基于低電壓下變頻器恒轉(zhuǎn)矩輸出的研究

柴昭一，蒙智峰，湯小偉

（陜西建設(shè)機(jī)械股份有限公司，陜西 西安 7100032）

目前，隨著現(xiàn)代電力工業(yè)的快速發(fā)展和系統(tǒng)中用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)的重大變化，暫態(tài)電能質(zhì)量問題引發(fā)的事故越來越多。它有可能引起計(jì)算機(jī)系統(tǒng)紊亂（若電壓幅值下降＞10%，持續(xù)時(shí)間超過0.1s）、調(diào)速設(shè)備跳閘（若電壓幅值下降＞15%，持續(xù)時(shí)間為半個(gè)工頻周期）以及機(jī)電設(shè)備誤動(dòng)作等，從而導(dǎo)致較大的工業(yè)損傷和人身事故。比如，1998年香港由于暫態(tài)電能質(zhì)量問題，引起500套自動(dòng)扶梯瞬時(shí)停止，造成多名顧客受傷，社會(huì)影響惡劣。暫態(tài)電能質(zhì)量問題中的電壓跌落（如凹陷、驟降）問題由于其發(fā)生的可能性遠(yuǎn)大于電壓中斷，即使幾百公里以外的故障也有可能引起本地的電壓幅值跌落，因此電壓跌落已經(jīng)成為目前國際上電能質(zhì)量問題關(guān)注的焦點(diǎn)。在電壓跌落等系統(tǒng)電壓故障情況下，輸入電壓的不穩(wěn)定性很可能造成變頻器輸出轉(zhuǎn)矩的變化，在起重行業(yè)也就面臨著控制系統(tǒng)失控造成各種事故的發(fā)生。

1 電網(wǎng)跌落形成原因

電壓跌落是指在某一時(shí)刻電壓幅值突然偏離正常工作范圍，經(jīng)很短一段時(shí)間后又恢復(fù)正常水平的現(xiàn)象。由于一些非人力所能及因素的存在，電壓跌落現(xiàn)象是不可能從根本上加以消除的。因此，要想較好的解決電壓跌落問題，必須從系統(tǒng)和負(fù)荷兩方面考慮，一方面要防患于未然，抑制不利因素對(duì)系統(tǒng)的影響，盡可能降低系統(tǒng)電壓跌落發(fā)生的可能性，提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量；另一方面是當(dāng)供電電壓跌落現(xiàn)象發(fā)生后積極采取補(bǔ)救措施，把電壓跌落的持續(xù)時(shí)間限制在幾個(gè)周期內(nèi)，避免或減少其對(duì)敏感電力用戶的干擾。

造成電網(wǎng)系統(tǒng)跌落的主要原因分為外因和內(nèi)因，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）負(fù)載劇烈變化引起的電源電壓波動(dòng)。如大功率電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流可達(dá)到額定電流的4～7倍，甚至更高，造成系統(tǒng)壓降增大，引發(fā)快速、短暫的電壓跌落；還有其它一些大功率設(shè)備的啟停，尤其是對(duì)容量較小的電力系統(tǒng)影響更為嚴(yán)重；另外，頻繁的啟停設(shè)備也是引起電網(wǎng)電壓跌落的原因。

（2）供電系統(tǒng)短路電流引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)。如高、低壓線路或電氣設(shè)備發(fā)生短路時(shí)，跳閘保護(hù)動(dòng)作不靈敏，造成故障的持續(xù)存在，引起電網(wǎng)電壓的跌落。

（3）電路系統(tǒng)中的倒閘操作引起的操作過電壓或短路，造成電網(wǎng)電壓跌落。

（4）雷電過電壓引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng)。當(dāng)雷電電壓達(dá)到避雷器工作電壓時(shí)，避雷器導(dǎo)通，限制過電壓，使電網(wǎng)電壓瞬間降低，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓跌落。

2 電網(wǎng)跌落對(duì)變頻器造成的影響

目前變頻系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)及民用等各行業(yè)中，系統(tǒng)運(yùn)行的主要原理是把不可調(diào)的工頻頻率通過整流、逆變，變頻器輸出從0～400Hz（甚至更高）的可調(diào)頻率，滿足不同場合的控制需求，在節(jié)能、提高功率因數(shù)、低電壓穩(wěn)定輸出等方面上具有非常明顯的效果。

