大功率設(shè)備在電網(wǎng)波動(dòng)下的研究對(duì)策

譚寶成，楊 成

（西安工業(yè)大學(xué) 陜 西 西 安 7 10032）

電網(wǎng)波動(dòng)指因雷擊、短路或其他原因造成電網(wǎng)短時(shí)波動(dòng)或短時(shí)斷電的現(xiàn)象。在供電系統(tǒng)中產(chǎn)生電網(wǎng)波動(dòng)幾種情況[1-2]：

1)電壓驟降、驟升，電壓驟升,持續(xù)時(shí)間0.5個(gè)周期至1 min,電壓上升或下降至標(biāo)稱(chēng)電壓的110～180%。電壓暫降/驟降是電壓有效值降至標(biāo)稱(chēng)值的10%～90%,且持續(xù)時(shí)間為10 ms至1 min(典型持續(xù)時(shí)間為10～600 ms)的電能質(zhì)量事件之一。

2)短時(shí)斷電，持續(xù)時(shí)間在0.5個(gè)周波至3 s的供電中斷(如備自投、重合閘等)。

3)電壓閃變，電壓波形包絡(luò)線呈規(guī)則的變化或電壓幅值一系列的隨機(jī)變化一般表現(xiàn)為人眼對(duì)電壓波動(dòng)所引起的照明異常而產(chǎn)生的視覺(jué)感受。

電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)交流接觸器的影響[3-5]。由于工作原理的特點(diǎn)，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)，會(huì)由于額定電壓的下降或者中斷，導(dǎo)致線圈對(duì)鐵芯的吸力小于釋放彈簧的彈力，導(dǎo)致接觸器釋放，因此很大一批的電機(jī)停止工作，進(jìn)而影響裝置的正常運(yùn)行，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)和人員安全，會(huì)對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大的損失。據(jù)資料介紹，一般交流繼電器當(dāng)電壓低于線圈額定電壓的50%，時(shí)間超過(guò)一個(gè)周期時(shí)，接觸器釋放；當(dāng)電壓低于 80%甚至更高，持續(xù)五個(gè)周期時(shí)，接觸器也釋放。由于交流接觸器在企業(yè)中的廣泛運(yùn)用，文中以交流接觸器為主要的控制對(duì)象進(jìn)行研究、分析。

1 控制器結(jié)構(gòu)框圖

通過(guò)分析可知當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)，用控制器來(lái)保持交流接觸器的吸合，當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)在5 s內(nèi)時(shí)恢復(fù)正常控制器恢復(fù)正常工作；當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)超出5 s時(shí)，控制器默認(rèn)為掉電狀態(tài)，交流接觸器斷開(kāi)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示；總體結(jié)構(gòu)包括：電源模塊，交流電壓、電流和直流電流檢測(cè)模塊，主控制模等構(gòu)成。電網(wǎng)220 V交流電給整個(gè)模塊提供電源，通過(guò)電源模塊來(lái)給后續(xù)的模塊提供相應(yīng)的電壓，讓其能夠正常的工作運(yùn)行。在電源模塊中嵌入了檢測(cè)模塊的相關(guān)電路，來(lái)為檢測(cè)模塊提供相應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)。檢測(cè)模塊通過(guò)對(duì)電源模塊的電壓、電流檢測(cè)并轉(zhuǎn)化為控制模塊可以接收的控制信號(hào)。控制模塊通過(guò)檢測(cè)上來(lái)的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行分析處理并產(chǎn)生相關(guān)的控制輸出信號(hào)。通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)控制來(lái)解決電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)交流接觸器的脫扣問(wèn)題。

2 控制器電路設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

電源模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，在電源模塊中首先要解決對(duì)電容的充電問(wèn)題，在電容的選擇中，以半橋整流電路[6]進(jìn)行說(shuō)明。圖2中T為電網(wǎng)電壓的周期，設(shè)整流電路內(nèi)阻較小而RC較大，電容每次充電均可達(dá)到電網(wǎng)U的峰值，然后安RC放電的起始斜率直線下降，經(jīng)RC交于橫軸，且T處數(shù)值最小值Uomin，則輸出電源平均值為

