電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)變頻器的危害及其解決研究

劉文，朱友林

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0 引言

在現(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)中變頻器具有重要作用。變頻器由于被廣泛應(yīng)用，很多外界因素都能對(duì)其造成損傷，而電網(wǎng)電壓波動(dòng)是變頻器出現(xiàn)短路等現(xiàn)象的重要影響因素之一。因此，相關(guān)人員需要對(duì)此予以重視，并對(duì)其不斷完善，從而促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定發(fā)展。

1 電壓波動(dòng)的種類(lèi)以及對(duì)變頻器產(chǎn)生的危害

在當(dāng)前的工作環(huán)境中，相關(guān)人員需要保證工作質(zhì)量，并對(duì)功率設(shè)備峰值實(shí)行控制，但由于外界因素的影響，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備控制峰值較低。當(dāng)出現(xiàn)大容量負(fù)荷或者電容組斷開(kāi)的情況時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致欠電壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。在工業(yè)發(fā)展過(guò)程中，若要提升變頻器工作質(zhì)量，相關(guān)技術(shù)人員需要結(jié)合實(shí)際工作內(nèi)容，將整體工作線路與工頻交流電轉(zhuǎn)化為直流電；逆變電路則是將各種直流電調(diào)節(jié)為交流電。變頻調(diào)速的相關(guān)設(shè)備在既定的工作環(huán)境要求下，會(huì)以交流到直流、再到交流的負(fù)載方式變化。而過(guò)電壓就會(huì)對(duì)電機(jī)造成相當(dāng)直接的壓力變化，使電磁通量結(jié)果受到?jīng)_擊。由于電流逐漸的上升，導(dǎo)致電器本體的工作溫度也慢慢上升，對(duì)電器本身體會(huì)造成一定的傷害，在這個(gè)形式的情況下直流電路會(huì)出現(xiàn)電流增加的現(xiàn)象。另外，還會(huì)直接降低電機(jī)的電流輸出效果，降低電機(jī)的運(yùn)行效率，也很容易導(dǎo)致電機(jī)的使用壽命降低，甚至直接導(dǎo)致電容器的工作效果受到損害。在較為極端條件下，也容易造成變頻器的電源系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，導(dǎo)致其電流輸出的效率出現(xiàn)降低趨勢(shì)，也會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的系統(tǒng)運(yùn)行效果較差，電源系統(tǒng)也無(wú)法順利關(guān)閉[1]。

2 電網(wǎng)電壓不同波動(dòng)對(duì)變頻器的影響

2.1 電網(wǎng)電壓升高對(duì)變頻器的影響

一般的逆變器電路的基本構(gòu)成是整流電路和逆變器電路，整流電路是電源頻率交流整流器。逆變器電路利用可調(diào)頻率和電壓將交流電反轉(zhuǎn)到直流。頻率轉(zhuǎn)換速度調(diào)整設(shè)備通常采用ACAC-AC電壓模式。逆變器過(guò)電壓一般指的是中間DC電路過(guò)電壓，其危害主要包括以下三點(diǎn)：①柵極電壓的上升增加了電機(jī)電路的磁通量，這容易引起磁電路的飽和，增加了勵(lì)磁電流，引起過(guò)多的溫度上升；②柵極電壓的上升使中間DC電路電壓上升。而且，逆變器的輸出電壓脈沖振幅過(guò)大，對(duì)電機(jī)的絕緣壽命有很大影響；③對(duì)中間的DC電路的過(guò)濾器·電容壽命帶來(lái)大的影響，連電容器也使之破裂。變頻器在生產(chǎn)時(shí)候會(huì)讓其具備能夠承擔(dān)一定過(guò)量電壓的功能，在電網(wǎng)電壓升高的量不超過(guò)其承受能力時(shí)，變頻器依然能夠正常運(yùn)作，但是如果電壓升高的量超過(guò)設(shè)備的承受能力，就會(huì)使得部分變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)異常，嚴(yán)重時(shí)將使設(shè)備遭到損傷。當(dāng)電網(wǎng)受到雷擊或者發(fā)生振動(dòng)時(shí)，若供電系統(tǒng)的防雷接地措施不到位或者接觸不良將會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓急速上升，從而導(dǎo)致設(shè)備被損壞。當(dāng)前許多低壓供配電系統(tǒng)沒(méi)有安裝過(guò)電壓保護(hù)措施，所以為保證低壓供配電設(shè)備能夠正常運(yùn)行，相關(guān)人員也應(yīng)當(dāng)給其安裝浪涌電壓吸收裝置和過(guò)電壓吸收裝置等保護(hù)措施。

