電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)變頻器的危害及其解決措施

張彤

【摘 要】工業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的一個(gè)重要的組成部分，節(jié)能與設(shè)備使用壽命也是經(jīng)濟(jì)效益的重要體現(xiàn)。國(guó)內(nèi)的絕大多數(shù)風(fēng)機(jī)水泵類(lèi)負(fù)載都配備了變頻器，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作的需要調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速以達(dá)到節(jié)能的目的。為延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命，需要由變頻器調(diào)速啟停。但電網(wǎng)的電壓波動(dòng)會(huì)使變頻器出現(xiàn)過(guò)電流或者過(guò)電壓報(bào)警跳閘，本文就針對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)變頻器的危害及其解決措施進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析與研究，以供參考。

【關(guān)鍵詞】欠電壓；過(guò)電壓；變頻器

中圖分類(lèi)號(hào)： TM921.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）30-0256-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.115

電網(wǎng)電壓波動(dòng)主要是由具有沖擊性的功率負(fù)荷引起的，并且由于整個(gè)工業(yè)供電系統(tǒng)短路以及負(fù)載啟停沖擊都很容易造成電網(wǎng)電壓出現(xiàn)瞬時(shí)變化?？赡軙?huì)觸發(fā)變頻器保護(hù)報(bào)警功能，如過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)等等，一旦不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，會(huì)發(fā)生事故，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，后果不堪設(shè)想。探究引起電壓波動(dòng)的原因，針對(duì)變頻器工作原理制定相應(yīng)的預(yù)防措施，以減輕電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)變頻器的影響，對(duì)于保證工業(yè)安全生產(chǎn)十分重要。

1 電壓波動(dòng)對(duì)變頻器的影響

電壓波動(dòng)是指電網(wǎng)電壓有效值（方均根值）的快速變動(dòng)。供電系統(tǒng)電壓瞬時(shí)波動(dòng)的主要原因是：（1）電網(wǎng)受到雷擊引起的電壓瞬時(shí)變化。在每年夏季雷雨高發(fā)時(shí)，高壓電網(wǎng)被雷擊中，高壓側(cè)避雷器動(dòng)作，向大地釋放大量的雷擊電流，引起電壓突降。（2）掛網(wǎng)設(shè)備發(fā)生故障導(dǎo)致電壓短時(shí)波動(dòng)。當(dāng)電網(wǎng)線路掛網(wǎng)用戶(hù)發(fā)生故障（如發(fā)生相間短路）時(shí)，變電站保護(hù)裝置動(dòng)作，處于相同變電站的用戶(hù)電壓就會(huì)發(fā)生瞬時(shí)變化，通常會(huì)表現(xiàn)為電壓瞬時(shí)降低。由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)通常都是短時(shí)出現(xiàn)，以往電控維護(hù)人員在電壓穩(wěn)定之后通過(guò)手動(dòng)對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)位，即可解決此類(lèi)問(wèn)題。但是由于部分工業(yè)負(fù)載類(lèi)設(shè)備較多及供暖行業(yè)換熱站數(shù)量多且分散，對(duì)變頻器進(jìn)行逐個(gè)復(fù)位消耗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。變頻器過(guò)電壓、欠電壓只能手動(dòng)復(fù)位的局限性仍大大降低了工作效率，影響居民供暖。

（一）過(guò)電壓對(duì)變頻器的影響

變頻器的主電路是由整流電路、直流中間電路、逆變電路和輔助電路組成。整流電路是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路，電源電路中的整流電路主要有半波整流電路、全波整流電路和橋式整流三種。逆變電路是與整流電路相對(duì)應(yīng)，把直流電變成交流電稱(chēng)為逆變。逆變電路可用于構(gòu)成各種交流電源，在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。變頻調(diào)速裝置一般是均采用交—直—交電壓模式。三相電源經(jīng)過(guò)整流器得到直流電，通過(guò)直流母線向逆變器供電。變頻器過(guò)電壓指的是中間直流回路電壓達(dá)到危險(xiǎn)程度，造成的危害主要表現(xiàn)為以下三點(diǎn)：一是隨著電網(wǎng)電壓升高電機(jī)鐵芯磁通隨之增高，甚至形成磁路飽和，導(dǎo)致勵(lì)磁電流隨之升高，進(jìn)一步引起電機(jī)溫度升高甚至超溫，導(dǎo)致電機(jī)損壞或報(bào)廢；二是中間直流回路電壓隨著電網(wǎng)電壓升高而升高，輸入至至電機(jī)側(cè)的電壓脈沖幅度變大，燒壞電機(jī)絕緣；三是導(dǎo)致中間直流回路濾波器電容瞬間充滿(mǎn)，超出容量限制，甚至?xí)?dǎo)致電容器爆裂。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)電壓情況時(shí)，變頻器會(huì)啟動(dòng)過(guò)電壓報(bào)警，停止運(yùn)行以保護(hù)內(nèi)部電路不受損壞。

