国臣DC-BANK半导体行业变频抗晃电解决方案

DC－BANK系统
技术方案

目 录
一、变频器正常使用时存在的问题
二、技术关键:
三、系统组成
1、DC-BANK系统组成
2、直流电源子系统的原理
3、直流电源子系统主要设备
4、控制系统(SIS)
4.1 抗晃电专用监测单元
4．2 AB LOGIX顺序控制器
4．3 执行单元－ABB直流断路器和直流接触器
四、现场环境及系统配置
1、现有的设备
2、设备逻辑控制图
3、主要配置
4、设备功能要求
5、人机界面监控案例
6、上位机监控案例
四、技术服务
1、技术资料
2安装调试
（1）、安装指导
（2）、设计联络
（3）、设备安装调试
（4）服务计划
（5）培训
（6）质量保修承诺：
五、该项目实施的最终结果

一、变频器正常使用时存在的问题
随着电力电子技术的发展,变频器以其调速精确、使用简单、保护功能齐全等优点逐步代替传统的调速控制装置而得到广泛应用;但由于国内某些工厂的电网电压不稳定，导致变频器在使用中产生了新的问题—变频器低压跳闸。低电压通常都是短时的,对传统的控制系统影响较小，而对变频器则会产生低压跳闸导致电机停止，影响生产。
解决该问题的关键就是如何使变频器在瞬时低电压时还能正常工作。我们根据业主的实际情况，采用直流支撑技术即DC－BANK系统(在变频器直流侧加不间断直流电源提高变频器的低电压跨越能力)来解决目前工厂存在的问题。
二、技术关键:
变频器是由整流器和逆变器两部分组成。通过对变频器的研究，变频器低电压指其中间直流回路低电压(即逆变器输入电压过低)。一般的变频器都具有过压、失压和瞬间停电的保护功能。变频器的逆变器件为GTR时，一旦失压或停电，控制电路将停止向驱动电路输出信号，使驱动电路和GTR全部停止工作，电动机将处于自由制动状态。逆变器件为IGBT时，在失压或停电后，将允许变频器继续工作一个短时间td，若失压或停电时间to＜td，变频器将平稳过度运行；若失压或停电时间to＞td ，变频器自我保护停止运行。一般td都在15～25ms,只要电源“晃电”较为强烈，to都在几秒钟以上，变频器自我保护停止运行，使电动机停止运行。
三、系统组成
1、DC-BANK系统组成
1、直流电源子系统
2、控制系统
3、主站监控软件

2、直流电源子系统的原理
1)、单台电机工作原理图：（图略）
系统由电池组、充电器、监测单元和SIS执行单元等组成
针对现场的实际情况,我们决定采用多台电机工作模式
2）、多台电机的工作模式图
多台电机工作模式：
M1，M2，M3同时设计于同一控制系统中为低压电机群的工作模式；
3、直流电源子系统主要设备
Ø蓄电池组
蓄电池采用免维护阀控式全密封铅酸电池。
Ø充电器
充电器的功率逆变管采用进口快速IGBT，其余元件采用进口工业等级器件，生产工艺严格完整，保证机器的可靠性和稳定性。输出电压和电流均可连续调节。具有强大的保护功能(输入过流、过压、欠压保护；输出短路，过流，过压保护；整机过热保护)。模块内取消了所有电位器，基准校正和控制全部采用12位D/A转换，精度高，参数性能稳定，调节方便。
充电模块采用可带点插拔技术，输出采用隔离设计。模块工作频率高，近300KHZ，体积小，抗干扰能力强。内置E2ROM，通过人机界面设置的参数自动保存到充电模块，掉电不丢数据。
ØSIS执行单元
执行单元由断路器和接触器冗余组成，控制关系为断路器锁定接触器，能准确地执行直流电源子系统的投入撤出转换。
Ø监测单元
用监测单元和人机操作界面组成监控系统，具有充电模块输出电压设定,充电电流限值设定,运行参数显示,故障报警存储，SOE事件记录以及蓄电池状态监测和直流回路状态监测，并可通过485总线和主站通讯。