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Control structure chart

同時(shí)按相識(shí)三角型關(guān)系可得

從圖2以及電容濾波的輸出的電壓平均值可知，在考慮到電網(wǎng)正常波動(dòng)范圍為±10%，可知電容的耐壓值應(yīng)該大于從式(4)中可知電容兩端最大輸出電壓342.2 V，即電容耐壓值選擇為400 V；帶載的情況下時(shí)，電容兩端的電壓由式子(5)可知為247.2 V。電容的從放電時(shí)間有兩種計(jì)算，其一的公式(6)可以大概計(jì)算出來(lái)；由于π型結(jié)構(gòu)后接的是集成芯片無(wú)法進(jìn)行電阻的等效。其二，可以根據(jù)能量守恒定律來(lái)估算電容放電時(shí)間；通過(guò)式(8)電容存儲(chǔ)能量估算為30 J；可以算出電容所存儲(chǔ)的能量放電時(shí)間估計(jì)為6.25 s，滿足設(shè)計(jì)要就在實(shí)際電路圖3中測(cè)量的LNK306空載情況下輸出電壓為23.6 V，帶載情況下的電壓為20.6 V；在交流接觸器內(nèi)阻為120 Ω的情況下測(cè)得晃點(diǎn)時(shí)間為6 s左右，其中有時(shí)不穩(wěn)定。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明電容選擇400 V/1 000 μF的情況下滿足設(shè)計(jì)的要求，可靠地為交流接觸提供能量。

圖2 電容輸出波形Fig.2 The output waveform of capacitance

圖3 電源模塊Fig.3 Power module

2.2 檢測(cè)模塊

本次設(shè)計(jì)中交流側(cè)電壓，電流和直流側(cè)電流的檢測(cè)是為控制單元提供可靠的信號(hào)源；其中電壓、電流的模擬信號(hào)通過(guò)光電隔離器和上拉電阻將其轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號(hào)。對(duì)于交流側(cè)電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)提出了兩種設(shè)計(jì)方案[7]。其一，通過(guò)常規(guī)的3個(gè)電阻分壓，整流橋整流、電容濾波使得光電隔離器的導(dǎo)通如圖4所示，即當(dāng)P3.3為低電平時(shí)表示交流側(cè)回路中有電壓。其中所有檢測(cè)所對(duì)應(yīng)的實(shí)際回路狀態(tài)如下：

圖4 交流側(cè)電壓檢測(cè)Fig.4 AC-side voltage detecting

1)檢測(cè)到交流側(cè)電壓信號(hào)和直流側(cè)電流信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)正常工作；

2)交流側(cè)電壓檢測(cè)信號(hào)為高電平且直流側(cè)信號(hào)為低，出現(xiàn)晃電模式；

3)檢測(cè)信號(hào)中只有直流電流信號(hào)，進(jìn)入到防晃電延遲階段；

4)交流側(cè)電壓檢測(cè)信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑫r(shí)檢測(cè)到交流側(cè)電流信號(hào)，晃電結(jié)束；

5)沒(méi)有任何檢測(cè)信號(hào)，進(jìn)入到斷電階段。

其二，是由于在離線切換方式中對(duì)于檢測(cè)時(shí)間的有很高的要求以及可以對(duì)檢測(cè)的有效信號(hào)進(jìn)行重復(fù)的輸出，設(shè)計(jì)通過(guò)半橋整流后經(jīng)過(guò)光電隔離器產(chǎn)生方波信號(hào)經(jīng)過(guò)555定時(shí)器構(gòu)成的可重復(fù)觸發(fā)[8]的電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 555定時(shí)器對(duì)交流信號(hào)檢測(cè)Fig.5 Timer AC signal detection

555定時(shí)器構(gòu)成的可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)的工作波形圖如圖6，其中暫態(tài)時(shí)間計(jì)算(9)可知設(shè)置的tw至少為11 ms，當(dāng)交流側(cè)電壓出現(xiàn)斷路時(shí)光耦輸出的方波不正常時(shí)間t1，從而555定時(shí)器出輸出電壓為低電平；當(dāng)交流側(cè)電壓恢復(fù)正常時(shí)，555定時(shí)器輸出回到高電平仿真；可以準(zhǔn)確的檢測(cè)到系統(tǒng)是否出現(xiàn)電網(wǎng)波動(dòng)的情況；同時(shí)也可是在較短的時(shí)間內(nèi)迅速的檢測(cè)到交流側(cè)電壓的掉電情況為后續(xù)的電源切換提供充足的時(shí)間。

圖6 可重復(fù)觸發(fā)波形Fig.6 Retriggerable waveform

根據(jù)兩種檢測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)可知前者可以準(zhǔn)確的檢測(cè)到掉電信號(hào)，同時(shí)也可以了解到?jīng)_掉電到產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)的時(shí)間，后者在電壓有波動(dòng)的可能檢測(cè)不到到波動(dòng)信號(hào)。

