一、項(xiàng)目背景
由于公司電網(wǎng)電壓波動(dòng)，低壓電動(dòng)機(jī)及變頻器由于受到外部電網(wǎng)波動(dòng)，導(dǎo)致非計(jì)劃停機(jī)，對(duì)公司正常生產(chǎn)、科研及項(xiàng)目造成極大影響。經(jīng)過(guò)查找原因分析，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)晃電幅度和時(shí)間均超過(guò)接觸器線(xiàn)圈保持電壓的范圍和時(shí)限，致使接觸器欠壓釋放，變頻器對(duì)電壓較為敏感，電壓跌落80%以下低電壓保護(hù)功能動(dòng)作，變頻器報(bào)低電壓故障而使變頻器停止運(yùn)行。
作為一家連續(xù)型生產(chǎn)企業(yè)，由于受到晃電現(xiàn)象的影響，伴隨電網(wǎng)電壓暫降，超過(guò)大約80毫秒的電壓暫降會(huì)引起各類(lèi)高低壓電動(dòng)機(jī)及變頻器設(shè)備報(bào)警并非計(jì)劃停機(jī)，對(duì)公司正常生產(chǎn)、科研及項(xiàng)目造成極大影響，生產(chǎn)的中斷不僅會(huì)使產(chǎn)能下降，還會(huì)影響產(chǎn)品品質(zhì)，造成高額的經(jīng)濟(jì)損失。更嚴(yán)重的是有可能發(fā)生人身安全事故。
通過(guò)和客戶(hù)詳細(xì)的溝通，分析了客戶(hù)目前的一次供電系統(tǒng)圖，整體了解了企業(yè)的供電現(xiàn)狀和需求，因現(xiàn)場(chǎng)高壓容量等問(wèn)題，無(wú)法進(jìn)行無(wú)擾動(dòng)切換，現(xiàn)只針對(duì)低壓做抗晃電解決方案（停電或手動(dòng)倒閘不在此方案內(nèi)）。
二、需求分析
1、晃電現(xiàn)象的危害
電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，由于外部線(xiàn)路受到雷擊、瞬時(shí)短路等故障造成企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)相鄰線(xiàn)路短路故障、大型或大批電動(dòng)機(jī)起動(dòng)等原因，造成電壓瞬間較大幅度波動(dòng)后恢復(fù)，這種現(xiàn)象通常稱(chēng)為晃電，持續(xù)時(shí)間0.5個(gè)周期到最長(zhǎng)1分鐘，幅值下降至標(biāo)稱(chēng)電壓的90%-10%。
晃電發(fā)生時(shí)，會(huì)對(duì)生產(chǎn)工藝和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備造成一系列的危害：
電壓暫降幅度過(guò)大或持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使電動(dòng)機(jī)、變頻器、軟啟動(dòng)器等設(shè)備停機(jī)，造成生產(chǎn)中斷，產(chǎn)生諸如安全、環(huán)保、廢品、原料浪費(fèi)、產(chǎn)量降低等一系列損失；
晃電恢復(fù)期間，對(duì)大批電機(jī)的重起動(dòng)，還會(huì)對(duì)電機(jī)再次造成大電流的沖擊，危及設(shè)備和人身的安全；
2、需求闡述
低壓側(cè)
在低壓負(fù)載側(cè)，掛載有大量的電動(dòng)機(jī)類(lèi)負(fù)荷和變頻器，其中有些設(shè)備是生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通常，400V低壓系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)控制回路是接觸器控制回路，一般交流繼電器當(dāng)電壓低于線(xiàn)圈額定電壓的50%，時(shí)間超過(guò)20ms時(shí)接觸器釋放；當(dāng)電壓低于80%甚至更高，持續(xù)五個(gè)周波時(shí)接觸器也釋放，造成低壓電動(dòng)機(jī)失電停機(jī)。