2.2 電網(wǎng)電壓降低對(duì)變頻器的影響

頻率轉(zhuǎn)換器包括許多功率器件，例如IGBT、GTO、IGCT。一般這種功率設(shè)備具有一定的過(guò)載范圍。一旦網(wǎng)格過(guò)電壓的范圍小且時(shí)間較短，則會(huì)對(duì)功率設(shè)備的基本操作造成干擾。而一旦網(wǎng)格壓力降低幅度過(guò)大的情況，并且持續(xù)較長(zhǎng)一段時(shí)間，逆變器的電源將不再振蕩，控制其電源的輸出功率就會(huì)停止，或功率也會(huì)隨之降低，從而造成逆變器控制功能失效，甚至無(wú)法斷開(kāi)供電設(shè)備，對(duì)逆變器產(chǎn)生損害。當(dāng)電網(wǎng)壓力下降到一定幅度以后，一些設(shè)備的輸出也會(huì)迅速降低，同時(shí)還會(huì)干擾到整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。變頻器將會(huì)因?yàn)殡妷汗┙o不足而使其在運(yùn)轉(zhuǎn)中得不到有效的降溫，自身溫度急速上升，從而促使變頻器的穩(wěn)定運(yùn)作受到影響，甚至?xí)沟迷O(shè)備會(huì)因過(guò)熱而損壞。由于現(xiàn)階段變頻器的電源幾乎都是使用開(kāi)關(guān)電源實(shí)行控制，在電網(wǎng)電壓下降程度較低的時(shí)候，會(huì)增加開(kāi)關(guān)電源的調(diào)節(jié)難度，但控制系統(tǒng)還可以順利運(yùn)轉(zhuǎn)，功率設(shè)備能夠關(guān)閉。在電網(wǎng)電壓下降較多的時(shí)候，主回路電流將急速增加，增大功率器件承受的負(fù)荷，讓其機(jī)體溫度急速上升?？刂齐娫吹妮敵龉β蕰?huì)隨電網(wǎng)電壓下降急速降低甚至停止輸出，從而使系統(tǒng)出現(xiàn)混亂的情況，功率電器無(wú)法關(guān)斷，從而損害變頻裝置[2

]。

對(duì)于控制電源采取自主控制回路中直流電壓變化的變頻器而言，由于直流電路具有很大的電容，當(dāng)電網(wǎng)電壓下降的時(shí)候，由于直流回路的電流變化仍然可以維持在很長(zhǎng)的正常電流范圍，讓這種變頻器的主控電源仍然可以得到很充足的電流，變頻器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)也就暫時(shí)沒(méi)有受影響，因?yàn)檫@樣變頻器對(duì)于電網(wǎng)波動(dòng)具有很大的抵抗功能。但是，對(duì)于主控電源來(lái)自于交流供電路的變頻器來(lái)說(shuō)，當(dāng)電網(wǎng)電壓下降的時(shí)候，變頻器對(duì)電網(wǎng)震蕩抵抗功能逐漸減弱，便會(huì)導(dǎo)致其主控電源的電流幅值迅速降低，從而影響到變頻器的正常運(yùn)行。綜合以上提到的兩個(gè)變頻器，由于開(kāi)關(guān)電源的運(yùn)作所涉及范圍相當(dāng)廣泛，而且控制開(kāi)關(guān)電源的電流通常都會(huì)有所剩余，所以在電網(wǎng)電壓下降不多和持續(xù)時(shí)間較短的時(shí)候，能保持穩(wěn)定電壓。但是如若電網(wǎng)電壓下降幅度過(guò)大或者時(shí)間太久，開(kāi)關(guān)電源將無(wú)法保持穩(wěn)定電壓供給[3]。

