交流母線補(bǔ)償裝置在乳業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

高衛(wèi)民，程 濤，辛志遠(yuǎn)

（中國(guó)核工業(yè)電機(jī)運(yùn)行技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100043）

0 引言

貴陽某乳業(yè)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(tài)奶生產(chǎn)線32 條，年產(chǎn)值10 億元。電壓暫降問題一直是困擾企業(yè)的一個(gè)主要問題，平均每1～2 個(gè)月會(huì)發(fā)生一次電壓暫降，每次直接經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)數(shù)百萬元。圍繞液態(tài)奶生產(chǎn)工藝、設(shè)備現(xiàn)狀及問題、解決方案和方案驗(yàn)證等內(nèi)容展開分析。

1 液態(tài)奶生產(chǎn)工藝及設(shè)備簡(jiǎn)介

常規(guī)的液態(tài)奶加工工藝需要經(jīng)過牛奶預(yù)處理階段、灌裝階段和包裝階段等食品級(jí)無菌環(huán)境的生產(chǎn)環(huán)節(jié)（圖1）。整個(gè)生產(chǎn)包裝過程是完全自動(dòng)化的，無需人工干預(yù)。生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備有巴氏殺菌機(jī)、高溫滅菌機(jī)、高速灌裝機(jī)等。

圖1 液態(tài)奶生產(chǎn)工藝

2 設(shè)備現(xiàn)狀、問題及解決方案

完全自動(dòng)化的生產(chǎn)線帶來生產(chǎn)效率高、人工及成本低、產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)一與穩(wěn)定的同時(shí)，對(duì)設(shè)備的依賴、對(duì)電源品質(zhì)的要求提高。產(chǎn)品的效率和品質(zhì)完全依靠自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，特別是關(guān)鍵設(shè)備。中高溫滅菌機(jī)、巴氏殺菌機(jī)、高速灌裝機(jī)等電壓敏感的關(guān)鍵設(shè)備需要連續(xù)性運(yùn)行，這些設(shè)備在工作過程中的優(yōu)良特性，例如冷卻/殺菌溫度、貯存/滅菌/攪拌/發(fā)酵時(shí)間、壓力等參數(shù)，依靠穩(wěn)定可靠的電力品質(zhì)。

目前，困擾工廠生產(chǎn)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(xù)10 ms～1 min 后恢復(fù)正常的現(xiàn)象）和電壓短時(shí)中斷（電壓有效值降低至0.1 p.u.以下，持續(xù)10 ms～1 min后恢復(fù)正常的現(xiàn)象）；平均每1～2 個(gè)月發(fā)生一次。即使幾十毫秒的電壓暫降和電壓短時(shí)中斷，也會(huì)導(dǎo)致接觸器、變頻器、PLC、伺服電機(jī)等敏感元器件故障，生產(chǎn)設(shè)備宕機(jī)，造成連續(xù)性生產(chǎn)過程中斷。每次宕機(jī)影響產(chǎn)品良品率，造成原奶的極大浪費(fèi)；并且損壞的原奶需更換、生產(chǎn)線需重新啟動(dòng)，生產(chǎn)線至少中斷數(shù)小時(shí)；每次宕機(jī)造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)數(shù)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(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備輸入電源串接交流電壓母線補(bǔ)償裝置，電壓暫降時(shí)，自動(dòng)切換至補(bǔ)償裝置供電，補(bǔ)償裝置電源由內(nèi)部超級(jí)電容提供能量，通過逆變單元輸出到關(guān)鍵設(shè)備。

3 交流電壓母線補(bǔ)償裝置工作原理及選型

交流電壓母線補(bǔ)償裝置工作原理如圖2 所示。正常運(yùn)行時(shí)，2 個(gè)維修開關(guān)閉合，旁路開關(guān)斷開。當(dāng)電源電壓暫降或短時(shí)中斷時(shí)，交流電壓母線補(bǔ)償裝置1 ms 內(nèi)快速檢測(cè)到電壓暫降或短時(shí)中斷并切斷快速開關(guān)（可控硅開關(guān)），斷開電源與負(fù)載連接；備份電源通過逆變器和隔離變壓器產(chǎn)生與跌落前電源相同幅值，相同相位的電源，保證負(fù)載供電正常，整個(gè)檢測(cè)和切換過程不超過2 ms，敏感設(shè)備感知不到電壓暫降或短時(shí)中斷發(fā)生。當(dāng)電源電壓恢復(fù)至正常時(shí)，快速開關(guān)迅速恢復(fù)負(fù)載與電源之間的正常連接，同時(shí)逆變器會(huì)適時(shí)退出運(yùn)行。補(bǔ)償裝置自身故障時(shí)，生產(chǎn)可以通過電源—旁路開關(guān)—負(fù)載通路正常生產(chǎn)；同時(shí)斷開2 個(gè)維修開關(guān)，在線維護(hù)設(shè)備。

