UPS相关基础概念

什么是晃电？怎么产生的？后果（针对电机负载）？什么是晃电？通常意义上的晃电是指电网电压瞬时跌落时间一般在2秒之内，又恢复正常的现象称之为晃电。电网晃电由于无法预知，因此已经成为影响各行业正常生产的最大安全隐患之一晃电是怎么产生的？电网因雷击、对地短路、发电厂故障及其他外部、内部原因、相间不平衡等因素造成电网短时间故障、电网电压短时大幅度波动、甚至短时断电数秒钟的“晃电”现象。随着电网并网、环网的日益扩大，以及馈电变压器容量增大带来的配出回路的增多，电源瞬时失压即“晃电”的现象越来越频繁，其原因是相邻回路故障引起的电压波动几率增加了后果？电网电压瞬时跌落的幅度及维持的时间不同，负载对电源的要求（敏感度）不同，晃电对负载的影响及由此产生的后果也不尽相同：轻微的影响：如果晃电发生时其电压跌幅及（或）维持时间没有超过电机前端所加的交流接触器动作最长持续时间（一般是故障保护的切除时间），常规的最长在200毫秒以下（加装防晃电交流接触器的最长可延时2－3秒），（也有保护元件来不及动作的“一过性”瞬时失压特殊情况的），并且如果使用变频器的场合变频器拥有失电自启功能，同时电机转速维持在较高速度，那么晃电对负载及系统运行的影响是：电网恢复正常时电机对电网有不同程度的电流冲击（大小与当时电机维持的转速直接有关），并引起系统运行状态的不稳定，而不影响到其继续运行（即交流接触器没有脱扣）；严重的影响：晃电发生时的电压跌幅及（或）维持时间致使电机的转速下降到其额定转速的30％以下，这时即便有防晃电保护措施，也因电网恢复正常时电机对电网的大冲击电流（最大可至电机启动电流的1.5倍以上），可能使前端交流接触器跳闸，造成整个系统无法工作；严重的影响：晃电发生时的电压跌幅及（或）维持时间即便没有致使电机的转速下降到其额定转速的30％以下，但超过前端所加交流接触器最长电保持时间，系统将因“晃电”而引起前端交流接触器释放，这时电机（包括变频器）因失电而停止工作，虽然有些变频器有失电自启功能，也可能造成系统联锁停产后果：轻者生产连续性受影响，大量物料放空、报废、重者造成设备损坏，甚至引起爆炸、火灾等事故，给企业造成巨大的经济损失不同晃电对电机的影响电机常用的防晃电的对策（一）防晃电交流接触器：普遍采用在电机前端加具有延时释放功能的“防晃电交流接触器”来防止电网晃电对电机负载的影响主要原理：在电网正常时，利用接触器内部的储能电容储能,当电网晃电发生时，电容放电以维持接触器吸合所需电压。若晃电维持时间超过电容释放的最长维持电压时间，则接触器脱扣主要目的：当晃电发生时不使前端交流接触器脱扣，以保证电网恢复时电机的正常运行缺点：即便能防止交流接触器不在晃电期间脱扣，也无法防止并解决晃电对系统运行稳定性的影响，并且在电网恢复后造成电机对电网产生大的冲击（甚至可以大到跳闸）；防晃电及延时的程度不尽相同，可靠性也难以保证电机常用的防晃电对策（二）对重要的电机负荷，在电机前端的接触器控制回路中加装“电机自启动重合控制器”来防止因晃电时间过长造成电机停车，它是配合备用电源自投或电源重合闸的自起动设备本身无法解决由于晃电对电机及整个系统运行不稳带来的影响在自启动时由于失压时间过长，造成电机转速下降很多，在重启时对前端电网造成很大的冲击，甚至直接引起跳闸，更多的时候为确保系统安全性需要人工干预电机常用的防晃电对策（三）有些场合选用带有“失电自启功能”的变频器对电机“保护”变频器本身在晃电“失电”时无法保持继续供电，因此无法解决晃电本身对电机负载及系统运行不稳定带来的影响顾名思义，它只能完成在电网恢复正常供电时自身的启动，但晃电对系统带来的影响“无能为力”。电机常用的防晃电对策（四）有些场合用发电机（备用电源）及EPS作为应急电源来防止晃电发电机（备用电源）及EPS（后备式）只能作为应急电源在电网停电（或晃电维持时间达到一定时）时才发挥“备用”电源作用，却无法解决晃电开始至发挥作用这段时间内对电机负载和系统稳定运行以及对前端接触器的影响EPS应急电源通常情况下，EPS作为应急电源处于后备工作方式，电机由电网直接供电，只有当电网停电或晃电时间长达被认为电网超限时，才由EPS向电机负载供电，电网供电与EPS供电之间有几十毫秒到几秒的切换时间存在，并在切换过程中会产生大电流。同时，由于切换时间的存在，在这过程中电机处于失电状态，依靠本身的惯性运行，因此生产过程也处于不稳定运行状态。当EPS供电时，为避免大电流冲击甚至短路，不能直接把全压（如380V）及50hz直接加在电机上，因为此时的电机转速已经很低，EPS只能跟踪此时的电机转速并逐步加电把电机提速升频至全速和50hz（这又需要时间），或者待电机停转后再对电机软启动。整个过程电机及生产系统都处于不稳定运行状态。泵EPSbacSW电机常用的防晃电对策（五）彻底解决晃电对电机负载及系统稳定运行唯一的办法就是采用在线式UPS（功能）保护系统。