3 控制方式的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)中提出兩種設(shè)計(jì)方案：一種是在線切換方式；一種是在離線切換方式。在線方式為在交流電源正常運(yùn)行，檢測(cè)信號(hào)反饋給主控制器的信號(hào)正常的情況下，主控制器給出切換電源的信號(hào)，即交流接觸器在切換后正常工作是通過(guò)直流電源來(lái)維持的方式。離線切換方式為在交流電源沒(méi)有斷開(kāi)時(shí)交流接觸器工作正常，當(dāng)出現(xiàn)電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)交流電源突然落下，這時(shí)控制器檢測(cè)到交流電源斷開(kāi)，主控制器通過(guò)分析交流電源信號(hào)給出切換電源的信號(hào)，讓其迅速的切換到電容存儲(chǔ)的電能供電，從而通過(guò)直流來(lái)防止交流接觸器脫扣，讓其維持在原有的正常工作。

3.1 在線切換方式

本次設(shè)計(jì)中采用在線切換的方式進(jìn)行工作。控制器啟動(dòng)后，前幾秒可重置延時(shí)時(shí)間；正常工作時(shí)，先對(duì)電容進(jìn)行充電延；主控制器給P1.4為低電平繼電器迅速切換到直流側(cè)，采用直流電源來(lái)維持交流接觸器的吸合；當(dāng)出現(xiàn)電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)，檢測(cè)到交流側(cè)有電壓斷開(kāi)的狀態(tài)，P1.4端口保持低電平，使控制器繼續(xù)工作在直流側(cè)，當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)結(jié)束后，交流側(cè)恢復(fù)正常，主控制器接收到信號(hào)，給出P1.4為高電平，交流側(cè)補(bǔ)充電容在電網(wǎng)波動(dòng)只中消耗的能量從而為下次防電網(wǎng)波動(dòng)做準(zhǔn)備；當(dāng)交流側(cè)為斷電狀態(tài)控制器進(jìn)入到斷電延遲階段，使得交流接觸器繼續(xù)正常工作，如果超過(guò)延時(shí)設(shè)定時(shí)間后，控制繼電器切換到交流側(cè)，交流接觸器斷開(kāi)。該控制方式保證交流接觸器能在切換的過(guò)程中不出現(xiàn)抖動(dòng)和脫落的情況。控制電路圖7所示。

圖7 控制電路Fig.7 Controlling circuit

3.2 離線切換方式

對(duì)于離線切換方式重點(diǎn)在于對(duì)于交流信號(hào)的檢測(cè)上，通過(guò)檢測(cè)到交流信號(hào)的掉電狀態(tài)，單片機(jī)給出控制信號(hào)切換到直流側(cè)，來(lái)維持交流接觸器的吸合狀態(tài)并進(jìn)入控制器的延遲狀態(tài)；隨著電網(wǎng)波動(dòng)恢復(fù)，檢測(cè)信號(hào)重新輸出高電平，控制器延遲狀態(tài)清零，系統(tǒng)進(jìn)入到正常工作狀態(tài)。

4 試驗(yàn)分析

通過(guò)實(shí)物檢測(cè)電網(wǎng)波動(dòng)電模塊的整體測(cè)試中出現(xiàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析。在對(duì)電容充電的控制器設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)區(qū)分火線和零線并且在接線時(shí)也應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循這一規(guī)則，當(dāng)火線和零線接反后可能對(duì)導(dǎo)致后面燒壞后面的電路；當(dāng)交流接觸器的內(nèi)部線圈的電阻值小于200 Ω時(shí)，出現(xiàn)在電網(wǎng)波動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)不可靠的現(xiàn)象，其中當(dāng)接觸器相連的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，再次閉后由交流電源向直流電源切換的過(guò)程中，交流接觸器保持不住。原因在原交流接觸器的線圈阻止太小，通過(guò)直流電源供電提供不了這么大的維持電流導(dǎo)致交流接觸器脫扣的情況。這種情況解決的辦法是調(diào)高電容的量從而能夠提供出較大的電流。

5 結(jié)論

控制器設(shè)計(jì)采用一種在線電源切換的方式，可以達(dá)到延遲時(shí)間為5 s的防電網(wǎng)波動(dòng)的效果。可靠有效地解決電網(wǎng)波動(dòng)等對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響。具有可靠性高、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作方便、體積小、靈活性高的特點(diǎn)。

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