電壓暫降對SMT 生產線的影響分析及解決

王耀坤

（珠海市鈺海電力有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引 言

隨著用電負荷逐漸復雜化、多樣化，大量具有非線性、沖擊性和不平衡特征的負荷投入使用，造成了供電網電能質量的惡化；同時，現代工商業中大量使用的計算機系統、機器人和正快速發展的高新技術產業對電能質量和供電可靠性要求卻越來越高[1]。

統計表明，電壓暫降是目前最突出的電能質量問題，因電能質量問題導致工廠非計劃停產停機的事故中，92%是電壓暫降事件引起的[2]。電壓暫降是一種供電電壓有效值在短時間內突然下降又回升恢復至正常值附近的現象，這種現象在電力系統中往往持續0.5～30 周波，電網中的短路故障、大功率用電設備（如感應電動機）啟動或重負荷出力迅速增加都會導致電壓暫降的發生。

據NEPCON China 公布的數據顯示，截止到2018年，我國僅珠三角地區SMT 生產線總數便超過了3 萬條。SMT 生產線上的設備的電壓暫降敏感性不盡相同，一旦某些設備因電壓暫降而發生故障，整條生產線都會受到影響，導致停產或產品報廢。同時，由于設備重新啟動達到生產所需的條件需要較長時間，會造成更大的損失。

目前，國內外對設備的電壓暫降敏感性研究已取得了不少有價值的研究成果。文獻[3]建立了電能質量敏感度測試系統，以交流接觸器為例，選取不同的輸入電壓幅值和持續時間進行試驗和仿真，得出交流接觸器的電壓耐受曲線；文獻[4]對不同型號的交流接觸器和調速驅動裝置進行試驗，以電壓幅值、持續時間和相位作為測試參數，基于測試結果得出電壓耐受曲線；文獻[5]以計算機、交流接觸器和熒光照明等低壓設備作為測試對象，研究其在不同電壓暫降幅值、持續時間和相位組合作用下的表現特性。但目前國內外所研究的耐受曲線主要集中在單一設備上，關于多種設備共同工作情況下的綜合電壓耐受曲線的研究還有所不足。

1 SMT 生產線設備介紹

SMT 是一種將無引腳或短引線表面組裝元器件安裝在印刷電路板的表面或其他基板的表面上，通過再流焊或浸焊等方法加以焊接組裝的電路裝連技術。SMT 生產線流程主要經過錫膏印刷、貼片和回流焊三個過程。

PCB 板的傳送轉移設備是整條生產線能夠自動運行的基礎，一個完整的傳送模塊需要動力裝置和控制裝置的共同作用。在SMT 生產線中，伺服電機和PLC控制系統可以為整條生產線按預定的工作流程提供安全、可靠的動力保障。

2 SMT 生產線的綜合電壓耐受曲線

2.1 電壓暫降對SMT 設備的影響機理

SMT 生產線上的電氣設備內部包含一些對電壓暫降十分敏感的元件，電壓暫降時設備不能正常運行就是由這些元件引起的。因此，研究電壓暫降對SMT 生產線的影響就是研究電壓暫降對這些元件的影響。

2.1.1 PLC 控制系統

PLC（Programmable Logic Controller）即可編程邏輯控制器，由內部CPU、指令及資料內存、輸入輸出單元、電源模組、數字模擬等單元組成。當電源電壓過低時，會導致CPU 無法計算或計算錯誤、內存信息無法調取、輸出錯誤指令等問題。

2.1.2 可調速裝置（ASD）

當電源電壓下降時，調速裝置難以將控制信號的指令有效地傳達給電機，導致電機無法按要求進行運轉，使得生產線運行混亂，停產或產品報廢。

2.1.3 小型計算機（PC）

電壓暫降會導致SMT 生產線中的PC 停止運算或產生錯誤計算結果，都會導致測量結果不準確，檢測裝置失效。

2.1.4 交流接觸器（AC Relay）

交流接觸器作為低壓控制高壓的有效控制器件，在SMT 生產線中也是必不可少。其通過電磁感應吸引銜鐵導通電路，電壓降低時，線圈中電流下降，對銜鐵的吸引能力下降，一旦降低到一定程度將導致電路非正常斷開。

