UPS在连铸机中的电压凹陷处理与应用

1、UPS在连铸机中的电压凹陷处理与应用姓名：魏佳星分厂：不锈钢炼钢分厂岗位：电气运行值班维护摘要基于板坯连铸机控制系统的分析，讨论当公司电网故障时导致板坯连铸机生产电压凹陷中断的情况，产生板坯连铸机突然浇注中断。结果表明，板坯连铸坯出现严重的卧坯；连铸机的振动、拉矫停止工作死锁重新启动，导致连铸机处于过程瘫痪，造成严重的设备损坏损失。本文旨在讨论当产生电压凹陷时， UPS在连铸机中的处理与应用。关键词：连铸；电压凹陷；UPS一、 电压凹陷的定义（一）电压凹陷（Voltage Sag）也称为电压跌落（Voltage Dip）,IEEE Std.1159将电压凹陷定义为：工频电压有效值下降到额定电压

2、的10%90%范围内，持续时间为半个工频周期到1分钟。电压凹陷一般可以用三个量来描述：凹陷幅值、持续时间和相位跳变。（1）凹陷幅值：凹陷幅值反映电压下降程度。常以凹陷后系统残留电压和额定电压的百分比表示。（2）持续时间：凹陷持续时间是指从电压有效值下降到一定门槛值（一般取90%）开始到电压恢复到此门槛上所经历的时间。（3）相位跳变：电压凹陷不仅造成电压降落，还会造成相位跳变，是利用电压相位来工作的设备容易受到干扰。（二）电压凹陷的分类方法有多种，下面主要介绍三种电压凹陷。（1）故障引起的电压凹陷 故障引起的电压凹陷发生时电压幅值突然下跌，结束时快速恢复。系统某个位置的凹陷深度由故障类型和与故障

3、点的距离决定。凹陷持续时间取决于保护的类型，在半个工频周期到数秒间的变化。如图一所示。图一 故障引起的电压凹陷在三项系统中可能发生单相、两相和三相故障。故障引起的电压凹陷的幅值和相位以及在哪些相发生与很多因素相关，如：系统是否严格接地、变压器接线方式、负荷接线方式等。将故障引起的电压凹陷分为以下四类：凹陷是三相电压幅值都降到相同的程度；凹陷只有一相发生凹陷；凹陷有两相的幅值和相位都发生了改变；凹陷有两相的幅值和相位发生改变，另外一相只是幅值发生了改变。（2）感应电动机启动引起的电压凹陷感应电动机的启动电流是稳态运行时的510倍。启动电流造成电压凹陷。凹陷深度取决于感应电动机特性和联接处的系统容

4、量。其特点是凹陷发生时电压突然下跌，结束时平缓恢复，三相电压降几乎是一样的。如图二所示。图二 感应电动机启动引起的电压凹陷（3）变压器激磁涌流引起的电压凹陷变压器激磁电流可达正常值得几十倍甚至几百，足以形成电压凹陷，如图三所示。图三 变压器激磁涌流引起的电压凹陷其特点是电压突然下跌，结束时缓慢恢复，但三相的电压降是不一样的。此外，还伴随有一定量的二次谐波畸变。二、 1#连铸机当前的技术状况酒钢不锈钢分公司炼钢分厂1#连铸机自2005年投产以来，为治理电压凹陷问题，就使用一台400KVA的UPS给拉矫电机、液压站机切割车供电。可以在发生突然断电及电压凹陷时保证设备正常运行，降低了卧坯、漏钢造成的

5、经济损失，且提高了设备性能和装备电控水平。三、 产生电压凹陷后造成的影响产生电压凹陷后，会对工业用电设备产生严重的影响。电压凹陷造成的危害如下所示。计算机：当电压低于60%，持续时间超过12个周期时，计算机程序紊乱，数据丢失。芯片测试仪：当电压低于85%时，测试仪停止工作，芯片、主板被毁坏。电动机接触器：当电压低于50%、持续时间超过一个周期，电动机接触器就会脱扣。PLC可编程控制器：早期产品当电压低于10%仍能工作15个周期；新产品当电压低于50%60%时PLC停止工作。直流电机：当电压低于80%时，直流电机被跳闸。调速装置：当电压低于70%，持续时间超过6个周期时，调速装置被切除。而对于一