（二）欠電壓對(duì)變頻器的影響

變頻器中的眾多功率性的器件可以承受小幅度的電壓變化，接入的電網(wǎng)電壓瞬時(shí)，小幅度降低時(shí)，不會(huì)對(duì)功率器件造成太大影響。為了保護(hù)變頻器，在母線電壓持續(xù)過(guò)低時(shí)，達(dá)不到開(kāi)關(guān)電源起振工作要求，變頻器控制電源無(wú)輸出，造成控制系統(tǒng)無(wú)秩序運(yùn)轉(zhuǎn)，功率器件無(wú)法關(guān)斷，損壞變頻器。

由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)通常都是短時(shí)出現(xiàn)，以往電控維護(hù)人員在電壓穩(wěn)定之后通過(guò)手動(dòng)對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)位，即可解決此類(lèi)為題，但是由于部分工業(yè)及供暖行業(yè)換熱站數(shù)量多且分散。對(duì)變頻器進(jìn)行逐個(gè)復(fù)位消耗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。變頻器過(guò)電壓、欠電壓只能手動(dòng)復(fù)位的局限性仍大大降低了工作效率，影響居民供暖。

2 預(yù)防電壓波動(dòng)對(duì)變頻器危害的措施

（一）過(guò)電壓

電源輸入測(cè)的過(guò)電壓主要是指電源側(cè)的沖擊過(guò)電壓，如雷擊引起的過(guò)電壓、補(bǔ)償電容在合閘或斷開(kāi)時(shí)形成的過(guò)電壓等，主要特點(diǎn)是電壓變化率dv/dt和幅值都很大。

（1）裝設(shè)浪涌吸收裝置或者串聯(lián)電抗器吸收多余能量

針對(duì)雷電、電網(wǎng)閃電造成的影響以及補(bǔ)償電容瞬間放電是造成變頻器過(guò)電壓的主要原因。對(duì)此可以通過(guò)浪涌能量吸收裝置或者串聯(lián)電抗器吸收多余能量。當(dāng)電路中的瞬時(shí)電壓超過(guò)觸發(fā)電壓時(shí)，電路導(dǎo)通或擊穿，對(duì)地瀉放短時(shí)強(qiáng)電流，從而保護(hù)設(shè)備元件。

（2）調(diào)整變頻器參數(shù)

如果生產(chǎn)工藝中對(duì)電機(jī)降速時(shí)間沒(méi)有要求，可以手動(dòng)更改電機(jī)減速時(shí)間參數(shù)，在保證不引起超電壓的前提條件下，避免出現(xiàn)負(fù)載減速太快情況。如果負(fù)載減速時(shí)間收到生產(chǎn)工藝流程的制約，為預(yù)防變頻器在減速時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)過(guò)電壓跳停，可降低變頻器的頻率值，通過(guò)降低頻率控制降低設(shè)備運(yùn)行速度。

（3）在儲(chǔ)能元件兩端并聯(lián)負(fù)載

一般是在儲(chǔ)能元件兩端并聯(lián)負(fù)載，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變頻器在正產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)下的直流母線電壓，并設(shè)置導(dǎo)通臨界值來(lái)控制功率管的導(dǎo)通關(guān)斷。在直流母線電壓達(dá)到的臨界值時(shí)，功率管導(dǎo)通，通過(guò)并聯(lián)負(fù)載消耗多余能量，從而控制直流電壓繼續(xù)升高。由于多余能量沒(méi)能反饋至電路中得以利用，因此屬于能量消耗型。因?yàn)槟芰肯挠诓⒙?lián)的附加電阻上，并不會(huì)導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱，因此可重復(fù)使用。這個(gè)電阻叫泄放電阻，也可以是二極管、小燈泡等電路元件。市面上小功率變頻器均在中間直流回路中安裝了控制單元與泄放電阻，而大功率的變頻器應(yīng)該根據(jù)工藝需要增加泄放電阻為中間直流回路提供釋放多余的能量提供通道，從而消耗過(guò)電壓造成的多余能量。