无论晃电跌幅及维持时间如何变化，甚至在电网停电时，UPS都能对其保护的负载提供稳定、不间断的电源，从而确保负载稳定运行但是电机负载无法回避的瞬间启动电流过大的固有特性，导致UPS容量必须数倍于电机额定功率，这就导致必须花费高昂的代价来达到从根本上解决晃电对负载及系统带来的影响电机最佳的防晃电对策－MVP综上分析，要彻底解决晃电对电机负载及系统稳定运行带来的影响，唯一的解决方案是采用(具有)在线式UPS（功能）由于传统的UPS无法直接适用于电机负载，因此投资成本很高，可靠性却不高MVP整合了在线式UPS、变频软启动、快速切换等功能，因此只需选用1.2倍于电机额定功率的MVP保护系统即可确保电机负载完全避免因电网晃电、瞬停、停电带来的任何不稳定因素影响，从而保证系统的安全可靠运行防止晃电－MVP从上图可以看出，MVP处于在线工作方式：在市电正常时，市电AC经VF向电机提供稳定的交流电源，同时对电池组进行充电；当市电晃电、瞬停或停电等情况发生时，改由电池组向VF供电，VF供给电机负载的电源不受电网波动的影响，因而能确保电机始终稳定可靠运行。当MVP发生故障时（工频状态下），经静态转换开关（S.T.S）在≤4ms内改由旁路向电机提供所需电源。图中SB开关即为维修旁路开关（与SO开关组合使用）。VFL/CMSBSPSISOS.T.S主机THBC电池组ABIGSAC（电力意义上的）谐波正常及理想的电网中，电压和电流应该是正弦波。供电回路中若只有线性负载（纯阻、电容或电感），流过的电流与所加的电压成正比，电流的波形也是正弦波在实际的供电回路中，由于非线性负载的大量存在，致使流过的电流与所加的电压不成线性比例，电流也就不是正弦波，从而产生谐波（电流）谐波的定义：根据法国数学家傅立叶（M．Fourier）分析原理证实，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量，谐波，也称“电网谐波”，是主电网频率的倍数的波形，按其倍数称为n次（3、5、7等）谐波分量。假如电网频率f=50赫兹，那么3次谐波f=150赫兹，5次谐波f=250赫兹，7次谐波f=350赫兹，以此类推。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角谐波可以分为偶次谐波与奇次谐波，第3、5、7等编号的为奇次谐波，而2、14，6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为100Hz，3次谐波则是150Hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7，11、13、17、19等，变频器主要产生5、7次谐波。谐波电流的产生是与功率转换器的脉冲数相关的。6脉冲设备仅有5、7、11、13、17、19….n倍于电网频率。功率变换器的脉冲数越高，最低次的谐波分量的频率的次数就越高谐波产生谐波的主要来源发电源质量不高产生谐波：发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少输配电系统产生谐波：输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流0.5%用电设备产生的谐波：主要是各类非线性负载（整流型负载）引起，详见后页产生谐波的主要用电设备用电设备产生的谐波：晶闸管整流设备：由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。变频装置：变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。不间断电源装置（UPS）：用于对一级负荷中特别重要的负荷供电，这些负荷包括：工艺过程控制DCS系统，配电系统的微机监控系统，火灾报警系统以及工厂智能化信息管理系统等；电弧炉、电石炉：由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是27次的谐波，平均可达基波的8%20%，最大可达45%。气体放电类电光源：荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。家用电器：电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。与谐波相关的主要参数谐波电流：谐波电流是由设备或系统引入的非正弦特性电流，谐波电流叠加在主电源上；谐波电压：谐波电压是由谐波电流和配电系统上产生的阻抗导致的电压降；阻抗：阻抗是在特定频率下配电系统某一点产生的电阻。阻抗取决于变压器和连在系统上的用电设备，以及所采用导体的截面积和长度；阻抗系数：阻抗系数是AF（载波）阻抗相对于50Hz（基波）阻抗的比率；谐振：在配电系统里的设备，与它们存在的电容(电缆，补偿电容器等)和电感(变压器，电抗线圈等)形成共振电路。后者能够被系统谐波激励而成为谐振。配电系统谐波的一个原因是变压器铁芯非线性磁化的特性。在这种情况下主要的谐波是3次的；它在全部导体内与单相分量具有相同的长度，因而在星形点上不能消除；谐振频率：每个电感和电容的连接形成一个具有特定共振频率的谐振电路。一个网络有几个电感和电容就有几个谐振频率；并联谐振频率：网络阻抗达到最大值的频率。在并联谐振电路中，电流分量IL和IC大于总电流I；串联谐振频率：网络的阻抗水平达到最小的频率。在串联谐振电路内分路电压UL和UC大于总电压U；串联谐振谐电路：由电感（电抗器）和电容（电容器）串联的电路；无功功率：电动机和变压器的磁能部分，以及用于能量交换目的的功率转换器等处需要无功功率Q。与有功功