功率电感:敏感性负荷电能质量问题研讨(二)
在交流电压值低于直流侧电压时,负荷消耗的能量都来自电容器的储能。设电容量为C,暂降前和暂降期间的直流侧电压分别为U0和U(t),直流侧负荷功率为P,则暂降后某一时间t,直流侧电压表达式为:
只要直流侧电压大于交流电压的值,式(1)就成立。
电压暂降期间,设备电源跳闸是由于二极管整流器直流侧电压低于电压调节器能够正常工作的小输入电压Umin造成的,Umin取决于电压调节器的设计,一般在50%~90%额定值之间。若忽略直流电压纹波,则直流侧电压与交流电压幅值相等,只要暂降时交流侧电压幅值Uac>Umin,设备电源就不会跳闸。当Uac<Umin时,如果暂降持续时间大于一定值tmax,直流侧电压将一直衰减至小于Umin,设备电源将跳闸。tmax由下式可得:
就计算机而言,其正常安全工作电压为90%~110%,当电压下降到70%及以下,持续时间超过20ms(或60%及以下,持续时间超过240ms),计算机就可能无法工作。IBM公司统计表明,48.5%的计算机数据丢失都是由电压不合格造成的。另据估计,信息产业80%的服务器出现瘫痪以及用户端45%左右数据丢失和“出错”均与电压暂降有关。由计算机控制的自动生产线、机器人、机器手、精密加工等,在电压暂降时也可能停止工作或产品质量下降。相比计算机,可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)在工程上的用途更为广泛,因为整个工业流程通常都是在这些装置的控制下进行的。
各类可编程逻辑控制器对电压暂降的敏感程度有很大差别,但一般来讲,PLC的某些部分对电压暂降非常敏感。例如,电压仅有几周波低于90%额定值,远端I/O单元就会跳闸。图3为两个不同类型PLC的电压暂降承受能力测试结果,从图中可以看到同一功能不同类型的PLC对不同电压暂降的承受能力。较新的类型1控制器在电压降低至额定值的50%~60%时就较为敏感,而较早的类型2控制器则能够承受15个周波的零电压。这说明电子装置正在变得对电压变化越来越敏感,即随着高新技术的发展,电压暂降所带来的危害有加重的趋势,应当引起关注。
图3不同类型PLC对电压暂降的敏感性
2.2、可调速驱动装置
可调速驱动装置(adjustable-speeddrives,ASD)是工业过程中关键的设备之一,用于控制电动机的速度、转矩、加速度和转动方向。其对电压暂降非常敏感,当电压下降30%~40%,持续120ms时,用户的ASD就停止运转,并且当驱动的过程对电机的转速和转矩要求严格时,装置对电压暂降就更加敏感。可调速驱动通过一个三相二极管整流器或三相可控整流器由交流电源供电。一般来讲,种方式多见于交流驱动中,第二种方式则在直流驱动和大型交流驱动中多见。由于机理相似,这里仅选取通过三相二极管整流器供电的中小型交流驱动装置进行讨论。
多数交流驱动的结构见图4。三相交流电压经三相二极管整流器整流后由直流侧电容器滤波,一些驱动的直流侧可能还会串入一个电感。整流得到的直流电压经电压源型逆变器(VSC)逆变成频率和幅值都可变的交流电压供给电动机。
图4典型的交流驱动结构
当发生电压暂降时,一方面,驱动装置的电气部分可能因电压暂降而非正常工作或跳闸;另一方面,一些驱动装置所驱动的过程要求极其严格,可能不能承受因电压暂降而造成的电动机的转速和转矩的变化。大致说来ASD可能在下列情况下跳闸:
1)为了防止对可调速驱动电力电子元件的损坏,当驱动控制器的保护检测到工作条件的突然变化(例如电容器组的投切瞬态)时可能会使可调速驱动跳闸。
2)电压暂降引起的整流器直流侧电压的降低可能引起驱动控制器或PWM逆变器的故障或跳闸。
3)电压暂降期间交流侧电流的增大或暂降结束后直流电容充电引起的过电流可能造成过电流保护动作跳闸或使保护电力电子元件的熔断器熔断。
4)由电机驱动的过程不能忍受因暂降引起的电机速度的降低或转矩的变化。还需注意的是跳闸后,一些驱动装置在电压恢复时立即重新启动,一些驱动装置在一定的延时后重新启动,另外一些则需要手动启动。只有在过程能忍受一定的速度和转矩的变化时各种自动启动方式才是适用的。ASD在工业生产的很多领域都是不可或缺的。该装置可对工业过程造成直接或间接的影响,例如,冷却器的停运和延时后的启动可能影响工厂要求的温度控制,这将影响其产品的质量;而对于挤压车间或金属抽丝等过程,电压暂降造成的可调速驱动的速度下降或停转将使过程彻底停止运行。详细分析了交流和直流ASD装置在平衡和不平衡暂降时运行性能,特别是整流器的直流电压和电机转速的变化,并提供了一些治理措施实用建议。