一种面向设备电气元器件的电能质量解决方案

一种面向设备电气元器件的电能质量解决方案——上海通用汽车有限公司电能质量治理王俊1，奚珣2，潘国美2，赵洪明3,(1．上海捷实机电科技有限公司，上海200041；2．上海市电力公司市东供电公司，上海2001223．上海通用汽车有限公司，上海201206）摘要：电压暂降作为新型电能质量的主要问题，给当今的生产工艺制造了巨大的麻烦。本文介绍了一种新的电能质量治理理念——先评估调查后治理，即先进行深入详实的电能质量评估，在充分掌握相关数据的基础上，来分别确立具体的治理方案。并推荐了一种先进的综合型电能质量治理方法——面向设备控制回路和电气元器件的嵌入式硬件与软件参数调整相结合，即通过在特定的生产设备上做硬件治理，在一些关键设备的参数调整，来达到综合治理的效果。该综合治理方案优势明显：（1）可以提供无需电池、免维护的治理方案；（2）可以实现最经济有效的电能质量治理方案；（3）可以在现场进行治理项目有效性的验证。关键词：电压暂降，嵌入式，DySC，电能质量治理，评估调查，最经济治理方案1、引言上海通用汽车有限公司（SGM）作为一家世界著名的轿车生产商，自1999年投产受到多次因电能质量问题而导致的停机、停产事故。起初，很多事故发生时连日光灯闪动都没有、让人莫名其妙，大多数机器仍在工作，而有些机器确停机了，这样的事故虽然不是特别多，但平均起来每个月发生1～2次，就是这样的1～2每年造成的直接和间接经济损失确难以估量。SGM采用的是双回路110kV和35kV供电方式，作为一家制造型企业，这样的供电方式应足够保证供电可靠性性。然而供电的可靠性并不等同于供电质量或电能质量，供电可靠性用供电的连续性来描述，电能质量是指导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差[1]。当前电能质量中的一个重要问题是VoltageSag（目前这一术语在国内学术界尚无统一中文译名，有翻译为电压暂降的，也有翻译为电压骤降的，本文采用电压暂降），它的作用时间很短（通常为几十到几百毫秒，一般不会超过1秒），却能够造成很多敏感设备的停机；而产生电压暂降的原因又非常复杂，有自然因素，也有人为因素，有供电部门系统保护的因素，也有用户设施内部的原因和误操作等的因素。据国外资料统计，电能质量问题90%以上是由电压暂降引起的。在国外，企业和学术界对电压暂降的认识较早，并建立了一系列国际标准(如IEC61000-4-11、IEC61000-4-34、IEEE1159、USFAA,和USMILSTD等)、行业标准(如SEMIF47，SEMIE6、ITIC(CEBMA)）和企业为保障生产正常运行而制定的电能质量标准(SamsungPower图1.1美国硅谷地区半导体工厂电压干扰记录Vaccine)等；我国的电能质量标准中，对暂态的电压暂降尚无明确规定，这使得用户和供电部门在面对相关问题时难以达成一致。图1.2目前国际上一些重要的电能质量标准2、SGM电能质量治理项目的内容与方法2.1国外对电压暂降的治理策略与方法国外的电力用户，特别是一些对加工工艺要求很高的半导体制造企业，在遇到电压暂降问题的初期，多要求电力公司提高供电可靠性。这一做法，使每度电的费用或初期投资提高了好几倍，然而电压暂降的问题却没有得到有效地解决。我们以供电的可靠性为99.99999%为例（在实际供电中要达到七个九这么高的可靠性难度很大），按照一年365天来计算，每年累积停电时间为3.1536秒，然而，尽管有如此高的可靠性，对电压暂降而言每年仍然能达到平均10～12次。虽然投资费用很大、但抗电压暂降效果不佳。后来，通过多年对电能质量问题进行全面调查统计发现百分之九十以上的电能质量问题为电压暂降问题，敏感电力用户开始认识到一味地要求电力公司从供电侧提高供电可靠性对解决电压暂降问题意义不大，转而将焦点放到设备生产商和用电设备上，要求设备生产商提供的设备具有很好的抗电压暂降性能，并要求从制造企业内部的敏感设备着手来解决电能暂降造成的停产。