4、控制系统(SIS)
SIS是DC-BANK的主控系统，是变频器的联锁控制部分。负责监测各种交直流电源信号、保护动作信号，控制抗晃电系统的备份、投运和退出过程。每一回路都由检测、控制和执行单元三部分组成。采用工业级三相异步电机保护模块MDS-1做检测单元，保证系统的可用度。采用通过美国 AB LOGIX顺序控制器做为主控制单元。
采用ABB S2断路器和直流接触器做单一直流回路的冗余执行单元保证系统的可靠性。
4.1 抗晃电专用监测单元
4．1．1功能特点
三表法测量准确测量三相交流电压、电流、有功、无功、频率、功率因数、零序电流等电参量，可以测量变频器输出。
具有3路独立的开关量输出，可以作为遥控、跳闸或者告警
6路开关量输入，同时可以作为脉冲量输入
2路直流采样,可以接各种变送器
两路通信接口，支持MODBUS规约
FFT算法，可计算1－8次谐波
三相异步电动机的反时限过负荷（热过载）保护、不平衡（负序过流）保护、启动时间过长保护、堵转保护、接地（零序过流）保护、欠电压保护、过电压保护
三相电动机转子断条、轴承损坏、绝缘监测等故障诊断功能
4．1．2 交流输入
交流输入包括A、B、C三相电压和电流。电流是直接把线穿入小型电流互感器的圆孔。电压则采用6个各端子。分别为UA,UA1；UB,UB1；UC,UC1；其中UA,UA1为A相输入；UB,UB1为B相输入；UC,UC1为C相输入。每相间相互独立。
这样设计的目的是为了用户可以选择不同的安装方式和测量方法。如果用户选择角型接法则 UA---UC1 接A相 UB---UA1 接 B相 UC---UB1 接C相。如果用户选择星型接法则UA1---UB1—UC1接N线。每路可以进行单独测量，用户还可以根据需要选择。
输入的交流电压信号通过小型的PT（电压互感器），变换为交流0.5V的信号，经过滤波处理，滤除干扰信号，然后进行电平平移，使得原来的交流信号，叠加1/2的VREF，直接送到A/D转换，进行采样。
输入的电流信号，通过导线穿入小CT（电流互感器），CT的输出接一个精密电阻，变换成电压信号，经过滤波处理，滤除干扰信号，然后进行电平平移，使得原来的交流信号，叠加1/2的VREF，直接送到A/D转换，进行采样。
采样好的信号存入单片机的RAM中供软件处理。在软件中，我们每个周波采样16个点，根据采样定理，可以计算出输入信号的8次谐波。但是在应用中对奇次谐波更为关心。在数字信号处理中，由于电网的频率是在变化的，如果采样频率不是电网频率的整数倍，就会有所谓的频谱泄漏问题，详细内容请参考有关书籍。在该问题上我们采用了我们的提出软件跟踪算法，效果非常优异。
对于6路输入信号，进行FFT变换，得出各次谐波的幅值和相角，并且计算零序电流和负序电流。计算的方法和FFT变换请参考有关数字信号处理的书籍。
计算的结果存入RAM中，供通信程序、保护程序等其他程序使用。
4．1．3欠电压或过电压保护
系统电压太低会引起电动机过电流甚至堵转，烧毁电机。有时为了保证重要电动机的自启动，有时也使用欠电压保护。
系统过电压一般对电动机没有太多的影响，但是如果过压范围过大，会导致电动机的励磁电流急剧增加，而且有大量的三次谐波。在一些特殊的场合，会使用过电压保护。
定值包括3项内容：动作的继电器、过电压或欠电压定值、过电压或欠电压的整定时间。整定时间的单位为0.1S，电压的单位为V，最小分辨率为0.1V。

本系统的设计为保护动作信号在整定时间到达时，送给SIS的中央控制单元处理，操作执行单元，控制各直流回路的备份、投运和退出。
4．1．4 MDS-104的软件设置（图略）
4．2 AB LOGIX顺序控制器
MicroLogix1200是处理器、电源、嵌入式输入输出点的集成。它具有24点和40点两种规格，可满足许多应用场合。
MicroLogix1200采用模块化，无机架结构，可降低成本，减少备件。I/O扩展模块提供了更大的应用灵活性。
存储器模块可用于用户程序的上载、下载和传送。实时时钟RTC可用于定时控制等。
操作系统可闪速升级，无需更换硬件。用户可通过Web网络下载控制器的最新的固件程序，来升级控制器。
MicroLogix1200还使用编程软件RSLogix500和通用的指令集，与MicroLogix1000、MicroLogix1500以及SLC系列控制器兼容。
特性：
·通过Micro Logix 1200扩展模块来扩展高性能I/O，每个Micro Logix 1200 可 最多扩展6个模块（决定于电源估算）。
·高级的通信选择，从对等通信到SCADA/RTU网络。
·6K用户存储器（4K程序、2K数据）。
·数据文件下载保护，可存储关键的用户数据，防止出错。
·实时时钟和存储器模块。
·32位带符号的整数的数学运算。
·内置PID功能。
·20K高速计数器，具有8种工作模式，当计数器技术达到预置的上限或下限时，可控制高速计数器的输出。
·高速处理时，有4路中断输入。
·4路锁存输入，在程序普通扫描时，可捕获毫秒脉冲的输入。
·控制器内置2个模拟量微调电位器，转3/4圈可在0-250之间调节。
·对于40点的控制器，其端子块是可拆卸的，允许用户预先接好线，节省安装时间。
·可拆卸的I/O标签，可写字记录现场设备的号码，以便减少系统的维护和维修时间。
·防手指接触的接线端子块，符合全球安全标准。
4．3 执行单元－ABB直流断路器和直流接触器
根据各回路容量配置不同型号，冗余执行单元保障线路分断能力。