6、些精细加工业中的电机，当电压低于90%、持续时间超过三个周期时，电机就会被跳闸而退出运行。综上所述，当发生电压凹陷时，交直交变频装置、直流调速装置的直流侧电压骤降超过允许值，使逆变器无法正常工作，致使板坯连铸机拉矫、振动传动全部失去电源支持，造成板坯连铸机“卧坯”停产，板坯连铸机的振动、拉矫停止工作死锁重新启动，导致主机处于过程瘫痪，造成严重的设备损坏损失。四、电压凹陷的抑制措施敏感用户为了减小电压凹陷的影响，可以装设各种补偿装置。目前用于治理电压凹陷的主要补偿装置如下。（1）不间断电源（UPS） 过去UPS是补偿电压凹陷和供电中断最常用的装置。UPS的优点是它让负荷能在断电和凹陷时都能正常运

7、行。它的缺点是损耗大，而且蓄电池需要维护和周期性的更换，这导致成本的增加、容量大、费用高。（2）磁谐振变压器（CVT） CVT的基本结构是一个三绕组变压器，原边作为输入，副边接负荷，第三边调整电容器。CVT运行在饱和区域调整负荷端电压。在电压凹陷下降到正常值的70%任能使负荷安全过度。在满负荷时CVT的效率可以达到70%75%。为了对满负荷提供足够的凹陷保护，CVT的容量常常比满负荷的正常容量大。CVT广泛应用于低于20KVA 的容量。（3）静止开关切换（STSS） 当负荷有备用电源（或独立电源）时，发生故障后可以通过STS来供应负荷电压。电源用电力电子开关并联的形式连接到负荷。通常负荷由一个

8、电源转换到另一个需要一个半周期。（4）多分接头变压器多分接头变压器由电力电子开关在每个分接头构成，用来对电压变动进行调节。目前市场上产品的最低反应时间是一个半周期。它只能对凹陷幅值进行有限补偿。鉴于较慢的反应速度和有限的凹陷补偿能力，这种方式在缓解凹陷的应用上并不广泛。（5）电动机发电机组（MG）MG通过电动机驱动交流发电机给负荷供电。旋转机器的中间时期可以对凹陷进行补偿。在附加上一台飞轮时，MG就可以成为一台“旋转的UPS”，可以对凹陷和断电补偿（最长可达几秒）。飞轮的大小决定频率下滑和对电压的调整。（6）动态电压恢复期（DVR）负荷正常运行时DVR被旁路，有系统提供电压；当凹陷发生时，DV

9、R向系统注入需要的电压以保持复合电压波形。补偿电压通常由串联变压器注入系统。由于DVR只在电压凹陷出现时提供负荷满足正常电压所需的功率消耗，所以效率较高、费用较低。五、 UPS在处理电压凹陷中的应用（一）UPS的供电原理用户的UPS供电基本由用户配电箱、UPS、电池组、UPS输出配电设备、负载配电插座五部分组成。用户交流配电箱 UPSUPS输出配电设备负载配电插座电池组工作原理：系统有三种工作方式：正常情况下，UPS的电源输出有自动旁路供给，该旁路有双向可控硅组成的稳压、调频环节，可以向负载供给频率稳定、电压稳定的三相380V 交流电源；同时，整流器工作，向电池组充电。当外接电源故障断电时，电

10、池组向逆变器输入430V直流电压，经逆变后向负载供给频率稳定、电压稳定的三相380V 交流电源。当UPS系统故障检修时，负载供电可由手动旁路供给。此时，系统不具备不间断供电功能。系统单线图如下：KM40由变流器供电由旁路供电Q3输出电抗器Q 20 电池组 32块整流变压器旁路变压器Q 4Q 5逆变器整流器X3X2X2手动旁路自动旁路UPS电源供给负载一个稳定的、连续的工作电源在市电提供时，UPS供给电池充电并输出稳定、可靠电源；在市电停电或波动时，UPS由电池放电并输出稳定、可靠电源。UPS由三相整流器、三相逆变器、静态开关、电池组及控制部分组成。（二）UPS的在处理电压凹陷中的应用我们以近年

