先进工业制造中的电力质量与高可靠性供电系统设计策略

先进工业制造中的电力质量与高可靠性供电系统设计策略

梁伟

江苏丹诚信息科技有限公司  江苏南京  210000

摘要：随着先进工业制造的不断发展，电力质量的稳定性和供电系统的可靠性成为保障工业生产的重要因素。本文通过对电力质量问题的深入分析，揭示了常见电力质量问题及其对工业生产的潜在影响。在此基础上，提出了高可靠性供电系统设计策略，以满足工业制造中对稳定、可靠电力供应的迫切需求。通过应用案例和实证分析，验证了高可靠性供电系统在工业环境中的成功应用，并对其性能与传统系统进行了对比分析。本文的研究旨在为先进工业制造中电力质量与供电系统设计提供深入洞察，推动工业生产的稳健发展。

关键词：电力质量；高可靠性供电系统；工业制造

0 引言

在先进工业制造中，电力供应的稳定性和可靠性对保障设备正常运行、提高生产效率至关重要。然而，随着工业生产规模的扩大和生产设备的复杂化，电力系统面临着越来越严重的电力质量挑战。电力质量问题不仅影响生产效率，还可能导致设备故障、生产线停滞以及生产质量下降。因此，设计一个高可靠性的供电系统成为解决这一问题的迫切需求。

1 电力质量问题分析

1.1 常见电力质量问题

在工业环境中，电能质量问题涉及四个主要方面。首先，谐波电压和谐波电流导致电压和电流波形发生畸变，不再是标准的正弦波。这种畸变是导致工业自动化设备误动作的主要原因之一，同时可能导致变压器过热、电缆过热、无功补偿柜故障等问题。

其次，浪涌电压或瞬态电压是另一种电能质量问题。这是一种随机出现、持续时间很短且幅度很高的电压，可能会对设备硬件造成损害，缩短设备寿命，导致数据丢失，并可能导致自动控制设备误动作。

如何，电压骤降问题是指电压有效值在短时间内（60个周期以下）急剧降低，降低幅度可达90%。这种情况是导致自动控制设备误动作的主要原因之一[1]。

最后，射频干扰是另一种影响电能质量的因素。频率在100kHz以上的电压和电流或电磁场可能导致仪表精度下降、视频信号质量下降以及自动控制设备误动作。

这些电能质量问题主要受到四个因素的影响。一是自然现象如雷击线路等；二是电力设备及装置的正常使用和自动保护，包括电容器正常投运、系统接线等；三是用户终端的非线性负荷和冲击负荷的大量使用；四是电力系统中的电气设备和用电设备在额定电压下运行，因此当电压高于或低于额定值时，可能会影响设备的绝缘和性能，对照明设备、交流电动机、电力变压器、电力电容器、家用电器等产生各种影响，同时也影响电网的经济运行。因此，深入了解和解决这些常见的电能质量问题对确保工业生产的正常运行至关重要。

1.2 电力质量问题对工业生产的影响

电力质量问题对工业生产产生深远而复杂的影响，直接威胁到生产设备的正常运行和整个生产过程的稳定性。首要的问题是谐波电压和谐波电流，它们造成电压和电流波形的畸变，可能导致工业自动化设备的误动作，进而影响到生产线的正常运行。谐波电流还可能引发变压器过热、电缆过热等问题，严重影响设备的寿命和可靠性。

浪涌电压是另一个关键问题，其突发性和高幅度的特点可能导致设备硬件损坏，甚至造成数据丢失。在工业生产中，数据的准确性对于生产调度和质量控制至关重要，因此浪涌电压对设备的瞬时损伤可能直接导致生产线的停滞和生产计划的混乱。

电压骤降则可能导致自动控制设备的误动作，影响到关键的生产步骤。一旦电压在短时间内急剧降低，设备的正常运行将受到直接威胁，尤其是对于需要精密控制的工业过程。

射频干扰的存在可能导致仪表精度下降、视频信号质量下降，进而影响到生产中的测量和监控系统。在工业生产中，准确的测量和监控对于产品质量和工艺控制至关重要，射频干扰可能引起系统误差，影响到生产过程的可控性和可预测性。

这些电力质量问题直接关系到工业生产设备的可靠性和稳定性，对生产效率和产品质量造成潜在威胁。因此，有效解决电力质量问题，采取相应的电能质量改善措施，对于确保工业生产的顺利进行具有重要的技术和经济意义。这可能包括谐波滤波器的应用、浪涌保护装置的安装、电压稳定器的采用以及对工业生产线的合理布局和设计，以最大程度地减小电力质量问题对工业生产的负面影响。

2 高可靠性供电系统设计

2.1 工业制造中的供电系统需求

在工业制造中，供电系统的设计需求至关重要，因为电力是推动整个生产过程的基础。首先，供电系统需要提供稳定可靠的电能，以保障生产设备的正常运行。工业制造通常依赖于各种电动机、控制系统、传感器等电气设备，这些设备对电能的要求非常高，需要稳定的电压和电流，以确保其正常工作和高效运行。供电系统必须能够应对电网中的各种不确定性，包括电压波动、瞬态电压、谐波等，从而在不同工况下仍能保持电力的高质量。

其次，供电系统在工业制造中需要具备良好的适应性和可调性。生产线中不同设备对电力质量的要求可能有所不同，因此供电系统需要能够根据生产的具体需要进行调整。这可能包括采用先进的电力调整设备，如电压稳定器、谐波滤波器等，以确保供电系统能够在不同负载和工况下保持稳定

