在总部位于明尼阿波利斯的通用磨坊公司(General Mills Inc.)，当马克•罗宾逊谈到清洁时，他的意思与他的大多数同事完全不同。作为爱荷华州锡达拉皮兹市这家食品生产商工厂的电气和控制工程师，他的工作是担心工厂电力的清洁度。当“肮脏”的电力受到短暂的衰退和中断的污染，进入自动化系统时，它可以在没有警告的情况下关闭电子设备，关闭工厂。
虽然某些工序的回收很简单，只要重新启动机器就可以了，但对于某些谷物的生产来说，回收过程要复杂得多。在那里恢复需要清洗设备，并引导整个过程经过启动阶段，直到达到稳定状态。这些电气故障不仅会浪费材料，使公司损失生产，而且还会损坏昂贵的电子产品。
这些电流的下降和电流的激增，可能来自于各种意想不到的原因，比如电容器故障和暴风雨造成的损坏。罗宾逊指出:“这些信号大多持续时间很短，因为系统中的继电器通常在5到10个周期内检测和隔离故障。”“不过，它们的长度足以关闭整条生产线。”
由于电子设备对电能质量的变化更加敏感，这种关机现象如今往往更加频繁。威斯康辛州米德尔顿的软开关技术公司工程副总裁Bill Brumsickle博士说:“到目前为止，对于发达国家的大多数工业自动化用户来说，电压下降和短暂中断是最昂贵的电力问题。“但破坏性的电压偏差并不会留下证据——通常情况下，灯甚至不会闪烁。”
尽管人们可能看不到任何下垂的迹象，但设备可以强烈地感觉到。这些症状似乎是生产中的随机停止和电子设备的过早故障。这些费用一直在上升，以至于越来越多的设施认识到电力质量是一个问题，并正在投资于可以“净化”电力的技术。
在锡达拉皮兹市的通用磨坊工厂，最初的清洗过程包括安装电容器和更换在凹陷时容易脱机的部件。罗宾逊说，有了这种防护水平，“只要不持续太长时间，我们可以在不降低工厂任何工序的情况下，将温度下降到80%左右。”
然而，每年仍有大约8次产量下降，严重到足以关闭部分工厂，并对谷物生产造成严重破坏。由于在暴风雨期间出现了大量的凹陷，处理这些凹陷的最初计划是采取工厂已经在为其关键公用设施做的事情。它要求安装一套昂贵的柴油发电机，并在锅炉房的雷达检测到即将到来的风暴时，将谷物生产的所有方面都转向柴油发电机。
然而，当罗宾逊发现了一种更便宜、更有效的技术——软交换的DySC动态电压凹陷校正器时，他搁置了这个计划。在三相电源的短电压跌落期间，该器件使用内部逆变器和交叉耦合器技术从未受影响的相借用功率来提高受影响相的电压。它还可以从电容器中抽取任何影响所有三个相位的凹陷，从而使用户摆脱对电池的依赖。
更便宜，但有效
根据其制造商的说法，凹陷矫正器的效率也很高，在应用中消耗的能量不到1%，这使得它的效率达到99%。Brumsickle说:“为了降低对常见电压跌落的易感性，一些设施将其内部配电电压‘利用’高达5%，这使系统损失增加了10%。”“在这种情况下，安装DySC并恢复到额定电压水平可以减少5%以上的能源使用。”
通用磨坊在锡达拉皮兹安装了凹陷校正器。罗宾逊没有像柴油发电计划中提议的那样，用大容量的机组来支持整个谷物工厂，而是选择了一个成本更低的解决方案。他只把控制系统放在13个较小的校正器上，每个单元操作一个。在功率下降期间，校正器将波再生到传感器、仪器仪表、输入/输出(I/O)、探头和控制系统中的其他组件。唯一的例外是可编程逻辑控制器(plc)，它们之前已经连接到不间断电源(UPS)。
由于电机也没有连接到校正器，当功率低于维持电机所需的水平时，电机就开始滑行。为了防止变频驱动器(VFD)关闭，罗宾逊对它们进行了重新生成的编程，也就是说，将来自沿海电机的能量重定向到直流母线，从而使VFD保持工作状态，直到电源恢复。“我们不需要存活很长时间，只要7到12个周期，”他说。“所以我们的vfd能够度过这些停电，只要我们保持控制电源活跃。”他没有为包装生产线等系统费心，因为它们很容易重新启动，并立即进入稳定状态。