而對(duì)于變頻器，一般都具有過(guò)壓、失壓、過(guò)流及瞬時(shí)停電等多種保護(hù)功能，當(dāng)遭遇“晃電”時(shí)電源電壓下降到額定電壓的70%或失電，變頻器低電壓保護(hù)動(dòng)作關(guān)閉變頻器輸出，電動(dòng)機(jī)處于慣性停車(chē)狀態(tài)。由于變頻器運(yùn)行指令繼電器也因“晃電”而釋放，電源恢復(fù)正常后變頻器因沒(méi)有運(yùn)行指令而無(wú)法激活瞬間停電再啟動(dòng)功能，需人工復(fù)位解除低電壓故障才能重啟變頻器，導(dǎo)致正常生產(chǎn)被迫中斷。當(dāng)高壓側(cè)快切方案在極端情況下，未能實(shí)現(xiàn)快速切換，而是通過(guò)同期或殘壓方式切換時(shí)，切換時(shí)間可能會(huì)延長(zhǎng)到200-300ms，控制回路有釋放風(fēng)險(xiǎn)，所以需要配置相應(yīng)的補(bǔ)充措施提高其可靠性。
為了解決關(guān)鍵設(shè)備停機(jī)問(wèn)題，在設(shè)計(jì)改造方案時(shí)，需要綜合考慮以下需求：
1. 當(dāng)電源失電后，控制回路釋放，為了保證生產(chǎn)工藝不中斷，在電源瞬時(shí)恢復(fù)時(shí)對(duì)已釋放的電氣元件立即自動(dòng)重合，使其迅速恢復(fù)連續(xù)性生產(chǎn)。
2. 整個(gè)生產(chǎn)工藝流程是通過(guò)DCS分布式控制系統(tǒng)控制，各節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間存在相互關(guān)聯(lián)性，當(dāng)設(shè)備停機(jī)后，仍需要與DCS保持正常通信，避免造成連鎖停機(jī)。
3. 針對(duì)重要設(shè)備的補(bǔ)充措施屬于分布式治理方案，現(xiàn)場(chǎng)配置數(shù)量較多，需要綜合考慮成本投入、安裝空間、安裝便捷性。
4. 大量電機(jī)一起重新起動(dòng)，存在產(chǎn)生起動(dòng)沖擊電流的風(fēng)險(xiǎn)，改造方案中要考慮增加相應(yīng)功能避免這種風(fēng)險(xiǎn)。
5. 改造方案要考慮不增加新的故障點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)，不改變?cè)锌刂苹芈贰?/p>
三、方案概述
方案的理念是從配電網(wǎng)系統(tǒng)的整體考慮，立足從源頭解決問(wèn)題，對(duì)于電網(wǎng)造成的晃電治理，有兩種方式，一種在電源端解決，即當(dāng)外電源波動(dòng)時(shí)提供連續(xù)輸出的穩(wěn)定電源，用以保證所帶負(fù)荷的正常工作電壓。一種在負(fù)載控制端解決，即當(dāng)外電源晃電時(shí)敏感性電氣元件釋放后，在電源瞬時(shí)恢復(fù)時(shí)對(duì)已釋放的電氣元件立即自動(dòng)重合，使其迅速恢復(fù)連續(xù)性生產(chǎn)。
目前先在負(fù)載控制端分布解決，即當(dāng)電源晃電時(shí)，配置的方案通過(guò)對(duì)負(fù)載控制回路的保持與重起或是通過(guò)對(duì)動(dòng)力回路的電壓補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的工作連續(xù)性。比如UPS電源、低電壓穿越、馬達(dá)保護(hù)器輔助功能、抗晃電模塊。
＞ UPS電源：通過(guò)串聯(lián)UPS電源，保證負(fù)載在晃電時(shí)供電連續(xù)，正常工作，在線(xiàn)式UPS切換時(shí)間短，滿(mǎn)足要求。由于是采用串接方式，首先會(huì)增加故障風(fēng)險(xiǎn)，另外，電源支撐裝置的容量需與實(shí)際所帶的負(fù)荷容量匹配，特別是對(duì)于大功率設(shè)備，造價(jià)太高，安裝位置較為分散，數(shù)量較多，這樣核算下來(lái)投入總成本巨大，而且用于儲(chǔ)能的蓄電池，對(duì)環(huán)境要求高，需要定期更換，后續(xù)維護(hù)成本也很高。