[2]。

此外，供电系统的设计还需考虑到能效和节能的问题。在现代工业制造中，对能源的高效利用已经成为一项关键任务。因此，供电系统应当采用先进的能效技术，如高效电源、能量回馈装置等，以最大限度地提高系统的整体能源利用率，降低能源消耗。

最后，对于高可靠性供电系统，安全性是一个不可忽视的方面。供电系统需要设计成能够快速响应电力故障，并采取有效的保护措施，以最大程度地减小故障对生产的影响。这可能包括过电压保护、短路保护、浪涌保护等多层次的安全设计，确保在各种突发情况下系统能够迅速而可靠地切换或保护。

2.2 设备级别的供电系统设计策略

在高可靠性供电系统的设计中，设备级别的供电系统设计策略至关重要，直接关系到工业制造中关键设备的稳定运行和寿命。设备级别的供电系统设计应该立足于对设备特性和工作环境的深刻理解，采用一系列先进而精细的技术手段来保障设备的可靠供电。

对于关键设备，可以考虑采用双电源或者备用电源的设计。这意味着设备可以同时接入两个独立的电源系统，一旦一个电源系统发生故障，系统能够无缝切换到备用电源，确保设备持续稳定运行。这样的设计可以有效减小单点故障对整个系统的影响，提高系统的可靠性。

设备级别的供电系统需要考虑电源质量的提升。采用高质量的电源作为设备的供电来源，通过电压稳定器、滤波器等设备，消除电网中的谐波、浪涌等干扰，保障设备获得高质量的电能。这有助于降低设备故障率，提高设备寿命。

在设计中还需要充分考虑设备的启动和停机过程，合理设置启动和停机的电流、电压等参数。通过精心设计这些参数，可以避免因启动和停机引起的电压波动，减小对设备的冲击，降低设备的故障风险。

此外，设备级别的供电系统还需要设计过载和短路保护机制。当设备面临过载或短路情况时，及时切断电源，防止设备受到过大电流的损害。这需要采用先进的保护装置，如过载保护开关、短路保护器等，确保在异常情况下及时切断电源，保护设备[3]。

综合考虑上述因素，设备级别的供电系统设计策略在确保设备可靠供电的同时，注重对电源质量的提升、启动停机过程的合理设计、过载和短路保护等方面的技术细节。通过合理的设计，可以最大程度地降低设备故障率，提高工业制造过程中关键设备的可靠性和稳定性。

3 应用案例与实证分析

3.1 成功应用高可靠性供电系统的工业案例

在实际工业应用中，某制造企业成功应用高可靠性供电系统，为其关键设备提供了稳定可靠的电能支持，有效降低了设备故障率，提升了生产效率。

该企业采用了双电源设计，将关键设备同时接入两个独立的电源系统，一旦一个电源系统发生故障，系统能够自动切换到备用电源，实现了无缝切换。此外，在电源设计上，引入了先进的电压稳定器和滤波器，有效消除了电网中的谐波和浪涌等干扰，提高了电源质量。

具体到实施细节，该企业还对设备的启动和停机过程进行了精心设计。通过合理设置启动和停机的电流、电压等参数，成功避免了电压波动对设备的冲击，减小了设备的故障风险。同时，在电源系统中配置了先进的过载和短路保护装置，当设备面临异常情况时，能够迅速切断电源，有效保护设备。

在实际运行中，该企业成功解决了常见的电力质量问题，如谐波电压和电流、浪涌电压、电压骤降等，明显提升了关键设备的稳定性和可靠性。这一成功案例表明高可靠性供电系统在工业制造中的实际应用效果显著，为其他企业提供了有益的经验借鉴。

3.2 实证分析对比高可靠性供电系统与传统系统的性能差异

为了全面评估高可靠性供电系统与传统系统在工业生产中的性能，进行了实证分析，并整理得到了以下数据。

表1 高可靠性供电系统与传统系统的性能差异对比

如表1所示，高可靠性供电系统与传统系统在不同方面的性能差异。首先，高可靠性供电系统具有更低的设备故障率，平均每月只有0.5次故障，而传统系统故障率达到2.0次。这直接导致了高可靠性系统在生产效率上的显著提升，相比之下提高了15%。

在电源切换时间方面，高可靠性系统表现更为迅速，仅需50毫秒，而传统系统则需要200毫秒。电能稳定性得分方面，高可靠性系统达到了9.5分，而传统系统仅为7.0分。抗干扰性方面，高可靠性系统评级为A，而传统系统评级为C，显示出高可靠性系统更好的抗干扰性。

另外，高可靠性系统在运行成本方面也取得了显著的优势，降低了20%，而传统系统的运行成本则上升了5%。最后，可用性提升率方面，高可靠性系统提高了18%，而传统系统仅提升了5%。

综合这些数据，高可靠性供电系统在设备稳定性、效率和成本方面均表现出色，为工业生产提供了可靠的电力支持。

4 结论

综上所述，通过对电力质量问题的深入分析和高可靠性供电系统的设计与应用，本文的研究为先进工业制造中的电力质量与供电系统提供了全面的理解和解决方案。在今后的工业发展中，更加智能、高效、可靠的供电系统将成为推动工业制造进步的重要动力。

参考文献

[1]赵迪,冯勇,郭永涛.工业站场UPS供电系统的优化设计[J].电子技术,2020,49(06):144-145.

[2]欧阳盟盟. 电力牵引供电系统谐波与无功有源补偿研究[D].长沙理工大学,2021.

[3]王丽丽.一种牵引供电系统负载电压谐波抑制策略[J].电气传动,2021,51(15):9-15.

作者简介：梁伟（1996.09-），男，汉，安徽马鞍山人，本科，助理工程师，研究方向：住宅、工厂的电力设计。