交流母線補償裝置在乳業生產過程中的應用

高衛民，程 濤，辛志遠

（中國核工業電機運行技術開發有限公司，北京 100043）

0 引言

貴陽某乳業公司乳品加工廠，總投資6 億余元，占地面積20 萬m2，建筑面積13.3 萬m2，共有液態奶生產線32 條，年產值10 億元。電壓暫降問題一直是困擾企業的一個主要問題，平均每1～2 個月會發生一次電壓暫降，每次直接經濟損失可達數百萬元。圍繞液態奶生產工藝、設備現狀及問題、解決方案和方案驗證等內容展開分析。

1 液態奶生產工藝及設備簡介

常規的液態奶加工工藝需要經過牛奶預處理階段、灌裝階段和包裝階段等食品級無菌環境的生產環節（圖1）。整個生產包裝過程是完全自動化的，無需人工干預。生產關鍵設備有巴氏殺菌機、高溫滅菌機、高速灌裝機等。

圖1 液態奶生產工藝

2 設備現狀、問題及解決方案

完全自動化的生產線帶來生產效率高、人工及成本低、產品質量統一與穩定的同時，對設備的依賴、對電源品質的要求提高。產品的效率和品質完全依靠自動化生產設備，特別是關鍵設備。中高溫滅菌機、巴氏殺菌機、高速灌裝機等電壓敏感的關鍵設備需要連續性運行，這些設備在工作過程中的優良特性，例如冷卻/殺菌溫度、貯存/滅菌/攪拌/發酵時間、壓力等參數，依靠穩定可靠的電力品質。

目前，困擾工廠生產的主要問題就是電壓暫降（電壓有效值降低至0.1～0.9 p.u.，持續10 ms～1 min 后恢復正常的現象）和電壓短時中斷（電壓有效值降低至0.1 p.u.以下，持續10 ms～1 min后恢復正常的現象）；平均每1～2 個月發生一次。即使幾十毫秒的電壓暫降和電壓短時中斷，也會導致接觸器、變頻器、PLC、伺服電機等敏感元器件故障，生產設備宕機，造成連續性生產過程中斷。每次宕機影響產品良品率，造成原奶的極大浪費；并且損壞的原奶需更換、生產線需重新啟動，生產線至少中斷數小時；每次宕機造成的直接和間接經濟損失可達數百萬元。為了解決該問題，2021 年4 月，工廠嘗試在其中一條生產線關鍵設備輸入電源串接交流電壓母線補償裝置，電壓暫降時，自動切換至補償裝置供電，補償裝置電源由內部超級電容提供能量，通過逆變單元輸出到關鍵設備。

3 交流電壓母線補償裝置工作原理及選型

交流電壓母線補償裝置工作原理如圖2 所示。正常運行時，2 個維修開關閉合，旁路開關斷開。當電源電壓暫降或短時中斷時，交流電壓母線補償裝置1 ms 內快速檢測到電壓暫降或短時中斷并切斷快速開關（可控硅開關），斷開電源與負載連接；備份電源通過逆變器和隔離變壓器產生與跌落前電源相同幅值，相同相位的電源，保證負載供電正常，整個檢測和切換過程不超過2 ms，敏感設備感知不到電壓暫降或短時中斷發生。當電源電壓恢復至正常時，快速開關迅速恢復負載與電源之間的正常連接，同時逆變器會適時退出運行。補償裝置自身故障時，生產可以通過電源—旁路開關—負載通路正常生產；同時斷開2 個維修開關，在線維護設備。