變頻系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)雖然很多，但對(duì)電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求也很高。國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電網(wǎng)電壓等級(jí)允許波動(dòng)的范圍規(guī)定：A級(jí)波動(dòng)范圍≤±5%，B級(jí)波動(dòng)范圍≤±7%，C級(jí)波動(dòng)范圍≤±10%。在重要的工作場所，過低的電壓會(huì)造成變頻器輸出轉(zhuǎn)矩大幅度降低，影響系統(tǒng)控制的可靠性。

很多起升負(fù)載工況下，在變頻器進(jìn)線電壓大幅降低時(shí)，例如下降20%時(shí)，仍需要電機(jī)輸出額定轉(zhuǎn)矩，采用傳統(tǒng)的恒轉(zhuǎn)矩（Te=const）與恒功率（Te·ωr=const）調(diào)速區(qū)間劃分的變頻器在該工況下運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不足以及過電流等問題。

3 解決方式

對(duì)于塔機(jī)行業(yè)來說，起升負(fù)載工況是重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象之一。電網(wǎng)電壓的跌落造成變頻器進(jìn)線電壓大幅降低，此時(shí)很有可能影響電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩嚴(yán)重不足，甚至更嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過流等問題，這些不止增加機(jī)械設(shè)備的損耗，也帶來運(yùn)行當(dāng)中的一些安全隱患問題。

對(duì)此我們做出了深入的研究，希望在此工況下能夠找出一些解決方案。前面提到了解決電壓跌落問題主要從兩方面考慮，一個(gè)是系統(tǒng)，一個(gè)是負(fù)荷。關(guān)于系統(tǒng)的影響因素太多，不可能從源頭上完全杜絕電壓跌落現(xiàn)象的發(fā)生。所以只有從負(fù)荷方面著手解決。當(dāng)電壓跌落（下降額定電壓的20%）發(fā)生時(shí)，通過優(yōu)化變頻器的控制來達(dá)到目的。我們提出了根據(jù)母線電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整弱磁區(qū)的控制方法，如圖1所示，其中磁鏈給定的值ψS_gvn會(huì)根據(jù)母線電壓Vdc及當(dāng)前轉(zhuǎn)速ωr來共同決定。當(dāng)母線電壓降低時(shí)，也動(dòng)態(tài)調(diào)整磁鏈給定的弱磁區(qū)范圍，從而達(dá)到使電流中的轉(zhuǎn)矩分量最大化的目的。在低進(jìn)線電壓（下降額定電壓的20%時(shí)）的工況下仍能使電機(jī)輸出恒定的額定轉(zhuǎn)矩，當(dāng)然這種輸出額定轉(zhuǎn)矩的能力是有下限范圍的。不過，在進(jìn)線電壓下降20%時(shí)仍能帶動(dòng)額定轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速已經(jīng)可以滿足起重工況的絕大多數(shù)要求。

圖1 磁鏈、母線電壓、轉(zhuǎn)速的關(guān)系

3.1 試驗(yàn)原理

經(jīng)測試在電網(wǎng)電壓為408V時(shí)帶100%額定負(fù)載啟動(dòng)，測試裝置圖如圖2所示。采用電阻模擬長距離供電線路，調(diào)整變頻器的加速時(shí)間，使得當(dāng)加速時(shí)產(chǎn)生的較大電流在電阻上產(chǎn)生相應(yīng)的壓降，加在變頻器進(jìn)線端的電壓最低低至308V（為額定380V電壓向下波動(dòng)20%）。此時(shí)，變頻器仍能在不過流的情況下輸出足夠的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行啟動(dòng)、運(yùn)行、停止等一系列動(dòng)作。

圖2 試驗(yàn)原理圖

我們通過在電網(wǎng)的后端、變頻器的前端加入1個(gè)電阻箱，保證每相接入的電阻值均為0.75Ω。變頻器控制三相交流異步電機(jī)工作。負(fù)載端采用1臺(tái)直流電機(jī)（調(diào)速性能好、過載能力強(qiáng)、能耗低、性能優(yōu)越、振動(dòng)小、受電磁干擾影響小）作為我們的負(fù)載，通過1臺(tái)西門子（6RA7075-6DV62-0-Z）直流調(diào)速器對(duì)其進(jìn)行控制。當(dāng)三相交流異步電機(jī)帶100%額定負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)線會(huì)產(chǎn)生大電流，在電阻箱上產(chǎn)生一個(gè)電壓降，母線電壓會(huì)大幅降低，在此條件下測試變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩是否會(huì)有大幅度的降低或者因?yàn)殡娏鬟^大而保護(hù)。

