄機自2005年投產(chǎn)以來，為治理電壓凹陷問題，就使用一臺400KVA的UPS給拉矯電機、液壓站機切割車供電。可以在發(fā)生突然斷電及電壓凹陷時保證設(shè)備正常運行，降低了臥坯、漏鋼造成的

5、經(jīng)濟損失，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，會對工業(yè)用電設(shè)備產(chǎn)生嚴重的影響。電壓凹陷造成的危害如下所示。計算機：當(dāng)電壓低于60%，持續(xù)時間超過12個周期時，計算機程序紊亂，數(shù)據(jù)丟失。芯片測試儀：當(dāng)電壓低于85%時，測試儀停止工作，芯片、主板被毀壞。電動機接觸器：當(dāng)電壓低于50%、持續(xù)時間超過一個周期，電動機接觸器就會脫扣。PLC可編程控制器：早期產(chǎn)品當(dāng)電壓低于10%仍能工作15個周期；新產(chǎn)品當(dāng)電壓低于50%60%時PLC停止工作。直流電機：當(dāng)電壓低于80%時，直流電機被跳閘。調(diào)速裝置：當(dāng)電壓低于70%，持續(xù)時間超過6個周期時，調(diào)速裝置被切除。而對于一

6、些精細加工業(yè)中的電機，當(dāng)電壓低于90%、持續(xù)時間超過三個周期時，電機就會被跳閘而退出運行。綜上所述，當(dāng)發(fā)生電壓凹陷時，交直交變頻裝置、直流調(diào)速裝置的直流側(cè)電壓驟降超過允許值，使逆變器無法正常工作，致使板坯連鑄機拉矯、振動傳動全部失去電源支持，造成板坯連鑄機“臥坯”停產(chǎn)，板坯連鑄機的振動、拉矯停止工作死鎖重新啟動，導(dǎo)致主機處于過程癱瘓，造成嚴重的設(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)各種補償裝置。目前用于治理電壓凹陷的主要補償裝置如下。（1）不間斷電源（UPS） 過去UPS是補償電壓凹陷和供電中斷最常用的裝置。UPS的優(yōu)點是它讓負荷能在斷電和凹陷時都能正常運

7、行。它的缺點是損耗大，而且蓄電池需要維護和周期性的更換，這導(dǎo)致成本的增加、容量大、費用高。（2）磁諧振變壓器（CVT） CVT的基本結(jié)構(gòu)是一個三繞組變壓器，原邊作為輸入，副邊接負荷，第三邊調(diào)整電容器。CVT運行在飽和區(qū)域調(diào)整負荷端電壓。在電壓凹陷下降到正常值的70%任能使負荷安全過度。在滿負荷時CVT的效率可以達到70%75%。為了對滿負荷提供足夠的凹陷保護，CVT的容量常常比滿負荷的正常容量大。CVT廣泛應(yīng)用于低于20KVA 的容量。（3）靜止開關(guān)切換（STSS） 當(dāng)負荷有備用電源（或獨立電源）時，發(fā)生故障后可以通過STS來供應(yīng)負荷電壓。電源用電力電子開關(guān)并聯(lián)的形式連接到負荷。通常負荷由一個

8、電源轉(zhuǎn)換到另一個需要一個半周期。（4）多分接頭變壓器多分接頭變壓器由電力電子開關(guān)在每個分接頭構(gòu)成，用來對電壓變動進行調(diào)節(jié)。目前市場上產(chǎn)品的最低反應(yīng)時間是一個半周期。它只能對凹陷幅值進行有限補償。鑒于較慢的反應(yīng)速度和有限的凹陷補償能力，這種方式在緩解凹陷的應(yīng)用上并不廣泛。（5）電動機發(fā)電機組（MG）MG通過電動機驅(qū)動交流發(fā)電機給負荷供電。旋轉(zhuǎn)機器的中間時期可以對凹陷進行補償。在附加上一臺飛輪時，MG就可以成為一臺“旋轉(zhuǎn)的UPS”，可以對凹陷和斷電補償（最長可達幾秒）。飛輪的大小決定頻率下滑和對電壓的調(diào)整。（6）動態(tài)電壓恢復(fù)期（DVR）負荷正常運行時DVR被旁路，有系統(tǒng)提供電壓；當(dāng)凹陷發(fā)生時，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)時提供負荷滿足正常電壓所需的功率消耗，所以效率較高、費用較低。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)，可以向負載供給頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定的三相380V 交流電源；同時，整流器工作，向電池組充電。當(dāng)外接電源故障斷電時，電

10、池組向逆變器輸入430V直流電壓，經(jīng)逆變后向負載供給頻率穩(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，負載供電可由手動旁路供給。此時，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手動旁路自動旁路UPS電源供給負載一個穩(wěn)定的、連續(xù)的工作電源在市電提供時，UPS供給電池充電并輸出穩(wěn)定、可靠電源；在市電停電或波動時，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)濾波后對于來自電網(wǎng)的電磁干擾和射頻干擾首先進行衰減和抑制處理后，分成兩路去控制后級電路的正常工作。直接經(jīng)交流旁路供電通道送到轉(zhuǎn)換開關(guān)（即轉(zhuǎn)換繼電器，高速的轉(zhuǎn)換時間約為24ms，計算機要求的最大間斷時間約為78ms）的輸入端，即轉(zhuǎn)換繼電器的常閉觸點上；當(dāng)UPS的逆變器正常工作時，轉(zhuǎn)換開關(guān)是將交流旁路供電通道與負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)充電器對于UPS機內(nèi)的電池組進行充電，當(dāng)市電供電中斷時，蓄電池有足夠的能量來支持UPS