圖2 交流母線補償裝置原理

交流電壓母線補償裝置的關鍵技術有3 個，分別是快速檢測電壓暫降及短時中斷、快速切斷電源回路和負載之間的連接、快速產生與原電源回路相同的電源。①快速檢測電壓暫降和短時中斷要求電壓的采集速度快，采集精度高。補償裝置核心控制器采用美國TI 公司的32 位高性能，高集成度的微處理器DSP：TMS320F28377，主頻200 MHz，16 位采樣精度；補償裝置采樣頻率為10 kHz，20 ms 一個周波的電壓波形采集500 個點，1 ms 采樣25 個點；16 位采樣精度，電壓分辨率能達到0.01 V；高性能的微處理器和優良的軟件系統確保能快速并且準確的判斷出電壓暫降和短時中斷，檢測時間在1 ms 以內；②電網電源容量很大，如果不切斷電源，補償的電源比暫降或電壓短時中斷后的原電源電壓高，補償電源會往原電源反送電，起不到保證負載電源不變的作用；常規開關合閘時間10～20 ms，分閘時間4～20 ms，不能滿足要求；一般可控硅固態開關合閘時間可以滿足要求，但是分閘是電流過零分閘，分開時間最長為10 ms，也不能滿足要求。補償裝置的快速開關為可控硅開關，屬于定制產品，分閘時需要特殊設計，分閘時每相可控硅開關的陽極和陰極之間需加載反向電壓，使開關快速關斷，關斷時間在1 ms 以內；③常規備份電源選用超級電容，超級電容的優勢是，可以10 年免維護；超級電容正常運行時儲存能量，電壓暫降或短時中斷時，補償裝置檢測到快速開關分開后，超級電源能量通過逆變器和隔離變壓器產生與原電源幅值和相位相同的電源，提供給負載，負載感知不到電源變化。超級電容充放電快，但相對于電池，能量密度小，如果要求保護的時間長，超過10 s，備份電源最好選擇電池；超過10 s，超級電容尺寸和價格都沒有優勢。

選定的生產線需要保護的設備總功率280 kW，功率因數0.9，視在功率311 kV·A，電壓400 V，設計容量需要有一定裕度，確定交流電壓母線補償裝置容量為350 kV·A。根據工廠電氣專工統計：最近1 年發生7 次電壓暫降，時間短的60 ms，時間最長的820 ms，確定補償時間為1000 ms，即1 s。該生產線交流電壓母線補償裝置選型為350 kV·A，400 V，保護時間1 s；如實際負載為280 kW，可保護時間為1.25 s；負載更低，實際保護時間會更長。

4 交流電壓母線補償裝置暫降治理方案驗證

2021 年4 月，該乳業加工廠在第二車間的一條生產線設備進線電源串接某公司的一臺350 kV·A、400 V、保護時間1 s的交流電壓母線補償裝置，現場驗收通過快速斷開電源，并快速恢復的方式進行，這種電壓跌落方式，電壓跌落至0 V，屬于電壓短時中斷。驗收波形如圖3 所示（圖中橫坐標表示時間，時間單位為s，縱坐標表示電壓，單位為標幺值，1 表示額定電壓380 V）：電網電源A 相，電壓降至0 V；負載電壓A 相，電壓一直保持在額定值380 V 附近；其余兩相電壓B 相、C 相，現象與A 相基本相同。現場驗收測試時間1 s 左右，測試前后，生產線一直正常運行，沒有任何設備停機。驗收完成后，交流電壓母線補償裝置正式投入使用。

圖3 現場驗收波形

2021 年5 月，該生產線電源發生電壓暫降，電源電壓波形如圖4 所示，電網（電源）電壓最低的Ua相跌落至0.37 倍額定電壓，Ub、Uc跌落至0.8 倍額定電壓，暫降時間80 ms 左右。

圖4 電源電壓波形

交流電壓母線補償裝置正常動作，電壓補償后負載電壓波形如圖5 所示，補償后負載電壓Ua、Ub、Uc幅值都在額定值附近。補償裝置保護的生產設備正常運行，沒有任何設備停機，保證了生產線的連續運行。

圖5 負載電壓波形

5 結束語

介紹電壓暫降和短時中斷對液態奶生產線的影響，提出一種有效的解決方案：交流電壓母線補償裝置。通過現場模擬和實際運行的檢驗，該方案徹底解決了電壓暫降和短時中斷影響液態奶生產連續運行瓶頸問題，保證了液態奶生產線平穩運行。