11、使用比较广泛的，采用微处理器调控的小型在现实UPS电源为例，介绍UPS电源的工作原理。（1）市电输入电路在上图中我们看到，市电经滤波后对于来自电网的电磁干扰和射频干扰首先进行衰减和抑制处理后，分成两路去控制后级电路的正常工作。直接经交流旁路供电通道送到转换开关（即转换继电器，高速的转换时间约为24ms，计算机要求的最大间断时间约为78ms）的输入端，即转换继电器的常闭触点上；当UPS的逆变器正常工作时，转换开关是将交流旁路供电通道与负载之间的供电通道予以切换的。市电电源送到文谐振式变换器的输入端上。然后一路经充电器对于UPS机内的电池组进行充电，当市电供电中断时，蓄电池有足够的能量来支持UPS

12、的正常运行；一路到控制电路，一路到逆变器。（2） 微处理控制电路这种UPS的控制中心是由微处理器芯片完成的。微处理器通过变换器控制器去驱动具有输入功率因数校正功能的谐振变换器。电路中的谐振变换器具有的调控功能主要有：可以使UPS的输入功率因数从普通UPS的0.8左右提高到0.97以上，并可基本消除由普通UPS产生的影响市电的谐波干扰。将市电输入的50Hz、220V低频正弦交流电，变成20KHz、410V左右的高频电压正弦电源。电路中采用脉宽调制的串联谐振输入电路，能够允许市电电压波动范围很宽的情况下，均能保持输出的稳定。其允许的范围可达120264V。（3）UPS的自动保护 逆变器输出过载或短

13、路的自动保护对于小型的UPS电源，若负载端严重过载，甚至短路，保护电路应立即将逆变器电源置于关闭状态。进而防止逆变器中的功率管（MOS管或IGBT）被烧毁。另外为保证负载的供电，控制电路还应将输出继电器由逆变输出转到旁路输出。这样由驱动能力很强的市电来维持正常的工作或烧毁保险丝。 电池电压过低自动保护当市电故障时，蓄电池将向逆变器提供直流电源。当工作时间较长时，电池组的电压将要下降当端电压下降到一定值时，为防止电池组过度放电而遭受损坏，UPS会自动地将逆变器关闭。（三）UPS在PLC系统供电中的应用酒钢不锈钢自建厂以来就采用技术含量高的炼钢设备，大都采用进口设备，自动化程度相当高，其中有大量P

14、LC（可编程控制器）系统，需外配UPS，容量从3kVA到80kVA。UPS冗余方案选择 在PLC系统中，为保证系统的可靠性和供电安全性，建议采用1+1并机冗余集中供电方案。这种方案中，两台UPS 正常工作时，平均承担系统总负载，各承担50%，其工作可靠性是单机系统的5.5倍。例如一台UPS单机的MTBF（平均无故障时间）为30万小时，则 1+1系统中，其MTBF为165万小时，可靠性大大提高。以连铸计算机系统的PLC系统来看，需要有以下所需的参数：整流器额定输入电压：380V10%（三相电源）旁路隔离变额定输入电压:380V10%（二相电源）逆变器额定输入直流电压：220V稳态电压特性：1%动

15、态电压特性：波峰小于8%，稳定时间小于40毫秒。输出频率：与交流输入同步。波形失真：小于5%。工作原理是：当主电源正常时，供电路径为主电源隔离变2整流器逆变器PLC及计算机，主电源隔离变2整流器UPS电池充电；当主电源停电时，供电路径为UPS逆变器PLC及计算机。目前，连铸区域的PLC系统设备有主PLC4套，远程PLC 系统16套，服务器3套，客户机4套，工程师站1套。每套主PLC功率： 220V*0.5=110VA每套远程PLC功率：220V*0.4=88VA 每台操作站功率： 220V*2A=440VAPC客户机及服务器：220V*1.5A=330VA则总功率：4*110VA+1*440V