SOMAX S的基本的用途和特点：
ISOMAX S系列塑壳断路器性能优异，外形结构紧凑、通用性强、使用方法简便，设计简单、合理、而且质量可靠。此新型断路器更配有一个改进的分断系统，获多项工业专利。
特别值得注意的是用于制造ISOMAX S系列塑壳断路器的材料，是按现代环保要求可回用的，ISOMAX S系列塑壳断路器更以其优异质量及引入注目的设计获得了欧洲最佳工业设计奖。
采用ISOMAX S系列塑壳断路器是电力生产和配电系统的理想方案，它能确保所有电力用户的安全性和可靠性，它特别适用于需保护和配合自动化控制的设备，ISOMAX S系列产品能最大范围地满足额定电流和故障电流的要求，并能达到与下级壳断路器的极限分断容量选择保护的要求。
由于本系列产品的通用性和匹配性强，它能配置在任何配电设备中：
一次配电（功力中心）
电动机控制（MCC）
二次配电（配电盘）
用户（DIN安装导轨的配电柜）
ISOMAX S系列塑壳断路器包括七种基本规格的产品（S1-S7），从10A到1600A额定不间断电流和高达100KA 额定极限短路断容量，各种规格均具有下列额定分断容量等级：
B-基本分断容量
N-正常分断容量
S-标准分断容量
H-高分断容量
L-限流型
四、现场环境及系统配置
1、现有的设备
业主提供的现场条件：
变频器21台，其中8台110kw，10台75kw，3台55kw。
业主需提供的条件：
一路380V/60A 3P+N+PE电源.
被保护变频器的状态干节点信号
被保护变频器二次接线图。
有关的工程设计条件。包括被保护变频器盘内布置图。
2、设备逻辑控制图（图略）

1． 变频器启动；停止控制逻辑
根据变频器的原理，变频器在交流供电或直流供电正常情况下在接受到启动接点指令后，即可投入运行。在变频器正常运行后有一反映变频器运行状态的接点信号闭合。变频器运行调速指令由DCS 或PLC 送来的4－20mA 模拟信号实现。
2．直流支撑系统与变频器的逻辑配合
该系统的控制逻辑
a.控制单元输入信号：变频器运行状态接点信号，母线电压监测信号。
b.母线电压正常条件下直流支撑系统投入过程
变频器电源端送入正常电压，变频器受电，内部CPU 准备运行；控制设备，DCS 或PLC 或控制继电器送来启动运行指令。电机按模拟控制4－20mA 电流决定变频器拖动电机的运行转速；等到系统正常运行后变频器状态接点闭合。
c.直流支撑系统控制单元接受到变频器运行状态指令后，向执行单元发出合闸指令，如果该回路的空开QF 合闸，这时该回路在热备份状态。本次操作结束。
d. 变频器电源失电， 控制单元给执行单元一个运行信号,直流支撑系统给变频器直流母线供电，此过程变频器运行不间断。
e. 变频器电源供电恢复时其直流环节的电压应立刻上升；执行单元撤出对变频器的供电,变频器转为电源供电。
f. 母线电压未恢复直流支撑系统给变频器供电5分钟。5分钟后直流支撑系统撤出对变频器的供电。
3． 系统安全性
1）直流支撑系统与变频器组成的电机不停电系统具有可靠的系统安全性。该供电系统与变频器是分布式结构，该供电系统应用后完全不影响原有变频器的使用方式及性能，在母线电压正常时该系统仅作为后备电源。这时候直流支撑系统的退出，投入不会对原变频器产生任何影响。
2）该系统与变频器之间有十分可靠的隔离保护设计，当一台变频器出现故障，不会影响其它变频器正常运行。
3）在检测维修时，每回路直流支撑系统均可单独与母线分离，以便于维修。
4）HMI上备有保护变频器母线电压晃电、失电、充电压实时纪录，
运行工程师可在事后在HMI 上查询纪录精度在秒。
5）根据业主的需要设备可以实现四遥功能。
3、主要配置
设备组成(6套)
1）、设备基本参数:
—蓄电池的输出功率分分别为350KW、390KW、260KW、275KW、260KW、260KW。
—电池放电时间：每套均为5分钟。
2）、设备基本组成及柜体安排
详见报价单内配置
柜体具体安排：
—电池整流器柜：高频充电器、含有HMI屏的系统测控，AC/DC 24V、 DC/DC 24V构成冗余的控制电源系统变压器，电池、整流器的安全监测单元等。
—直流柜有多条直流支撑回路，每一条支撑回路中，含有直流接触器、直流熔断器、直流隔离模块，控制检测器等。
4、设备功能要求
1） 当变频器交流进线电源故障（失压或短时停电）时，变频器在该系统保护下，在设计时间内连续正常运转。
2） 直流支撑系统在线工作，变频器供电电源由交流三相380V转至直流530V供电时无间断。
3） 电池组的备用时间根据设计，不少于15分钟。
4） 在电池组放电过程中,若三相电源恢复正常,则变频器供电自动切换至三相380V交流电源。
5） 进线电源停电超过5分钟，应自动切断对变频器的供电，变频器停止工作。
6） 具备系统自诊断及故障显示功能。
7） 为延长蓄电池的使用寿命,充电系统具备“均充”与“浮充”功能，且能自动转换。均充电压应达到560V，浮充电压应达到530V(HMI可调)。在正常操作期间，电池应处于浮充状态。
8） 电池组具备以下功能：
定时均充：即在每隔1-3个月（HMI可设定）自动均充一次。
欠压均充：即电池放电至欠压时，自动进行均充（交流正常时）

