电压暂降对SMT 生产线的影响分析及解决

2020-04-21王耀坤

通信电源技术 2020年5期

王耀坤

（珠海市钰海电力有限公司，广东珠海 519000）

0 引言

随着用电负荷逐渐复杂化、多样化，大量具有非线性、冲击性和不平衡特征的负荷投入使用，造成了供电网电能质量的恶化；同时，现代工商业中大量使用的计算机系统、机器人和正快速发展的高新技术产业对电能质量和供电可靠性要求却越来越高[1]。

统计表明，电压暂降是目前最突出的电能质量问题，因电能质量问题导致工厂非计划停产停机的事故中，92%是电压暂降事件引起的[2]。电压暂降是一种供电电压有效值在短时间内突然下降又回升恢复至正常值附近的现象，这种现象在电力系统中往往持续0.5～30 周波，电网中的短路故障、大功率用电设备（如感应电动机）启动或重负荷出力迅速增加都会导致电压暂降的发生。

据NEPCON China 公布的数据显示，截止到2018年，我国仅珠三角地区SMT 生产线总数便超过了3 万条。SMT 生产线上的设备的电压暂降敏感性不尽相同，一旦某些设备因电压暂降而发生故障，整条生产线都会受到影响，导致停产或产品报废。同时，由于设备重新启动达到生产所需的条件需要较长时间，会造成更大的损失。

目前，国内外对设备的电压暂降敏感性研究已取得了不少有价值的研究成果。文献[3]建立了电能质量敏感度测试系统，以交流接触器为例，选取不同的输入电压幅值和持续时间进行试验和仿真，得出交流接触器的电压耐受曲线；文献[4]对不同型号的交流接触器和调速驱动装置进行试验，以电压幅值、持续时间和相位作为测试参数，基于测试结果得出电压耐受曲线；文献[5]以计算机、交流接触器和荧光照明等低压设备作为测试对象，研究其在不同电压暂降幅值、持续时间和相位组合作用下的表现特性。但目前国内外所研究的耐受曲线主要集中在单一设备上，关于多种设备共同工作情况下的综合电压耐受曲线的研究还有所不足。

1 SMT 生产线设备介绍

SMT 是一种将无引脚或短引线表面组装元器件安装在印刷电路板的表面或其他基板的表面上，通过再流焊或浸焊等方法加以焊接组装的电路装连技术。SMT 生产线流程主要经过锡膏印刷、贴片和回流焊三个过程。

PCB 板的传送转移设备是整条生产线能够自动运行的基础，一个完整的传送模块需要动力装置和控制装置的共同作用。在SMT 生产线中，伺服电机和PLC控制系统可以为整条生产线按预定的工作流程提供安全、可靠的动力保障。

2 SMT 生产线的综合电压耐受曲线

2.1 电压暂降对SMT 设备的影响机理

SMT 生产线上的电气设备内部包含一些对电压暂降十分敏感的元件，电压暂降时设备不能正常运行就是由这些元件引起的。因此，研究电压暂降对SMT 生产线的影响就是研究电压暂降对这些元件的影响。

2.1.1 PLC 控制系统

PLC（Programmable Logic Controller）即可编程逻辑控制器，由内部CPU、指令及资料内存、输入输出单元、电源模组、数字模拟等单元组成。当电源电压过低时，会导致CPU 无法计算或计算错误、内存信息无法调取、输出错误指令等问题。

2.1.2 可调速装置（ASD）

当电源电压下降时，调速装置难以将控制信号的指令有效地传达给电机，导致电机无法按要求进行运转，使得生产线运行混乱，停产或产品报废。

2.1.3 小型计算机（PC）

电压暂降会导致SMT 生产线中的PC 停止运算或产生错误计算结果，都会导致测量结果不准确，检测装置失效。

2.1.4 交流接触器（AC Relay）

交流接触器作为低压控制高压的有效控制器件，在SMT 生产线中也是必不可少。其通过电磁感应吸引衔铁导通电路，电压降低时，线圈中电流下降，对衔铁的吸引能力下降，一旦降低到一定程度将导致电路非正常断开。

2.2 SMT 设备电压暂降耐受能力描述

2.2.1 敏感设备电压耐受曲线

敏感设备的电压耐受曲线通常呈矩形，对特定设备而言，暂降发生后，当电压幅值低于Uc的持续时间超过Tc时，设备发生故障。

但对于某一类设备而言，其不同个体受到制造工艺及使用情况等多方面影响，Uc、Tc往往是一个范围而不是一个特定值，此时采用敏感设备电压耐受曲线上、下限形式能够更好地反映该类设备的电压暂降耐受能力，如图2 所示。

图1 敏感设备的电压耐受曲线上、下限形式

对于不确定区域的分析研究，现有的评估方法包括测量评估法、模糊评估法和概率评估法等。测量评估法原理简单，结果可靠，但无法预测；模糊评估法能够很好的反映设备的不确定因素，但其计算方法十分复杂；概率评估法把设备故障当做随机事件，能定量评估和预测设备故障率。

本文选用概率评估法对其进行描述，并假设设备在该区域内发生故障的两个特征量的概率密度函数呈均匀分布[6]，即：

则设备在电压暂降发生时，能够正常工作的概率为：

此时，由于引入了故障概率的概念，简单的二维坐标电压耐受曲线已不再适应，对此将电压耐受曲线扩展到三维形式。

设不同设备在电压暂降时能够正常工作的概率为P1(U,T)、P2(U,T)、P3(U,T)…Pn(U,T)，则当电压暂降发生时，所有设备均能够正常工作的概率为：

依此绘出彼此影响的设备的综合电压耐受曲线。

2.2.2 SMT 设备电压暂降耐受能力

可编程逻辑控制器、可调速装置、交流继电器和个人计算机4 类典型的敏感设备在SMT 生产线中均有使用。通过查阅文献，这些设备的电压耐受曲线上、下限形式的拐点数据如表1 所示[7]，根据这些数据可绘出其敏感设备的电压暂降耐受曲线综合形式，即生产线整体的电压暂降耐受曲线，如图3 所示。

表1 4 种典型敏感设备电压耐受曲线数据

图2 SMT 生产线的综合电压耐受曲线

3 电压暂降的抑制措施

目前广泛采用的治理电压暂降的方法主要有如下4 种：

（1）减少故障数目，缩短故障切除时间；

（2）改变系统设计，使得短路故障发生时用户设备处的电压扰动最小；

（3）在供电网络与用户设备间加装缓解设备；

（4）提高用电设备对电能质量问题的抵御能力。

对于已建成的生产厂家来说，设备和系统供电方式的改变投资较大，相比来说，加装缓解设备经济划算又能使暂降问题得到很好解决。

目前，国内外抑制电压暂降所采取的最普遍方法有不间断电源UPS（Uninterruptible Power Supply）、动态电压恢复器DVR（Dynamic Voltage Restorer）两种。通过查阅文献[8]，得出它们治理电压暂降装置的优缺点，如表2 所示。

采用不间断电源UPS 和DVR 都可以使问题得到很好的解决。但一条SMT 生产线的容量一般在100 kVA以上，需要几十个UPS 做备用电源，投资、维护花费大。而DVR 在同样可以抑制电压暂降的同时，花费较少，且具有灵活性、实时性的特点，其不适用于稳态问题的缺点也可以避免。因此，对于SMT 生产线来说，采用DVR 抑制电压暂降更符合需求。