大功率設備在電網波動下的研究對策

譚寶成，楊 成

（西安工業大學 陜 西 西 安 7 10032）

電網波動指因雷擊、短路或其他原因造成電網短時波動或短時斷電的現象。在供電系統中產生電網波動幾種情況[1-2]：

1)電壓驟降、驟升，電壓驟升,持續時間0.5個周期至1 min,電壓上升或下降至標稱電壓的110～180%。電壓暫降/驟降是電壓有效值降至標稱值的10%～90%,且持續時間為10 ms至1 min(典型持續時間為10～600 ms)的電能質量事件之一。

2)短時斷電，持續時間在0.5個周波至3 s的供電中斷(如備自投、重合閘等)。

3)電壓閃變，電壓波形包絡線呈規則的變化或電壓幅值一系列的隨機變化一般表現為人眼對電壓波動所引起的照明異常而產生的視覺感受。

電網波動對交流接觸器的影響[3-5]。由于工作原理的特點，當電網出現電網波動時，會由于額定電壓的下降或者中斷，導致線圈對鐵芯的吸力小于釋放彈簧的彈力，導致接觸器釋放，因此很大一批的電機停止工作，進而影響裝置的正常運行，嚴重影響正常生產和人員安全，會對企業的經濟帶來巨大的損失。據資料介紹，一般交流繼電器當電壓低于線圈額定電壓的50%，時間超過一個周期時，接觸器釋放；當電壓低于 80%甚至更高，持續五個周期時，接觸器也釋放。由于交流接觸器在企業中的廣泛運用，文中以交流接觸器為主要的控制對象進行研究、分析。

1 控制器結構框圖

通過分析可知當電網波動時，用控制器來保持交流接觸器的吸合，當電網波動在5 s內時恢復正常控制器恢復正常工作；當電網波動超出5 s時，控制器默認為掉電狀態，交流接觸器斷開。設計系統結構框圖如圖1所示；總體結構包括：電源模塊，交流電壓、電流和直流電流檢測模塊，主控制模等構成。電網220 V交流電給整個模塊提供電源，通過電源模塊來給后續的模塊提供相應的電壓，讓其能夠正常的工作運行。在電源模塊中嵌入了檢測模塊的相關電路，來為檢測模塊提供相應檢測點。檢測模塊通過對電源模塊的電壓、電流檢測并轉化為控制模塊可以接收的控制信號。控制模塊通過檢測上來的信號，對其進行分析處理并產生相關的控制輸出信號。通過整個系統控制來解決電網波動對交流接觸器的脫扣問題。

2 控制器電路設計

2.1 電源模塊

電源模塊是整個設計的關鍵之一，在電源模塊中首先要解決對電容的充電問題，在電容的選擇中，以半橋整流電路[6]進行說明。圖2中T為電網電壓的周期，設整流電路內阻較小而RC較大，電容每次充電均可達到電網U的峰值，然后安RC放電的起始斜率直線下降，經RC交于橫軸，且T處數值最小值Uomin，則輸出電源平均值為

圖1 控制系統結構圖Fig.1 Control structure chart

同時按相識三角型關系可得

從圖2以及電容濾波的輸出的電壓平均值可知，在考慮到電網正常波動范圍為±10%，可知電容的耐壓值應該大于從式(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，電容兩端的電壓由式子(5)可知為247.2 V。電容的從放電時間有兩種計算，其一的公式(6)可以大概計算出來；由于π型結構后接的是集成芯片無法進行電阻的等效。其二，可以根據能量守恒定律來估算電容放電時間；通過式(8)電容存儲能量估算為30 J；可以算出電容所存儲的能量放電時間估計為6.25 s，滿足設計要就在實際電路圖3中測量的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；在交流接觸器內阻為120 Ω的情況下測得晃點時間為6 s左右，其中有時不穩定。通過試驗數據表明電容選擇400 V/1 000 μF的情況下滿足設計的要求，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 檢測模塊

本次設計中交流側電壓，電流和直流側電流的檢測是為控制單元提供可靠的信號源；其中電壓、電流的模擬信號通過光電隔離器和上拉電阻將其轉變成為數字信號。對于交流側電流檢測電路設計提出了兩種設計方案[7]。其一，通過常規的3個電阻分壓，整流橋整流、電容濾波使得光電隔離器的導通如圖4所示，即當P3.3為低電平時表示交流側回路中有電壓。其中所有檢測所對應的實際回路狀態如下：

圖4 交流側電壓檢測Fig.4 AC-side voltage detecting

1)檢測到交流側電壓信號和直流側電流信號時，系統正常工作；

2)交流側電壓檢測信號為高電平且直流側信號為低，出現晃電模式；

3)檢測信號中只有直流電流信號，進入到防晃電延遲階段；

4)交流側電壓檢測信號由高電平變為低電平，同時檢測到交流側電流信號，晃電結束；

5)沒有任何檢測信號，進入到斷電階段。

其二，是由于在離線切換方式中對于檢測時間的有很高的要求以及可以對檢測的有效信號進行重復的輸出，設計通過半橋整流后經過光電隔離器產生方波信號經過555定時器構成的可重復觸發[8]的電路設計如圖5所示。