3 解決變頻器抗電壓波動(dòng)能力的措施

3.1 過(guò)電壓故障解決措施

為了解決網(wǎng)格過(guò)電壓對(duì)頻率變換器的影響，在頻率變換器中間的DC電路中有效且及時(shí)地處理過(guò)多的能量，必須同時(shí)避免或降低面向頻率變換器的中間DC電路過(guò)多的電能供應(yīng)，由電力網(wǎng)所產(chǎn)生的過(guò)電壓必須在一個(gè)允許值以內(nèi)。在具體工作的基礎(chǔ)上，有關(guān)裝置管理者也需要對(duì)整個(gè)裝置主體進(jìn)行優(yōu)化操作。在當(dāng)前工作狀況下，由于受外界條件的影響，過(guò)電壓設(shè)備往往會(huì)遭受電網(wǎng)沖擊、雷電、補(bǔ)償電容器在合閘后運(yùn)行環(huán)境下斷裂等的影響，并由此產(chǎn)生諸多風(fēng)險(xiǎn)因素。為實(shí)現(xiàn)最好的防范效應(yīng)，其相關(guān)管理人員不僅需要對(duì)不同裝置進(jìn)行系統(tǒng)分析，同時(shí)也要對(duì)裝置所在區(qū)域的實(shí)際工作狀況予以記錄。而想要達(dá)到最佳的使用效率，就必須改善設(shè)備兩端之間的電壓，以滿足其電壓標(biāo)準(zhǔn)范圍，從而有效地減少和避免各種隱患問(wèn)題的產(chǎn)生[4]。

（1）調(diào)整頻率轉(zhuǎn)換器的設(shè)置參數(shù)，降低電源電壓是當(dāng)前有效預(yù)防過(guò)電壓的手段之一。在現(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，若要提高系統(tǒng)內(nèi)部的控制管理，就需要專(zhuān)業(yè)工作人員對(duì)電壓波動(dòng)進(jìn)行有效分析，并對(duì)其中變頻器的管理措施予以研究，在應(yīng)用相關(guān)技術(shù)的同時(shí)也要對(duì)變頻器本身的特點(diǎn)進(jìn)行研究。在中間系統(tǒng)運(yùn)行中，電壓本身的強(qiáng)度會(huì)受到直流回路產(chǎn)生的影響。另外，在設(shè)定頻率變換器減速時(shí)間參數(shù)的情況下，中間電路設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)電壓的狀態(tài)。為避免負(fù)載電量釋放過(guò)快，尤其對(duì)具有由頻率轉(zhuǎn)換器所控制的大負(fù)荷設(shè)備而言，持續(xù)時(shí)間不會(huì)太短。為防止變頻器在過(guò)電壓發(fā)生的有限時(shí)間里出現(xiàn)故障，相關(guān)人員需要考慮實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)情況，并設(shè)置高效變壓開(kāi)關(guān)裝置以及設(shè)定反相器失速的自我調(diào)整功能，設(shè)定頻率變換器的頻率數(shù)值，或使頻率減速來(lái)降低控制裝置的速度，從而保證變頻器本身的工作能力和成效得以提升，以此確保工作質(zhì)量能夠得到保障[5]。

