知识|PLC和UPS在假捻机双电源切换中的应用

一 引言

　　假捻机是化纤行业生产涤纶低弹丝的主要设备，每台设备由240个锭位组成，该设备自动化程度高，生产工艺复杂，具有连续生产、单批产品生产周期长（根据品种不同，时间在8～16小时之间）、开停机复杂及开停机损耗大等特点。近年来，我国部分地区在用电高峰季节电力短缺，出现拉闸限电现象，自备发电机的企业在电源切换过程中需要停机才能进行备用电源切换。要安装一套大型 UPS不间断电源，投资将达上百万元，且要求配套发电机功率是系统负载的2 倍，自备发电机的企业都采用了停机切换备用电源方法，无论停电多长时间，每次发电时间不能少于生产一批产品的时间，一天停限电两次以上时，只能连续发电，这种方法不能灵活切换备用电源，给企业造成不必要的损失。本系统是根据企业的装机容量大、设备型号相同、数量多、有计划停限电的特点，利用现有发电机组设计出一套在不停机的情况下，进行逐台假捻机双电源切换的控制系统。

二 假捻机和厂区供电系统分析

　　全厂共有型号相同RPR假捻机4台，单机装机功率为120kw，由三部分用电系统组成：1、传动系统60kw（由变频器控制）;2、电加热系统55kw;3、辅助系统5kw（风机）。经分析，生产时不能瞬间断电的只有传动系统，电加热和风机都可以在短时间内停电1-2分钟，电源切换只需用几秒钟时间，在电源切换过程中只要传动系统不断电，就能在正常生产情况下进行双电源切换。

　　厂区供电系统是由一台630kw变压器和一台800kw备用发电机组组成，变压器和发电机的切换方式是通过一个双头刀闸进行切换的，要在正常生产情况下对四台假捻机同时进行电源切换，需要一台480kw 或四台120kw 的UPS不间断电源;发电机在空载时，最大能同时加载负载是发电机功率的50%，需要配备发电机的功率为1200kw，现有发电机满足不了要求，只能采取逐台切换方法。

三 设计方案

　　3.1 UPS的特性及选择

　　本系统设计利用美国山特公司3C3 UPS的特性，该UPS有一个内部电子旁路检修开关，UPS在关机状态下，电源是通过UPS内部电子旁路直接输出供电。外部再加一个旁路开关（图1），外部旁路开关与内部电子旁路开关形成并联。UPS加入供电系统时， UPS必须在关机状态下，接通UPS输入输出端开关，UPS与外部旁路开关形成并联接通，然后断开外部旁路开关，再将UPS开机。UPS退出供电系统时，必须先将UPS关机，接通外部旁路开关（若UPS未在关机状态下，相当于UPS在开机时输出端加入反向电压，UPS可能烧毁），断开UPS输入输出端开关， UPS退出供电系统。这样就很容易做到将UPS加入和退出供电系统中。

图1

　　UPS在电源切换过程中工作只有几秒钟的时间，其它时间不在系统中运行，假捻机的装机容量为120kw/台，但除了传动系统外，电加热和风机都允许短时间停电，若要配备120kw的UPS显然是很浪费，选择能满足假捻机传动系统功率的UPS就可以了。我们选用与负载功率相同的美国山特公司3C3 60 UPS，电池组选用65AH -12V – 32节。它的主要特点是：在120%超载的情况下可工作10分钟，同时它具有内部电子旁路开关，适合本系统设计要求。