12、的正常運行；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。微處理器通過變換器控制器去驅(qū)動具有輸入功率因數(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120264V。（3）UPS的自動保護 逆變器輸出過載或短

13、路的自動保護對于小型的UPS電源，若負載端嚴重過載，甚至短路，保護電路應(yīng)立即將逆變器電源置于關(guān)閉狀態(tài)。進而防止逆變器中的功率管（MOS管或IGBT）被燒毀。另外為保證負載的供電，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)動能力很強的市電來維持正常的工作或燒毀保險絲。 電池電壓過低自動保護當(dāng)市電故障時，蓄電池將向逆變器提供直流電源。當(dāng)工作時間較長時，電池組的電壓將要下降當(dāng)端電壓下降到一定值時，為防止電池組過度放電而遭受損壞，UPS會自動地將逆變器關(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就采用技術(shù)含量高的煉鋼設(shè)備，大都采用進口設(shè)備，自動化程度相當(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并機冗余集中供電方案。這種方案中，兩臺UPS 正常工作時，平均承擔(dān)系統(tǒng)總負載，各承擔(dān)50%，其工作可靠性是單機系統(tǒng)的5.5倍。例如一臺UPS單機的MTBF（平均無故障時間）為30萬小時，則 1+1系統(tǒng)中，其MTBF為165萬小時，可靠性大大提高。以連鑄計算機系統(tǒng)的PLC系統(tǒng)來看，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

15、態(tài)電壓特性：波峰小于8%，穩(wěn)定時間小于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，供電路徑為主電源隔離變2整流器逆變器PLC及計算機，主電源隔離變2整流器UPS電池充電；當(dāng)主電源停電時，供電路徑為UPS逆變器PLC及計算機。目前，連鑄區(qū)域的PLC系統(tǒng)設(shè)備有主PLC4套，遠程PLC 系統(tǒng)16套，服務(wù)器3套，客戶機4套，工程師站1套。每套主PLC功率： 220V*0.5=110VA每套遠程PLC功率：220V*0.4=88VA 每臺操作站功率： 220V*2A=440VAPC客戶機及服務(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5KVA的并聯(lián)1+1冗余運行的UPS既可以滿足要求。目前，1#連鑄機選用的是10KVA的UPS。（四）UPS的使用和維護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，正確認識UPS蓄電池、科學(xué)使用UPS蓄電池、掌握測試和挑選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，雖然溫度的升高對電池放電能力有所提高，但付出的代價卻，是電池的壽命大大縮短。據(jù)試驗測定，環(huán)境溫度一旦超過，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的密封鉛酸蓄電池，設(shè)計壽命普遍是年，這在電池生產(chǎn)廠家要求的環(huán)境溫度的提高，會導(dǎo)致電池內(nèi)部化學(xué)活性增強，從而產(chǎn)生大量的熱能，又會反過來促使周圍環(huán)境溫度升高，這種惡性循環(huán)，會加速縮短電池的壽命。（2）控制好充電電壓，防止過壓充電對于端電壓為的電池，正常的浮充電壓在之間。浮充電壓過低，電池充不滿，浮充電壓過高，會造成過壓充電。當(dāng)浮充電壓超過時，即認為是過壓充電。過壓充電會導(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)計一般為，當(dāng)充電電流超過時可認為是過流充電。過流充電會導(dǎo)致電池極板彎曲，活性物質(zhì)脫落，使電池損壞。（3）防止電池過流放電電池實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）長時間放電時，將導(dǎo)致電池實際放出容量超過其額定容量，從而造成電池嚴重的深度放電。按廠家的數(shù)據(jù)，當(dāng)電池放電深度為時，電池實際使用壽命約為次充放電循環(huán)；放電深度為時，約為次充放電循環(huán)。因此，在使用時，既要避免重載過流放電，

19、又要避免長時間輕載逆變造成電池深度放電。（4）定期充電放電電源中的浮充電壓和放電電壓，在出廠時均已調(diào)試到額定值，而放電電流的大小是隨著負載的增大而增加的，使用中應(yīng)合理調(diào)節(jié)負載，比如控制微機等電子設(shè)備的使用臺數(shù)。一般情況下，負載不宜超過額定負載的。在這個范圍內(nèi)，電池的放電電流就不會出現(xiàn)過度放電。因長期與市電相連，在供電質(zhì)量高、很少發(fā)生市電停電的使用環(huán)境中，蓄電池會長期處于浮充電狀態(tài)，日久就會導(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，一般每隔個月應(yīng)完全放電一次，放電時間可根據(jù)蓄電池的容量和負載大小確定。一次全負荷放電完畢后，按規(guī)定財充電小時以上。這種定期的實驗操作，有助

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