＞ 低電壓穿越裝置：主要針對(duì)變頻器設(shè)備，當(dāng)晃電發(fā)生，裝置通過(guò)內(nèi)部BOOST升壓模塊，對(duì)變頻器直流母線(xiàn)進(jìn)行補(bǔ)償，維持變頻器正常工作。此方案成本也較高，只針對(duì)生產(chǎn)工藝中關(guān)鍵的變頻器節(jié)點(diǎn)。
＞ 馬達(dá)保護(hù)器輔助功能：裝置以保護(hù)功能為主，抗晃電功能為輔助功能，只是以繼電器信號(hào)開(kāi)出為存在，馬達(dá)保護(hù)內(nèi)部無(wú)儲(chǔ)能電源，發(fā)生晃電后裝置無(wú)法正常工作，此時(shí)與DCS的傳輸信號(hào)（如：運(yùn)行、故障等信號(hào)）容易丟失。當(dāng)控制回路再來(lái)電后，馬達(dá)保護(hù)需要對(duì)停電前的工況進(jìn)行判斷，是否能夠再次起動(dòng)電機(jī)，判斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法對(duì)電機(jī)的再起時(shí)間進(jìn)行控制。對(duì)于變頻器無(wú)法實(shí)現(xiàn)再起。
＞ 抗晃電模塊：晃電發(fā)生時(shí)，通過(guò)內(nèi)部超級(jí)電容保證模塊正常工作，恢復(fù)供電后，通過(guò)內(nèi)部繼電器吸合，分批自動(dòng)再起動(dòng)電機(jī)、變頻、軟啟動(dòng)。體積小巧，磁吸結(jié)構(gòu)，安裝方便。
綜合考慮客戶(hù)實(shí)際需求，從抗晃電效果、安全可靠性、投入成本、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、改造便捷性等多方面綜合評(píng)估，給出了DCM-621KH抗晃電模塊的整體解決方案。
市場(chǎng)上抗晃電模塊有兩種方式，分別為儲(chǔ)能保持式和儲(chǔ)能再起式。儲(chǔ)能保持式的原理即在給接觸器提供直流或交流的輔助電源，當(dāng)電網(wǎng)晃電時(shí)保持接觸器線(xiàn)圈持續(xù)的吸合電壓，使接觸器線(xiàn)圈不釋放，當(dāng)電壓恢復(fù)時(shí)接觸器主回路保持連通狀態(tài)，則電動(dòng)機(jī)因接觸器線(xiàn)圈吸合得電而繼續(xù)保持運(yùn)行狀態(tài)。而儲(chǔ)能再起式的原理是晃電時(shí)保持接觸器的啟動(dòng)指令，不保持接觸器的線(xiàn)圈，則接觸器會(huì)因晃電而欠壓釋放，當(dāng)電壓瞬時(shí)恢復(fù)時(shí)由于接觸器啟動(dòng)回路為閉鎖狀態(tài)，則接觸器線(xiàn)圈得電而吸合，同時(shí)自保持接點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)因得電而再加速運(yùn)行。
通過(guò)我司對(duì)客戶(hù)選擇和市場(chǎng)使用狀況的深入了解，對(duì)兩種方式做了比較和調(diào)研，認(rèn)為儲(chǔ)能再起式較為安全、可靠、實(shí)用，原因列表如下：
由于晃電的時(shí)間一般在100ms左右，所要治理的抗晃電負(fù)載基本為風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即有一定慣性，當(dāng)接觸器、變頻器因晃電而釋放后，風(fēng)機(jī)和水泵仍維持較高的轉(zhuǎn)速處于高慣性之中，當(dāng)電源瞬時(shí)恢復(fù)后，儲(chǔ)能再起式抗晃電裝置使接觸器自動(dòng)重合，電動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速下再加速運(yùn)行對(duì)工藝影響不大，同時(shí)這種控制方式對(duì)原系統(tǒng)的接線(xiàn)和控制方式?jīng)]有任何改動(dòng)，由于采用并聯(lián)控制方式，即使本身設(shè)備故障也不會(huì)影響原有系統(tǒng)的正常運(yùn)行，這是最大的使用優(yōu)勢(shì)，即不會(huì)因解決一個(gè)小概率暫態(tài)事件而對(duì)原來(lái)的穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。