9） 具备各种工作状态指示灯。

10） 上位机对所有参数进行监控，记录参数变化的趋势，报警提示。

5、人机界面监控案例
1.主界面
2.电池电压监测
3.绝缘监测
4.参数设定界面
5.充电柜监测
6.东侧馈线柜监测
7.西侧馈线柜监测
8.交流输入监测
9.直流输出监测
10.其他参数监测


四、技术服务
1、技术资料
－ 我公司将提供设备安装所需资料，如机柜尺寸，底部开口尺寸，安装螺钉位置，设备重量等。
－我公司负责总体设计。当设计结束时，向业主提供打印的系统结构及电气图纸
－提供系统测试报告。
2安装调试
（1）、安装指导
－系统安装前，提供设备总图安装图纸及要求、接线图、调试计划。
－系统安装时，提供安装指导。
－系统启动前，项目经理审核业主提交的系统启动准备工作完成表，确认启动准备就绪，派工程师到现场。
1）、安装要求
a、设备安装时要充分考虑安装位置，包括柜外、柜间接线。
b、业主要负责现场作业协调组织工作，并为现场工程人员工作提供方便。
c、对业主提供的现场条件，在安装二周前进行实地考察协调并与业主共同制定工程计划。
2)、安装环境要求：
使用场所：户内
使用环境：无爆炸性气体及粉尘
环境温度：-10℃ — +50℃；电池室5℃--30℃
相对湿度：90%未结露
海拔高度：1000米以下
3)、安装标准及规范：
GB17478-1998 低压直流电源设备的输出性能特性和安全要求
JB/T8948-1999 电控设备用低压直流电源
B4208-1993 外壳保护等级（IP代码）
GB4026-1992 设备接线端子和规定电线端鉴别标志以及、文字和数字系统一般应用原则
GB50150-91 电气装置安装工程电气设备交接试验
GB50168-92 电气装置安装工程电气电缆线路施工及验收
GB50172-92 电气装置安装工程蓄电池施工及验收规范
GB50254-92 电气装置安装工程低压电器施工及验收
GB50171-92 电气装置安装工程盘、柜及二次回路结线施工及验收规范
（2）、设计联络
有关设计联络的计划、时间、地点和内容要求在执行时再商定。
（3）、设备安装调试
－调试所需工具调试工程师自带，若需业主提供的工具，仪器仪表，提前1周与业主联系。
（4）培训
现场调试工程师将对用户进行1-2天的针对操作员，设备维护人员的培训。
培训包括以下内容：
* 运行原理
* 操作注意事项
* 操作界面的使用
* 预防性维护程序
* 故障分析与解决
（5）质量保修承诺：
我公司承诺产品保修工作期为一年，在保修期间，24小时内给予满意答复，出现产品质量问题，48小时内派出维护人员，免费更换损坏的元器件。保修期外72小时内派出维护人员。
五、该项目实施的最终结果
在电机规定的负荷下做2次断电试验，间隔24小时，支持时间均应为2分钟。
在变频器工作正常的情况下，切断三相交流输入电源，系统自动切换成直流供电，保证受保护的变频器及电机不间断运行在电厂要求的时间内。其中，变频器显示的频率保持恒定，没有任何变化。然后送上三相交流电源，受保护的变频器及电机继续运行于交流电源工作状态，充电器给蓄电池充电，完成一次电源失电切换过程。触摸屏显示并记录停电及恢复供电的时刻。