（2）調(diào)節(jié)放電電阻。在當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，為減少因?yàn)橥饨缫蛩厮鶎?dǎo)致的設(shè)施損壞現(xiàn)象，在展開(kāi)工作中，要求相關(guān)管理人員應(yīng)加強(qiáng)并聯(lián)電阻的配置管理，并且最大程度完善管理方式，從而為整個(gè)儲(chǔ)能元件結(jié)構(gòu)主體構(gòu)建一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的工作環(huán)境，以達(dá)到保證整個(gè)電路系統(tǒng)工作品質(zhì)的目的，促使電路系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。放電電阻是在能量存儲(chǔ)元件兩端并聯(lián)的電阻器，能夠?yàn)樵O(shè)備提供能量存儲(chǔ)元件的能量消耗路徑，并保證電路安全。在現(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)中，低功率變頻器一般在其設(shè)備內(nèi)部中間的DC電路中使用控制裝置和放電電阻來(lái)控制，為高功率逆變器向中間DC電路提供用于釋放過(guò)剩的能量。因此，為防止過(guò)電壓溢出造成不必要的損害，相關(guān)人員需要根據(jù)其標(biāo)準(zhǔn)要求增大放電電阻[6]。一般使用的頻率轉(zhuǎn)換器的電源側(cè)是能夠控制的整流橋，其特征是高電源電壓，產(chǎn)生中間直流電路的電壓也增加。例如，當(dāng)電源電壓為380V時(shí)，頻率轉(zhuǎn)換器的直流電路電壓為537V。在轉(zhuǎn)換器的位置接近變壓器的情況下，輸入電壓通常為400V以上，成為中間DC電路的過(guò)大電壓。因此，如果條件成立，則可以使用變壓器的抽頭機(jī)通過(guò)低電壓齒輪的配置來(lái)降低電源電壓，從而提高頻率轉(zhuǎn)換器的過(guò)電壓能力。

（3）添加反相器電路，反相器電路的基本功能是在控制電路下降，其中間DC電路中DC功率輸出可通過(guò)任意調(diào)整的頻率與電壓轉(zhuǎn)換為AC電源。通過(guò)在逆變器輸入側(cè)追加逆變器電路，從而可以將逆變器的直流電路中剩余能量及時(shí)返回到網(wǎng)格里。但其成本高，并且技術(shù)要求復(fù)雜。在當(dāng)前工業(yè)發(fā)展中，逆變電路的日常工作主要是能夠優(yōu)化控制電路自身的工作效果，通過(guò)分析其中間直流電路的調(diào)節(jié)作用，促使變頻器正常工作更加便利，并滿足交流電源的基礎(chǔ)要求。此外，還要在變頻器輸入基礎(chǔ)上，將整個(gè)變頻器中直流回路并入電網(wǎng)中。但是，這種方式的成本較高，對(duì)于技術(shù)的要求也會(huì)更復(fù)雜[7]。

（4）對(duì)中間電路施加適當(dāng)?shù)碾娙?。想要?shí)現(xiàn)最佳的工作效率，在設(shè)計(jì)中間直流電路的基礎(chǔ)上，相關(guān)人員就需要設(shè)定合理的電容器，還需要根據(jù)變頻器的容量構(gòu)成和中間直流電路的具體工作效果，對(duì)電流狀態(tài)、電壓等做出預(yù)測(cè)分析，通過(guò)這些方法才能實(shí)現(xiàn)最佳的工作效率，從而使得工作環(huán)境中的電流質(zhì)量以及中間電路承載力都既能夠保障后期的各種管理工作高效實(shí)施，又可以避免由于過(guò)電壓所造成的設(shè)備損傷問(wèn)題。而通過(guò)對(duì)頻率轉(zhuǎn)換器的電容和中間電路的電流狀態(tài)和電壓預(yù)測(cè)，就可以直接把相應(yīng)的電容器施加在中間電網(wǎng)中，這能夠使電路電壓穩(wěn)定化，提高承受過(guò)電壓電路的能力。在設(shè)計(jì)階段，相關(guān)人員可以選擇更大容量的頻率轉(zhuǎn)換器來(lái)有效地防止過(guò)電壓的影響[8]。