儲(chǔ)能保持式抗晃電方式由于采用串接方式，利用儲(chǔ)能電容放電的方式維持接觸器的吸合電壓值，這樣增加了故障的幾率，一旦抗晃電設(shè)備出現(xiàn)故障也會(huì)導(dǎo)致原有設(shè)備非計(jì)劃停機(jī)。還有由于晃電時(shí)保持接觸器線(xiàn)圈不釋放，對(duì)接觸器的物理結(jié)構(gòu)會(huì)有影響，對(duì)接觸器動(dòng)靜觸頭頻繁分合閘的壽命有影響。
基于以上情況的分析和調(diào)研，采用儲(chǔ)能再起式抗晃電技術(shù)較為符合和實(shí)用。
四、方案實(shí)施
1、直起式電動(dòng)機(jī)
模塊工作原理為，通過(guò)采集負(fù)載的工作電源、接觸器線(xiàn)圈電壓以及控制回路電壓形成復(fù)合判據(jù)，起動(dòng)結(jié)束后延時(shí)5秒進(jìn)入抗晃待機(jī)模式，當(dāng)接觸器位置信號(hào)發(fā)生了變化時(shí)，內(nèi)部超級(jí)電容系統(tǒng)自動(dòng)投入，系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，在設(shè)定的最長(zhǎng)晃電時(shí)間內(nèi)，如果系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)了供電，經(jīng)再起動(dòng)延時(shí)起動(dòng)電機(jī)，恢復(fù)晃電前正常工況，從而保證生產(chǎn)正常進(jìn)行。
根據(jù)以往大量的改造經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合客戶(hù)實(shí)際電機(jī)二次回路，配置DCM621KH抗晃模塊,方案圖如下:
端子1和端子4為控制電源L和N，取接觸器控制回路的控制電源；電動(dòng)機(jī)再起動(dòng)控制器的工作電源及檢測(cè)電壓輸入。
端子2和端子3為接觸器狀態(tài)反饋信號(hào)及再起開(kāi)出，并聯(lián)接在起動(dòng)回路當(dāng)中；檢測(cè)并判斷接觸器的停止與運(yùn)行的不同狀態(tài)，以及在晃電后對(duì)接觸器的再次起動(dòng)。
端子7和端子8為運(yùn)行信號(hào)，并聯(lián)在DCS采集的運(yùn)行信號(hào)回路中，當(dāng)晃電發(fā)生時(shí)，信號(hào)出口閉合反饋DCS，防止DCS因晃電而跳閘，回路再起后信號(hào)出口返回。
低壓電動(dòng)機(jī)回路依據(jù)“持續(xù)生產(chǎn)、分批改造”的思路，進(jìn)行分批改造。
預(yù)計(jì)改造時(shí)間：直起式電機(jī)每抽屜約30分鐘。
改造完成后預(yù)期達(dá)到的效果簡(jiǎn)述如下:
正常工作時(shí),當(dāng)手動(dòng)或遠(yuǎn)程起動(dòng)電機(jī)后，KM線(xiàn)圈得電，KM接觸器吸合， DCM621KH檢測(cè)到KM吸合狀態(tài)，開(kāi)始充電，5S充電結(jié)束后，進(jìn)入抗晃待機(jī)模式，晃電發(fā)生后，電壓暫降，KM主動(dòng)釋放，電機(jī)停機(jī)，DCM621KH內(nèi)部超級(jí)電容自動(dòng)投入，為抗晃電模塊正常供電，系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，在設(shè)定的最長(zhǎng)晃電時(shí)間內(nèi)(最長(zhǎng)9秒)，如果系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)了供電，經(jīng)再起動(dòng)延時(shí)，裝置RS繼電器吸合，自動(dòng)再起動(dòng)電機(jī),恢復(fù)晃電前的正常工況。
2、變頻式電動(dòng)機(jī)
配置DCM621KH抗晃模塊,方案圖如下:
端子1和端子4為控制電源L和N，取變頻器控制回路的控制電源；電動(dòng)機(jī)再起動(dòng)控制器的工作電源及檢測(cè)電壓輸入。