自从罗宾逊安装了凹陷校正器，谷物生产就能安然度过电力不足和短暂的电力中断。除了节省浪费的材料和时间外，这项技术不仅减少了电子设备和机械的磨损，而且还将其保护范围扩大到柴油发电计划旨在防范的恶劣天气。
当然，该系统并不能防止超过2秒左右的下垂。罗宾逊指出:“如果你在几秒钟内失去了这三个阶段，你就完了。”但由于锡达拉皮兹的工厂平均每年只有两次这样的延伸凹陷，他说，采取任何措施都不划算。
抑制有害浪涌
尽管成本高昂，但凹陷并不是困扰自动化用户的唯一电能质量问题。电涌，更著名的亲戚下垂，可以完全破坏。出于这个原因，通用磨坊几年前在锡达拉皮兹的工厂安装了浪涌抑制装置。罗宾逊说，在相当长的一段时间里，浪涌都不是问题。
然而，在中西部中部一家拥有200名员工的奶牛场，情况并非如此。不幸的是，当雷击摧毁了泵的电机控制装置和传感器时，管理人员才意识到这个漏洞。泵是用来处理由3万头奶牛产生的废物的。位于伊利诺伊州罗斯蒙特的电力质量控制设备供应商SolaHD的业务发展经理罗布·帕洛莫(Rob Palomo)说:“这场风暴使乳品公司在停机、设备维修和更换方面损失了数千美元。”
管理层很明显地意识到，如果要控制遵守严格卫生标准的成本，就必须清理电力。SolaHD及其当地经销商推荐的解决方案是为服务入口变压器、两个电机控制中心、一些plc和用于流量计的4至20毫安(mA)传感器组合的浪涌保护器。
为任何应用指定正确的设备组合是保护电子设备不受浪涌影响的最大挑战。SolaHD电能质量产品经理Suzette Albert说:“没有什么‘神奇药丸’可以适用于所有情况。“干扰的类型因设施而异，不同的负荷容易受到不同的干扰。”
出于这个原因，她建议寻找各种各样的解决方案，并找到安装最佳解决方案的应用程序专有技术。她的经验法则是使用滤波器组合来防止低能量、低频干扰和瞬态电压浪涌抑制(TVSS)来防止高能损伤。忠实地应用这条规则将消除任何可能导致的惊喜，因为你认为你只有两个问题中的一个，但后来发现这两个问题实际上都存在。
Albert还建议用户确保该解决方案适用于工业自动化。“许多公司为办公室和机房提供电能质量解决方案，”她说。“然而，这些不符合工厂车间的要求。”
和谐的潮流
尽管电力波动和电量下降很麻烦，但它们并不是目前影响电力质量的唯一问题。非线性负载(如vfd)产生的谐波可能是另一个令人头痛的问题。不幸的是，太多的工程师只关注谐波对其他电子设备的影响，而往往忽视了他们的配电系统需要携带的额外谐波电流的影响。
佐治亚州罗斯威尔市贝加莱工业自动化公司的产品经理科里·莫顿解释说:“这种电流实际上没有任何作用。”“额外的电流可能会产生实际成本，例如变压器温度升高(导致变压器寿命缩短)或配电系统中的其他低效率。所以，当你使用大量的vfd时，你真的应该看看总谐波含量。”
由于谐波是如此依赖于应用，许多VFD供应商提供免费工具来帮助工程师分析其配电系统中不同点的谐波含量以及各种缓解方法的效果。使用大多数这些工具，您可以选择计划使用的逆变器的尺寸，并输入您期望的负载和占空比。后续分析的结果可以帮助您为应用程序选择最具成本效益的设计。
虽然谐波缓解技术，如交流线路电抗器和直流扼流圈已经存在了几年，但趋势是将它们以更小的包装交付。贝加莱自动化公司的Acoposmulti就是一个例子。该技术依赖于一个有源电源模块，可以减少无源六脉冲整流器产生的五次和七次谐波。有源电源和伴随的滤波技术产生的谐波非常低，总功率因数基本上为1。有源电源可以将动能制动能量返回到交流电源，而不是将其作为热量通过电阻消耗掉。
虽然功率再生减少了通过电阻耗散制动能量产生的热量，但与逆变器相关的其他损失会影响开关柜的尺寸。为了处理这些额外的热量，贝加莱自动化可以提供冷板冷却。该技术使用水将逆变器和电源产生的热量输送到机柜外部，在那里它可以消散到空气中或现有的液冷系统中。
莫顿说:“液体冷却很好，因为它是一种有效的方法来消除控制室的热量。”“根据热量和房间的大小，这可能会对空调要求产生重大影响。”这只是另一个例子，说明各种技术如何让你的电力免受浪涌、凹陷和隐藏谐波的影响，从而清理你的底线。