3.2 欠電壓

安裝電源用UPS（無(wú)停電電源裝置）。當(dāng)正常交流電源被切斷時(shí)，來(lái)自電池的DC輸出被轉(zhuǎn)換成連續(xù)的AC電源裝置。逆變器在使用或由UPS直接供電時(shí)，為避免逆變器過(guò)電壓的觸發(fā)，可充分利用“電壓損失”和不間斷電源的特點(diǎn)。因此，如果由于電源突然失去電壓而迅速切斷，不間斷電源會(huì)立即通過(guò)逆變器直接轉(zhuǎn)換為給頻率轉(zhuǎn)換器供電，從而保證頻率轉(zhuǎn)換器的正常運(yùn)行。同時(shí)保護(hù)頻率轉(zhuǎn)換器的軟和硬件設(shè)備免遭損壞，保證逆變器控制器的安全運(yùn)行。而常見(jiàn)的低壓變頻器，大多屬于從交流到直流再到交流的變頻器，為保護(hù)電機(jī)，在母線電流相對(duì)較小的狀態(tài)下，由于變頻器自身的運(yùn)行效率也相對(duì)較小，因此無(wú)法高效進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)工作。另外，在變頻器運(yùn)行過(guò)程中，相應(yīng)的母線系統(tǒng)也要對(duì)其加以維護(hù)，在工作基礎(chǔ)上，若是在具體測(cè)量的過(guò)程中，測(cè)量的結(jié)果低于一個(gè)固定的數(shù)值，變頻器本身就會(huì)出現(xiàn)多種故障。現(xiàn)階段，大多數(shù)變頻器工作過(guò)程中，都會(huì)因?yàn)槭艿酵獠凯h(huán)境的影響或是其他方面的沖擊，導(dǎo)致變頻器的工作質(zhì)量較低。另外，也因?yàn)樽冾l器中的功率零件工作時(shí)間較短，電源電壓通常都會(huì)受直接沖擊的影響，而形成調(diào)停的情況。為合理地防止此類(lèi)現(xiàn)象的產(chǎn)生，可根據(jù)有關(guān)規(guī)定，對(duì)由變頻器所控制的設(shè)備時(shí)限加以延長(zhǎng)，以減輕降壓后對(duì)變頻器設(shè)備所產(chǎn)生的直接沖擊。在一般的工作循環(huán)下，供電如果發(fā)生電壓降低或者瞬間中斷等現(xiàn)象，就會(huì)直接產(chǎn)生系統(tǒng)內(nèi)部的能量變化，必須采用逆變換的方法給變頻器繼續(xù)供電，以確保變頻器維持正常的工作，同時(shí)又能有效地維護(hù)變頻器相關(guān)設(shè)備沒(méi)有遭到破壞，以保證變頻器控制裝置的平穩(wěn)有序運(yùn)轉(zhuǎn)。在具體工作中，相關(guān)人員若是采用新型技術(shù)控制器設(shè)備，就必須注意降低系統(tǒng)響應(yīng)速度，以有效進(jìn)行對(duì)技術(shù)設(shè)備的調(diào)整與分析，加快設(shè)備綜合管理，減少失壓對(duì)設(shè)備的沖擊和影響[9]。

相關(guān)人員可以在低壓一側(cè)集中添加上浪涌電壓吸收裝置，在現(xiàn)在的許多市場(chǎng)中都能夠采購(gòu)到裝配在低壓設(shè)備上的浪涌電壓吸收裝置。根據(jù)供電傳輸設(shè)備對(duì)電網(wǎng)負(fù)載降低范圍，合理的調(diào)整欠電流整定值。在選用電機(jī)類(lèi)型的同時(shí)，必須考慮其電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源是采用外部電源和中間直流的聯(lián)合電源，采用PWM整流器進(jìn)行供電。針對(duì)幾個(gè)核心的關(guān)鍵變頻器，對(duì)這些功率設(shè)備的主控制回路電源和控制電源選擇一個(gè)較小的關(guān)鍵設(shè)備和監(jiān)控電源的新產(chǎn)品UPS，這些新產(chǎn)品也逐漸在各個(gè)企業(yè)都有所應(yīng)用，而且效果很好。針對(duì)幾個(gè)比較關(guān)鍵的重要裝置，可通過(guò)動(dòng)態(tài)電流補(bǔ)償裝置來(lái)對(duì)幾個(gè)短時(shí)間內(nèi)電流變化的裝置實(shí)現(xiàn)有效的電流補(bǔ)償，進(jìn)而保護(hù)這些重要設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)依然能夠進(jìn)行正常運(yùn)作，維持生產(chǎn)線，讓廠商的損失盡量降低[10]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，相關(guān)人員需要根據(jù)電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)變頻器的影響予以分析，并通過(guò)采取科學(xué)有效的措施對(duì)其不斷完善，從而促進(jìn)工業(yè)穩(wěn)定發(fā)展。