端子2和端子3為接觸器狀態(tài)反饋信號(hào)及再起開(kāi)出，并聯(lián)接在起動(dòng)回路當(dāng)中；檢測(cè)并判斷接觸器的停止與運(yùn)行的不同狀態(tài)，以及在晃電后對(duì)接觸器的再次起動(dòng)。
端子7和端子8為運(yùn)行信號(hào)，并聯(lián)在DCS采集的運(yùn)行信號(hào)回路中，當(dāng)晃電發(fā)生時(shí)，信號(hào)出口閉合反饋DCS，防止DCS因檢測(cè)到接觸器斷開(kāi)而發(fā)出停機(jī)命令，回路再起后信號(hào)出口返回。
端子9和端子10為復(fù)歸信號(hào)，并聯(lián)在DCS復(fù)歸信號(hào)回路中，當(dāng)晃電發(fā)生時(shí)，變頻器因晃電告警，此時(shí)需先復(fù)歸變頻器才能再次起動(dòng)。
端子11和端子12為報(bào)警信號(hào)，串聯(lián)在DCS采集的報(bào)警信號(hào)回路中，當(dāng)晃電發(fā)生時(shí)，信號(hào)出口斷開(kāi)，防止DCS因檢測(cè)到變頻器故障信號(hào)而發(fā)出停機(jī)命令，回路再起后信號(hào)出口返回。
預(yù)計(jì)改造時(shí)間：變頻器每回路約1小時(shí)。
改造完成后預(yù)期達(dá)到的效果簡(jiǎn)述如下:
正常工作時(shí)，當(dāng)手動(dòng)或遠(yuǎn)程起動(dòng)變頻器后，1KA1線(xiàn)圈得電,1KA1接觸器吸合，DCM621KH檢測(cè)到1KA1吸合狀態(tài),開(kāi)始充電，5S充電結(jié)束后，進(jìn)入抗晃待機(jī)模式,晃電發(fā)生后，電壓暫降，1KA1主動(dòng)釋放，變頻器停機(jī)，DCM621KH的AL繼電器打開(kāi)，閉鎖“變頻器故障閉鎖信號(hào)”輸出，DCM621KH內(nèi)部超級(jí)電容自動(dòng)投入，為抗晃電模塊正常供電，系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，在設(shè)定的最長(zhǎng)晃電時(shí)間內(nèi)(最長(zhǎng)9秒)，如果系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)了供電，裝置RE復(fù)位繼電器閉合，復(fù)位變頻器故障，經(jīng)再起動(dòng)延時(shí)，裝置RS繼電器吸合，自動(dòng)再起動(dòng)變頻器，恢復(fù)晃電前的正常工況。
五、主要特點(diǎn)及基本參數(shù)
1、主要特點(diǎn)
＞ 磁吸安裝，可靠靈活；
＞ 接插端子，維護(hù)便捷；
＞ 脈沖起動(dòng)，節(jié)能可靠；
＞ 晃電時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)10S，且易修改；
＞ 再起動(dòng)延時(shí)可修改，利于分批多電機(jī)環(huán)境；
＞ 電壓波動(dòng)未引起接觸器釋放，不會(huì)對(duì)抗晃模塊產(chǎn)生影響。
2、基本參數(shù)
＞ 系統(tǒng)功耗： 1W
＞ 安裝方式： 磁吸式
＞ 外型尺寸： 64mm*47mm*96mm（寬*高*深）
＞ 產(chǎn)品凈重： 約300克
＞ 適用電壓 ： AC220V（可定制）
＞ 起動(dòng)節(jié)點(diǎn)容量： 常開(kāi)，5A 440Vac/300Vdc
＞ RUN信號(hào)容量：常開(kāi)，超時(shí)返回，5A 250Vac/30Vdc
＞ 最大晃電時(shí)間：0-9s可調(diào)，步進(jìn)1S，0時(shí)模塊退出。
＞ 再起延時(shí)：0-1S 連續(xù)可調(diào)，步進(jìn)0.1S
＞ 適用回路：直接起動(dòng)、變頻器、軟起動(dòng)
六、外觀及安裝
需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行方案勘察，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行探討，確保抗晃方案改造后的效果。DCM621KH產(chǎn)品體積小，磁吸式安裝方式（如圖1，圖2），現(xiàn)場(chǎng)安裝方便。