在争论和研究中，一步步加深了对电能质量问题的认识，逐渐形成了电能质量方面的国际标准和行业标准，来统一约束电力公司、设备生产商和制造企业。目前，国外对电压暂降问题的解决策略为：按照电能质量的国际标准或行业标准，逐渐由从供电侧来解决问题，演变成深入到企业生产设备内部，利用嵌入式方法逐级来解决问题，并总结出了对电能质量问题解决的新思路：即了解的越多花费越少。理论上来说，在任何一级设备上治理都可以达到改善电能质量的目的，但是所花费的硬件费用与时间却不同，可能是省钱不省力，省力不省钱。具体策略如下图：图2.1电能质量解决方案与成本比较目前，国际上进行电压暂降治理的新趋势正在从使用不间断电源(UPS)向无需电池且动态电压负载性能佳的电压暂降修正器(DySC)过渡。UPS方案因先入为主为企业所熟悉，但是它的维护和运行成本极高，其电池平均每隔数月就要进行一次性能测试，每隔2-3年更换一次蓄电池，故维护成本高而且带来很多环保问题；DySC是一项创新技术，它没有蓄电池，无需维护，动态负载性能佳，节能绿色环保，正在被越来越多的制造企业所接受，DySC方案是嵌入式电压暂降治理的趋势。2.2SGM电能质量项目的开展电能质量治理，从电力供应源头治理到整条流程生产线的治理，到机器级的治理，再到机器控制级的治理，治理费用以10倍的比例下降。结合我国企业规模相对不大的客观实际，我们更提倡对生产设备进行机器级或控制级进行治理，甚至是深入到机器设备内部的电气元器件级治理，这样治理费用大约是整条生产线治理费用的1/10～1/20。这里提倡的一个理念是：先进行电能质量评估调查，然后再进行治理。没有调查就没有发言权。只有先进行深入细致的评估调查，才能充分了解各生产工艺的特殊要求、敏感机器设备的确切电气性能，从而将电能质量问题的范围缩小到最小，基于这样的评估调查得出的治理方案才是最经济有效的治理方案。（1）评估调查工作①电能质量监测统计SGM在工厂电力进线端安装了电能质量监测装置（PQ1），按照监测装置提供的电能质量标准选项选择了SEMIF47，来监测整个工厂的电能质量状况。PQ1的监测精度非常高，电压偏差为设定值的0.5%，最小时间为0.5周波（10毫秒）。监测装置精确监测了SGM工厂的电能质量状况，各车间的设备维护人员也将具体设备出现停机现象的准确时间做了记录，二者结合起来提供了SGM电能质量引起停机、停产设备的有效资料。此项工作进行了2年左右，记录了大量的有效点，为后期治理项目的开展提供了难能可贵的统计资料。②现场设备巡视电能质量专家深入到SGM的生产现场，巡视生产设备，了解生产对设备的具体工艺要求，对现场设备维护人员进行调查，了解电压暂降对设备的具体影响，设备对电压暂降的反应，根据嵌入式治理的理念确定设备的重要程度和敏感程度；缩小待治理设备的范围。③设备及电气元器件的性能测试电能质量专家在反复研究了SGM电能质量引起停机、停产事故统计后，并结合半导体行业的电能质量标准SEMIF47，充分考了上海浦东的电能质量状况及SGM的设备与生产工艺要求后，为SGM建立了企业自己的电能质量标准。为确保电能质量治理项目的效果、配合治理项目的实施，SGM还建立了电压暂降实验室，电能质量专家在实验室里按照SGM自己的电能质量标准，对生产线上可疑确定它们是否符合SGM的电能质量标准。测试试验的关键是要模拟各种电压暂降的情况，因为让生产运行设备等待真正电压暂降的到来时再来检验其治理效果会使项目需时过长，且不利于及时总结归纳，达到尽快推广的目的。SGM电压暂降试验，采用了工业电压暂降发生器(IPC)模拟装置，它完全符合IEC-61000-4-11、IEC-1010等国际标准，并内置有各种电能质量标准（如IEC61000-4-11和SEMIF47等）的内设电压暂降值，也可以任意设置电压暂降的幅度、持续时间和相位角，IPC的工作电压范围为100～480V，负载输出电流三相连续电流可达200A，峰值电流高达600A，它可以很好的模拟工业现场的各种电压暂降情况。