圖2 交流母線補(bǔ)償裝置原理

交流電壓母線補(bǔ)償裝置的關(guān)鍵技術(shù)有3 個(gè)，分別是快速檢測(cè)電壓暫降及短時(shí)中斷、快速切斷電源回路和負(fù)載之間的連接、快速產(chǎn)生與原電源回路相同的電源。①快速檢測(cè)電壓暫降和短時(shí)中斷要求電壓的采集速度快，采集精度高。補(bǔ)償裝置核心控制器采用美國(guó)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(bǔ)償裝置采樣頻率為10 kHz，20 ms 一個(gè)周波的電壓波形采集500 個(gè)點(diǎn)，1 ms 采樣25 個(gè)點(diǎn)；16 位采樣精度，電壓分辨率能達(dá)到0.01 V；高性能的微處理器和優(yōu)良的軟件系統(tǒng)確保能快速并且準(zhǔn)確的判斷出電壓暫降和短時(shí)中斷，檢測(cè)時(shí)間在1 ms 以內(nèi)；②電網(wǎng)電源容量很大，如果不切斷電源，補(bǔ)償?shù)碾娫幢葧航祷螂妷憾虝r(shí)中斷后的原電源電壓高，補(bǔ)償電源會(huì)往原電源反送電，起不到保證負(fù)載電源不變的作用；常規(guī)開關(guān)合閘時(shí)間10～20 ms，分閘時(shí)間4～20 ms，不能滿足要求；一般可控硅固態(tài)開關(guān)合閘時(shí)間可以滿足要求，但是分閘是電流過零分閘，分開時(shí)間最長(zhǎng)為10 ms，也不能滿足要求。補(bǔ)償裝置的快速開關(guān)為可控硅開關(guān)，屬于定制產(chǎn)品，分閘時(shí)需要特殊設(shè)計(jì)，分閘時(shí)每相可控硅開關(guān)的陽極和陰極之間需加載反向電壓，使開關(guān)快速關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)間在1 ms 以內(nèi)；③常規(guī)備份電源選用超級(jí)電容，超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)是，可以10 年免維護(hù)；超級(jí)電容正常運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)存能量，電壓暫降或短時(shí)中斷時(shí)，補(bǔ)償裝置檢測(cè)到快速開關(guān)分開后，超級(jí)電源能量通過逆變器和隔離變壓器產(chǎn)生與原電源幅值和相位相同的電源，提供給負(fù)載，負(fù)載感知不到電源變化。超級(jí)電容充放電快，但相對(duì)于電池，能量密度小，如果要求保護(hù)的時(shí)間長(zhǎng)，超過10 s，備份電源最好選擇電池；超過10 s，超級(jí)電容尺寸和價(jià)格都沒有優(yōu)勢(shì)。

選定的生產(chǎn)線需要保護(hù)的設(shè)備總功率280 kW，功率因數(shù)0.9，視在功率311 kV·A，電壓400 V，設(shè)計(jì)容量需要有一定裕度，確定交流電壓母線補(bǔ)償裝置容量為350 kV·A。根據(jù)工廠電氣專工統(tǒng)計(jì)：最近1 年發(fā)生7 次電壓暫降，時(shí)間短的60 ms，時(shí)間最長(zhǎng)的820 ms，確定補(bǔ)償時(shí)間為1000 ms，即1 s。該生產(chǎn)線交流電壓母線補(bǔ)償裝置選型為350 kV·A，400 V，保護(hù)時(shí)間1 s；如實(shí)際負(fù)載為280 kW，可保護(hù)時(shí)間為1.25 s；負(fù)載更低，實(shí)際保護(hù)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。

4 交流電壓母線補(bǔ)償裝置暫降治理方案驗(yàn)證

2021 年4 月，該乳業(yè)加工廠在第二車間的一條生產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)線電源串接某公司的一臺(tái)350 kV·A、400 V、保護(hù)時(shí)間1 s的交流電壓母線補(bǔ)償裝置，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收通過快速斷開電源，并快速恢復(fù)的方式進(jìn)行，這種電壓跌落方式，電壓跌落至0 V，屬于電壓短時(shí)中斷。驗(yàn)收波形如圖3 所示（圖中橫坐標(biāo)表示時(shí)間，時(shí)間單位為s，縱坐標(biāo)表示電壓，單位為標(biāo)幺值，1 表示額定電壓380 V）：電網(wǎng)電源A 相，電壓降至0 V；負(fù)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(xiàn)象與A 相基本相同?，F(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收測(cè)試時(shí)間1 s 左右，測(cè)試前后，生產(chǎn)線一直正常運(yùn)行，沒有任何設(shè)備停機(jī)。驗(yàn)收完成后，交流電壓母線補(bǔ)償裝置正式投入使用。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收波形

2021 年5 月，該生產(chǎn)線電源發(fā)生電壓暫降，電源電壓波形如圖4 所示，電網(wǎng)（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(shí)間80 ms 左右。

圖4 電源電壓波形

交流電壓母線補(bǔ)償裝置正常動(dòng)作，電壓補(bǔ)償后負(fù)載電壓波形如圖5 所示，補(bǔ)償后負(fù)載電壓Ua、Ub、Uc幅值都在額定值附近。補(bǔ)償裝置保護(hù)的生產(chǎn)設(shè)備正常運(yùn)行，沒有任何設(shè)備停機(jī)，保證了生產(chǎn)線的連續(xù)運(yùn)行。

圖5 負(fù)載電壓波形

5 結(jié)束語

介紹電壓暫降和短時(shí)中斷對(duì)液態(tài)奶生產(chǎn)線的影響，提出一種有效的解決方案：交流電壓母線補(bǔ)償裝置。通過現(xiàn)場(chǎng)模擬和實(shí)際運(yùn)行的檢驗(yàn)，該方案徹底解決了電壓暫降和短時(shí)中斷影響液態(tài)奶生產(chǎn)連續(xù)運(yùn)行瓶頸問題，保證了液態(tài)奶生產(chǎn)線平穩(wěn)運(yùn)行。