2.2 SMT 設備電壓暫降耐受能力描述

2.2.1 敏感設備電壓耐受曲線

敏感設備的電壓耐受曲線通常呈矩形，對特定設備而言，暫降發生后，當電壓幅值低于Uc的持續時間超過Tc時，設備發生故障。

但對于某一類設備而言，其不同個體受到制造工藝及使用情況等多方面影響，Uc、Tc往往是一個范圍而不是一個特定值，此時采用敏感設備電壓耐受曲線上、下限形式能夠更好地反映該類設備的電壓暫降耐受能力，如圖2 所示。

圖1 敏感設備的電壓耐受曲線上、下限形式

對于不確定區域的分析研究，現有的評估方法包括測量評估法、模糊評估法和概率評估法等。測量評估法原理簡單，結果可靠，但無法預測；模糊評估法能夠很好的反映設備的不確定因素，但其計算方法十分復雜；概率評估法把設備故障當做隨機事件，能定量評估和預測設備故障率。

本文選用概率評估法對其進行描述，并假設設備在該區域內發生故障的兩個特征量的概率密度函數呈均勻分布[6]，即：

則設備在電壓暫降發生時，能夠正常工作的概率為：

此時，由于引入了故障概率的概念，簡單的二維坐標電壓耐受曲線已不再適應，對此將電壓耐受曲線擴展到三維形式。

設不同設備在電壓暫降時能夠正常工作的概率為P1(U,T)、P2(U,T)、P3(U,T)…Pn(U,T)，則當電壓暫降發生時，所有設備均能夠正常工作的概率為：

依此繪出彼此影響的設備的綜合電壓耐受曲線。

2.2.2 SMT 設備電壓暫降耐受能力

可編程邏輯控制器、可調速裝置、交流繼電器和個人計算機4 類典型的敏感設備在SMT 生產線中均有使用。通過查閱文獻，這些設備的電壓耐受曲線上、下限形式的拐點數據如表1 所示[7]，根據這些數據可繪出其敏感設備的電壓暫降耐受曲線綜合形式，即生產線整體的電壓暫降耐受曲線，如圖3 所示。

表1 4 種典型敏感設備電壓耐受曲線數據

圖2 SMT 生產線的綜合電壓耐受曲線

3 電壓暫降的抑制措施

目前廣泛采用的治理電壓暫降的方法主要有如下4 種：

（1）減少故障數目，縮短故障切除時間；

（2）改變系統設計，使得短路故障發生時用戶設備處的電壓擾動最小；

（3）在供電網絡與用戶設備間加裝緩解設備；

（4）提高用電設備對電能質量問題的抵御能力。

對于已建成的生產廠家來說，設備和系統供電方式的改變投資較大，相比來說，加裝緩解設備經濟劃算又能使暫降問題得到很好解決。

目前，國內外抑制電壓暫降所采取的最普遍方法有不間斷電源UPS（Uninterruptible Power Supply）、動態電壓恢復器DVR（Dynamic Voltage Restorer）兩種。通過查閱文獻[8]，得出它們治理電壓暫降裝置的優缺點，如表2 所示。

采用不間斷電源UPS 和DVR 都可以使問題得到很好的解決。但一條SMT 生產線的容量一般在100 kVA以上，需要幾十個UPS 做備用電源，投資、維護花費大。而DVR 在同樣可以抑制電壓暫降的同時，花費較少，且具有靈活性、實時性的特點，其不適用于穩態問題的缺點也可以避免。因此，對于SMT 生產線來說，采用DVR 抑制電壓暫降更符合需求。

表2 UPS 和DVR 的優缺點比較

4 結 論

（1）SMT 生產線上的設備對電壓暫降十分敏感，在電壓暫降持續時間超過10 ms、電壓幅值低于82%的情況下，就有可能導致設備不能正常工作。

（2）對比各種抑制電壓暫降的措施，在已建成的工廠中，采用DVR 是應對SMT 生產線解決電壓暫降問題更經濟可行的措施。