（4）能量回饋法

解決電壓輸入側(cè)超壓的另一思路是裝設(shè)逆變電路將產(chǎn)生的再生能量反饋進(jìn)入電網(wǎng)。以SINAMICS S120系列變頻器為例，設(shè)計(jì)的SLM電源模塊就具備將多余能量反饋至電網(wǎng)的能力。維持母線電壓在一個(gè)正常的范圍內(nèi)波動(dòng)，但是這種方法要求電源的穩(wěn)定性較高，如果出現(xiàn)電源電壓突增，仍會(huì)有變頻器損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

（5）在中間直流回路中增加電容

根據(jù)變頻器所帶泵機(jī)功率大小并且檢測(cè)中間直流回路中的電流、電壓值，并在其中串聯(lián)合適的電容，儲(chǔ)存多余的能量，可以提升回路承受過(guò)電壓的能力，也可選用較大容量的變頻器應(yīng)對(duì)電網(wǎng)電壓瞬時(shí)升高，但是要考慮變頻器所帶泵機(jī)的功率，以防造成資金上的浪費(fèi)。

（6）降低工頻電源電壓

變頻器電源側(cè)常安裝三相不可控橋式整流器，中間直流回路產(chǎn)生的電壓會(huì)隨著電網(wǎng)電壓升高而升高。如不采取跳閘保護(hù)將燒毀變頻器。如果變頻器安裝位置比較接近變壓器時(shí)，輸入端電壓將遠(yuǎn)大于380V，中間直流回路承受電壓將會(huì)更高。因此，可利用變壓器改變繞組分接連接位置的調(diào)壓裝置調(diào)至低壓檔來(lái)降低電網(wǎng)電壓來(lái)控制中間直流回路電壓升高。

（7）多臺(tái)變頻器共用直流母線

采用此方法，在一些處于停止?fàn)顟B(tài)下的設(shè)備如果短時(shí)停電，對(duì)電網(wǎng)是沒(méi)有沖擊的，所以瞬間停電干擾對(duì)設(shè)備的影響不是很大。電機(jī)制動(dòng)時(shí)回饋的能量可以被利用，所以比較節(jié)能。而因能夠回饋能量的電機(jī)無(wú)功功率損失較小，所以以此方法還可以可以提高設(shè)備的功率因數(shù)。而且多臺(tái)變頻器共用直流母線可以穩(wěn)定直流母線電壓，減小因設(shè)備啟停造成的電網(wǎng)電壓波動(dòng)。

（8）通過(guò)控制系統(tǒng)功能優(yōu)勢(shì)解決變頻器過(guò)電壓?jiǎn)栴}

變頻器一般依靠控制系統(tǒng)減速和控制負(fù)載突降。因此，利用控制工藝流程可以提前控制變頻器，減小因此造成的電壓波動(dòng)，降低再生能量反饋進(jìn)入中間直流回路。如果生產(chǎn)工藝流程要求負(fù)載規(guī)律性突降，可以依靠SCADA控制系統(tǒng)，適當(dāng)改變變頻器運(yùn)行頻率，減少泵機(jī)側(cè)多余的能量進(jìn)入變頻器中的銅牌母線。

（二）欠電壓

在正產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)防止電源失電造成控制系統(tǒng)跳閘加裝UPS。同樣可以通過(guò)在變頻器前加裝蓄電池，利用其零點(diǎn)切換功能在電網(wǎng)欠電壓時(shí)對(duì)變頻器進(jìn)行供電。當(dāng)電網(wǎng)電壓一旦過(guò)低，UPS立即將利用電池內(nèi)的電能向變頻器供電，保證變頻器繼續(xù)正常工作，保護(hù)變頻器內(nèi)軟、硬件不受損壞。保障正產(chǎn)的工業(yè)需要。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在工業(yè)生產(chǎn)的運(yùn)行過(guò)程中，變頻器的應(yīng)用十分廣泛，保證變頻器運(yùn)行安全穩(wěn)定并且盡可能的延長(zhǎng)變頻器的使用壽命十分重要，因此，對(duì)電壓穩(wěn)定性的要求非?？量獭Ｔ诩夹g(shù)高度發(fā)展的今天，雖然電網(wǎng)的運(yùn)行越來(lái)越穩(wěn)定，但為了保障工業(yè)生產(chǎn)與降低維護(hù)人員的工作強(qiáng)度。只有掌握了變頻器受電網(wǎng)波動(dòng)影響的預(yù)防措施，及時(shí)將各種隱患消滅在萌芽狀態(tài)，才能使它真正穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)能源節(jié)約與設(shè)備設(shè)施的安全發(fā)揮應(yīng)有的作用。

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