3.2 測試條件

變頻器參數(shù)

額定功率/kW 55

額定電流/A 115

輸入：三相交流380-460V 50/60Hz

輸出：三相交流0-460V 0～300Hz

電機(jī)參數(shù)

額定功率/kW 37

額定電壓/V 380

額定電流/A 68.3

額定頻率/Hz 50

額定轉(zhuǎn)速/（r/min） 1465

額定極數(shù) 4

同步轉(zhuǎn)速/（r/min） 1500

控制方式 開環(huán)矢量（不帶編碼器）

3.3 測試波形及數(shù)據(jù)分析

加速段：3.5～8.5s（持續(xù)5s）；50Hz滿載段：8.5～12.5s（持續(xù)4s）；減速段：12.5～17.5s（持續(xù)5s）。

觀察圖3—8波形圖，橫坐標(biāo)3.5s時(shí)開始，優(yōu)化后變頻器控制交流異步電機(jī)開閘帶滿載啟動(dòng)運(yùn)行，從0Hz開始，加速時(shí)間5s，期間輸出功率逐漸增大，輸入電流隨之增大。達(dá)到50Hz時(shí)，輸出功率和輸入電流均達(dá)到最大值，此時(shí)在電阻箱上產(chǎn)生的壓降也達(dá)到最大，變頻器的輸入電壓達(dá)到最?。s308V），母線電壓最低（約425V）。穩(wěn)定后，母線電壓有少許回升，但仍舊很低。在橫坐標(biāo)8.5～12.5s時(shí)間段，變頻器始終保持輸入電壓偏低的狀態(tài)，但負(fù)載轉(zhuǎn)矩卻看不出明顯變化，仍然能夠保持100%輸出。在12.5～17.5s時(shí)間段，變頻器從50Hz減速到0Hz，輸出功率和輸入電流逐漸下降，輸入電壓穩(wěn)固回升，母線電壓恢復(fù)正常。從優(yōu)化后的變頻器控制交流異步電機(jī)帶滿載啟動(dòng)、開閘、加速、50Hz恒定、減速、抱閘、停止整個(gè)過程來看，輸出轉(zhuǎn)矩絲毫沒有受到整個(gè)“電網(wǎng)跌落”的影響，這是絕大多數(shù)變頻系統(tǒng)辦不到的。

圖3 Vdc

圖4 電流幅值（標(biāo)量）

圖5 給定轉(zhuǎn)速（標(biāo)量）

圖6 實(shí)際轉(zhuǎn)速（標(biāo)量）

圖7 電磁轉(zhuǎn)矩（標(biāo)量）

圖8 負(fù)載轉(zhuǎn)矩（標(biāo)量）

變頻系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量的要求非常高，電網(wǎng)電壓跌落對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的各個(gè)參數(shù)都會(huì)有不同程度的影響。當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時(shí)，使負(fù)載電流增高而引起電動(dòng)機(jī)過熱，傳速和輸出功率都會(huì)相應(yīng)減小，并易使電動(dòng)機(jī)因啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小而行動(dòng)困難，甚至無法啟動(dòng)。電壓下降越大，上述現(xiàn)象越嚴(yán)重。但從我們測試的波形及數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化后的變頻器在開環(huán)矢量的控制方式下，低電壓帶滿載啟動(dòng)沒有任何問題，輸出的轉(zhuǎn)矩保證百分百恒定，絲毫沒有受到影響。

4 結(jié)束語

通過以上理論分析和測試試驗(yàn)不難看出，在電網(wǎng)出現(xiàn)跌落的情形下，通過我們優(yōu)化后的變頻器仍然可以正常運(yùn)行。

總之，電網(wǎng)的跌落對(duì)變頻器造成的影響極大，尤其是低電壓時(shí)，很有可能造成母線電壓過低而輸出轉(zhuǎn)矩不夠，釀成嚴(yán)重后果。然而通過我們根據(jù)母線電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整弱磁區(qū)的控制方法保證在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)仍然能夠滿載輸出，從而避免了許多事故的發(fā)生。