圖5 555定時器對交流信號檢測Fig.5 Timer AC signal detection

555定時器構成的可重復觸發單穩態的工作波形圖如圖6，其中暫態時間計算(9)可知設置的tw至少為11 ms，當交流側電壓出現斷路時光耦輸出的方波不正常時間t1，從而555定時器出輸出電壓為低電平；當交流側電壓恢復正常時，555定時器輸出回到高電平仿真；可以準確的檢測到系統是否出現電網波動的情況；同時也可是在較短的時間內迅速的檢測到交流側電壓的掉電情況為后續的電源切換提供充足的時間。

圖6 可重復觸發波形Fig.6 Retriggerable waveform

根據兩種檢測信號的特點可知前者可以準確的檢測到掉電信號，同時也可以了解到沖掉電到產生相應的信號的時間，后者在電壓有波動的可能檢測不到到波動信號。

3 控制方式的設計

本次設計中提出兩種設計方案：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行，檢測信號反饋給主控制器的信號正常的情況下，主控制器給出切換電源的信號，即交流接觸器在切換后正常工作是通過直流電源來維持的方式。離線切換方式為在交流電源沒有斷開時交流接觸器工作正常，當出現電網波動時交流電源突然落下，這時控制器檢測到交流電源斷開，主控制器通過分析交流電源信號給出切換電源的信號，讓其迅速的切換到電容存儲的電能供電，從而通過直流來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

本次設計中采用在線切換的方式進行工作。控制器啟動后，前幾秒可重置延時時間；正常工作時，先對電容進行充電延；主控制器給P1.4為低電平繼電器迅速切換到直流側，采用直流電源來維持交流接觸器的吸合；當出現電網波動時，檢測到交流側有電壓斷開的狀態，P1.4端口保持低電平，使控制器繼續工作在直流側，當電網波動結束后，交流側恢復正常，主控制器接收到信號，給出P1.4為高電平，交流側補充電容在電網波動只中消耗的能量從而為下次防電網波動做準備；當交流側為斷電狀態控制器進入到斷電延遲階段，使得交流接觸器繼續正常工作，如果超過延時設定時間后，控制繼電器切換到交流側，交流接觸器斷開。該控制方式保證交流接觸器能在切換的過程中不出現抖動和脫落的情況。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

對于離線切換方式重點在于對于交流信號的檢測上，通過檢測到交流信號的掉電狀態，單片機給出控制信號切換到直流側，來維持交流接觸器的吸合狀態并進入控制器的延遲狀態；隨著電網波動恢復，檢測信號重新輸出高電平，控制器延遲狀態清零，系統進入到正常工作狀態。

4 試驗分析

通過實物檢測電網波動電模塊的整體測試中出現現象進行分析。在對電容充電的控制器設計中應當區分火線和零線并且在接線時也應當嚴格遵循這一規則，當火線和零線接反后可能對導致后面燒壞后面的電路；當交流接觸器的內部線圈的電阻值小于200 Ω時，出現在電網波動過程中出現不可靠的現象，其中當接觸器相連的開關斷開后，再次閉后由交流電源向直流電源切換的過程中，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，通過直流電源供電提供不了這么大的維持電流導致交流接觸器脫扣的情況。這種情況解決的辦法是調高電容的量從而能夠提供出較大的電流。

5 結論

控制器設計采用一種在線電源切換的方式，可以達到延遲時間為5 s的防電網波動的效果。可靠有效地解決電網波動等對系統正常運行的影響。具有可靠性高、設計簡單、操作方便、體積小、靈活性高的特點。

[1]趙曉宇,崔昕.電網波動對企業電力系統的影響研究[J].河南科技,2013(3):169.ZHAO Xiao-yu,CUI Xin.Effects of fluctuations power systems business on the power grid[J].Journal of Henan Science and Technology,2013(3):169.

[2]劉圖征,鄒永勝,姜海斌,等.電網波動對變頻器的影響與對策[J].石油工程建設,2006(5):78-80.LIU Tu-zheng,ZHOU Yong-sheng,JIANG Hai-bin,et al.Impact of electric network fluctuation on frequency converter[J].Petroleum Engineering Construction,2006(5):78-80.

[3]張軍,沈國芳,徐京,等.電網電壓波動對電氣傳動設備的影響及對策[J].變頻器世界,2005(4):77-80.ZHANG Jun,SHEN Guo-fang,XU Jing,et al.The influence on drive device by the fluctuation of voltage[J].System Application.2005(4):77-80.

[4]趙博識,汪巖青.馬鋼新區能源系統防晃電措施應用[J].冶金動力,2011(2):6-7.ZHAO Bo-shi,WANG Yan-qing.Application of anti-interference electricity measures for energy sources system of newly-built area of masteel Co.,Ltd[J].Metallurgical Power,2011(2):6-7.

[5]姚建軍.電網波動引發晶閘管整流機組跳閘的分析與處理[J].有色金屬設計,2012(2):34-37.YAO Jian-jun.Analysis and treatment on thyristor rectifier unit tripping caused by power fluctuation[J].Nonferrous Metals Design,2012(2):34-37.

[6]麻幼學.整流濾波電壓算法探討 [J].肇慶學院學報,2010(2):32-35.MA You-xue.Discuss a method to calculate output voltage value of ectifier with capacitance filtering[J].Journal of Zhaoqing University,2010(2):32-35.

[7]王全宇.可重復觸發單穩態觸發器在檢測電路中的應用[J].自動化與儀器儀表,2011(3):100-101.WANG Quan-yu.Using a repeatable triggered single state slip-flop in the detection circuit[J].Automation and Instrumentation,2011(3):100-101.