16、A+3*330VA+16*88VA=4598VA，因此选用的UPS为4598VA/0.8=5747VA,选用10KVA的UPS或选用2台5KVA的并联1+1冗余运行的UPS既可以满足要求。目前，1#连铸机选用的是10KVA的UPS。（四）UPS的使用和维护UPS蓄电池在UPS电源设备中占有十分重要的地位。因此，在使用和维修UPS电源时，正确认识UPS蓄电池、科学使用UPS蓄电池、掌握测试和挑选UPS蓄电池的方法就显得尤其重要。科学使用电池就是要明确电池的正确使用方法，延长电池的寿命，使之发挥最大的作用。（1）保持适宜的环境温度影响蓄电池寿命的重要因素是环境温度，一般电池生产厂家要求的最佳环境温

17、度是在之间，虽然温度的升高对电池放电能力有所提高，但付出的代价却，是电池的寿命大大缩短。据试验测定，环境温度一旦超过，每升高电池的寿命就要缩短一半。目前所用的蓄电池一般都是免维护的密封铅酸蓄电池，设计寿命普遍是年，这在电池生产厂家要求的环境温度的提高，会导致电池内部化学活性增强，从而产生大量的热能，又会反过来促使周围环境温度升高，这种恶性循环，会加速缩短电池的寿命。（2）控制好充电电压，防止过压充电对于端电压为的电池，正常的浮充电压在之间。浮充电压过低，电池充不满，浮充电压过高，会造成过压充电。当浮充电压超过时，即认为是过压充电。过压充电会导致电解液中的水被分离成氢氧气而溢出，使电池的寿命缩短

18、。理想的充电电流应采用分阶段定流充电的方式，即在充电初期采用较大的电流，充电一定时间后，改为较小的电流，至充电末期改用更小的电流。充电电流的设计一般为，当充电电流超过时可认为是过流充电。过流充电会导致电池极板弯曲，活性物质脱落，使电池损坏。（3）防止电池过流放电电池实际放出的容量与放电电流有关。放电电流越大，电池的效率越低尽管小电流放电，能提高电池的效率，但是当用极小电流（小于）长时间放电时，将导致电池实际放出容量超过其额定容量，从而造成电池严重的深度放电。按厂家的数据，当电池放电深度为时，电池实际使用寿命约为次充放电循环；放电深度为时，约为次充放电循环。因此，在使用时，既要避免重载过流放电，

19、又要避免长时间轻载逆变造成电池深度放电。（4）定期充电放电电源中的浮充电压和放电电压，在出厂时均已调试到额定值，而放电电流的大小是随着负载的增大而增加的，使用中应合理调节负载，比如控制微机等电子设备的使用台数。一般情况下，负载不宜超过额定负载的。在这个范围内，电池的放电电流就不会出现过度放电。因长期与市电相连，在供电质量高、很少发生市电停电的使用环境中，蓄电池会长期处于浮充电状态，日久就会导致电池化学能与电能相互转化的活性降低，加速老化而缩短使用寿命。因此，一般每隔个月应完全放电一次，放电时间可根据蓄电池的容量和负载大小确定。一次全负荷放电完毕后，按规定财充电小时以上。这种定期的实验操作，有助

20、于延长电池寿命。一般正常使用的，其电池寿命不超过年。（5）利用通讯功能目前，绝大多数大、中型都具备与微机通讯和和程序控制等可操作性能。在微机上安装相应的软件，通过串并口连接，运行该程序，就可以利用微机与进行通讯。一般具有信息查询、参数设置、定时设定、自动关机和报警等功能。通过信息查询，可能获取市电输入电压、输出电压、负载利用率、电池容量利用率、机内温度和市电频率等信息：通过参数调协，可以设定基本特性、电池可维持时间和电池用完告警等。通过这些智能化的操作，大大方便了电源及其蓄电池的使用管理。（6）及时更换废坏电池目前大中型电源配备的蓄电池数量，从只到只不等，甚至更多。这些单个的电池通过电路连接构成电池组，以满足直流供电的需要。在连续不断的运行使用中，因性能和质量上差别，个别电池性能下降、储电容量达不到要求而损坏是难免的。当电池组中某个些电池出现损坏时，维护人员应当对每只电池进行检查测试，排除损坏的电池。更换新