图2.2工业电压暂降发生器的设备和电气元器件进行抗电压暂降试验，以图2.3上海通用汽车有限公司电压暂降记录VoltageSagRecordsofShanghaiGM上海通用电压暂降记录010203040506070809010001002003004005006007008009001000DurationofVoltageSaginms电压暂降持续时间（ms）EquipmentVoltage(%)设备电压暂降到额定电压的%SEMIF47IEC61000-4-11SEMIF47IEC61000-4-11DySCProtection（2）治理实施工作经过大量的评估调查工作，我们对SGM的设备的性能有了确切的认识，大部分设备的动力供电回路对电压电气元器件的DySC保护感程度不高，而设备控制回路比较敏感这一情况，为寻找最经中将230V交流转换成24V直流，为控制回路的元器件和现场通讯中枢系统进行供电（机转速要求不是很高的情况下，可以通过调整变频器的某些参数来达到提高3．电能质量治理项目的成果.1电能质量治理项目的效果SGM电能质量标准用IPC产生一系列电压暂降，检验经DySC保护后相关设暂降敏感程度不高，而控制回路则比较敏感。同时，加工工艺的要求也不同，有的工艺允许设备输出有一些波动，只要不停机就可以；而有些工艺对设备要求极高，不允许输出有任何波动。前期评估调查的意义在这里有所体现，增强了治理方案的针对性。针对设备性能的差异和加工工艺的要求不同，面向控制回路的治理方案也有所不同。①设备控制回路和针对大部分设备的动力供电回路对电压暂降敏济有效的电能质量治理方案，项目重点集中在230V交流设备控制回路和敏感电气元器件。经电压暂降测试发现，它们中部分产品的抗电压暂降性能较差，考虑到它们的电流量很小，因此对它们进行相对集中的采用电压暂降修正器（DySC）保护。②稳压电源的更换稳压电源在控制回路如PLC、Interbus、ProfiBus等），它的抗电压暂降性能决定着整个生产工艺设备的正常工作。经电压暂降测试发现，有些稳压电源抗电压暂降性能较差，不能满足生产工艺的正常工作，同时考虑到对稳压电源进行硬件保护的费用比稳压电源本身的费用要高，而市场上相同容量的其他型号的稳压电源可以满足SGM的电能质量标准，因此针对稳压电源的治理方案是将其更换。③变频器和PLC的参数调整当工艺要求对变频器驱动的电动其抗电压暂降性能的目的，这是在反复研究变频器技术资料和大量测试的基础上得出的方案，此方案无需任何硬件投资。经参数调整，某种型号的变频器居然可以充分利用其固有的能量实现三相断电约3秒钟，电动机仍然可以运行，这样的效果简直令人难以致信。PLC也可以通过某些参数调整提高其抗电压暂降性能。SGM3（1）电压暂降发生器(IPC)验证①在SGM的生产线上，按照备的抗电压暂降性能优异。某一设备的电气性能曲线如下：用IPC在L1-L2上产生一个暂降到设备额定加装DySC保护后，DySC在极短的时间内输Cursor:-1ms117.24Voltswww.PowerStandards.com500-500-300-100100300VoltsL1-L2load-milliseconds-2005-8-25:07:42-40-12164472100128156184212240电压50%、持续时间为10个周波的电压暂降。左图为加装DySC之前设备的输入电压。在这种电压状况下，该设备立即停机。Cursor:-1ms-41.52Voltswww.PowerStandards.com-500-300-100100300500Volts出几乎完美的正弦波，设备平稳运行，丝毫不受电压暂降的影响。DySCOutput(±1000V)-milliseconds-2005-8-25:07:42-40-12164472100128156184212240z,230V）能（电压为50Hz,230V）②用IPC在上产生10周波的电压暂降，这种工况比较极端