　　3.2 设计思路

　　本系统主要是利用现有发电机组在不停机的情况下进行双电源切换。原来电源切换是在主供电回路上通过一个双头刀闸切换，现在将用电系统分割成四个单元，在每个分路上各安装一个双头刀闸，分别对假捻机进行逐台切换。双头刀闸切换是人工操作，刀闸在转换过程中会出现瞬间断电现象，这样就会造成假捻机停机，这是电源切换不能连续生产的原因，解决这个问题是本方案设计关键。所以，在电源切换前先将要切换电源假捻机的电加热和风机停下来降低负荷，然后将不间断电源UPS串联在要切换的电路中，双头刀闸转换时用UPS的电池组为假捻机提供传动系统的电源，就不会出现断电现象，可以对该假捻机进行电源切换。切换完成后将UPS退出供电系统，再将电加热和风机开启，这样就完成了一台假捻机的切换。再进行下一台的切换，以此循环便可完成全部假捻机的切换（图2）。

图2

　　3.3控制流程

　　用一台UPS轮流切换，安全地将UPS加入和退出供电电路中，保证发电机组和变压器不会出并网现象，这是控制方案中安全切换的关键。在控制回路中选用了PLC作为控制单元，我们选用了日本欧姆龙公司的CPM1A-30CDR-A可编程控制器，该产品抗干扰能力强;适合工业现场工作环境;故障率低;编程简单;扩展功能强，本身具有18路输入和12路输出，最高可扩展到90点。

　　电源切换控制过程中（图3），首先PLC判断备用电源是否供到现场，备用电源没有供到现场不能切换。由于采用循环切换方法，若两台假捻机同时切换，供电电源不是一个电源时，两台假捻机供电电源与UPS连接的接触器同时闭合，两个不同电源短路相连，发电机和变压器出现并网（图2）。PLC检测是否有其它假捻机在切换，没有其它机台切换时，UPS输入输出端的接触器闭合，UPS与该机台的输入总电源接触器形成并联（以下称外部旁路开关）。　　

图3 　　　　UPS的功率小于假捻机运行负荷，在外部旁路开关断开前，必须将电加热和风机电源断开，降低负荷，保证UPS的安全运行。否则系统负荷大于UPS功率的2倍，UPS自动断电自我保护，造成切换中的假捻机断电停机，切换失败。电加热和风机电源断开后，断开外部旁路开关，UPS已加入到供电系统中，开启UPS。为了延长双头刀闸的使用寿命，使刀闸在不带负荷的情况下进行切换，双头刀闸切换前，将UPS的输入端电源断开， 此时切换中的假捻机已经与外部供电系统全部断开，假捻机传动系统由UPS电池组为其提供动力电源，维持假捻传动系统的正常运转，此时双头刀闸已经空载，便可在无负荷的情况下顺利切换。切换完成后，接通UPS输入端电源，为UPS供电的电源已经更换为备用电源，电源切换完成。UPS关机后再接通外部旁路开关、电加热和风机电源，将UPS的输入输出端接触器断开，UPS退出切换系统，这样一台假捻机的双电源切换已完成，再进行下一台假捻机的切换。四 应用效果　　该切换控制系统应用于浙江省海宁市浩远化纤有限公司，该公司拥有四台意大利产RPR假捻机，使用该系统前平均每月发电总时间180～200小时，使用该系统后，可随时在不停机的情况下进行双电源切换，停限电多长时间，就发电多长时间，企业再没有因限停电而停产和增加无谓发电时间，缩短了发电时间，真正实现了连续生产，每月发电总时间不超过30小时，每月减少发电时间150多个小时，因为发电成本是电网电费成本的两倍多，所以降低了企业生产成本，增加了企业经济效益。五 结束语　　本文的创新点在于将一个较大供电系统双电源切换分割成若干小的用电单元，达到双电源切换目的，投资小，见效大。随着我国经济的快速发展，近年来我国部分地区出现了电力短缺现象，有一些中小化纤企业自备发电机组，在电源切换时必须停机，且发电时间必须保证每批产品生产周期，无形增加了发电时间。该切换控制系统就是针对这些企业而设计的。一是解决了电源切换时不停机保证生产连续运行;二是缩短发电时间，降低企业成本增加效益。该系统可扩展至更多台假捻机切换控制，也可以为其它连续生产的企业实现双电源切换控制。