淺析變頻器的防晃電設計范文

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摘要：變頻器在電機調速、節能上得到了廣泛的應用，但它對電源要求較高，電源晃電時很容易使變頻器直流母線電壓跌落到非正常電壓區域而跳停，這對連續運行的生產線造成了很大的影響，甚至引發事故的發生。針對不同負荷的特性及生產的要求，通過增加直流后備電能、利用負荷機械動能、減少變頻器電能消耗等方法，使變頻器在晃電期間能維持運轉所需要的能量，等到電網復電后變頻器再恢復到原來的運行參數，這樣既維持了生產的連續性，又保護了變頻器。

關鍵詞：變頻器；晃電；方法

1現狀及問題

變頻器大量應用于各行各業，主要用于對電機的調速，對提高生產質量來說，起到了非常重要的作用。特別是對于流水線長、非恒速運轉、生產中斷會造成重大損失的企業生產線來說，提高變頻器的可靠性成了一大難題。造成變頻器故障的一大主因是供電電源晃電，哪怕是瞬間的晃電，都有可能使變頻器跳停，從而造成生產的停機。在大型生產線中，可以采用直流支撐成套裝置，依靠蓄電池強大的瞬間放電能力作為變頻器的后備電源，保證晃電時變頻器的電能供應，維持變頻器晃電時繼續按原速度運行。但是，隨著變頻器的大量應用，變頻器分布在生產車間各個場所，很多場所難以使用直流支撐裝置，在不外加后備電源的情況下，如何簡單可靠地保證在晃電時變頻器能繼續運行，是我們在生產中急需解決的問題。

2防晃電的方法

通常電源晃電持續的時間很短，絕大部分在0.5s以內，最嚴重的晃電就是線路故障跳停后延時重合閘或備用電源延時投入，延時時間一般都是3s。晃電的原因有雷電、線路局部短路等。按照變頻器的出廠默認設置，晃電時，變頻器直流母線電壓會隨外電電壓的下降而下降。當下降到欠壓保護值ULU時，為避免輸出電流過大而燒壞輸出功率管，變頻器發出欠壓報警，停止運行。要使變頻器晃電時不跳停，就必須保證晃電時直流母線電壓不下降，或下降時輸出電流不增加，來電后還要自動回到原來的頻率。下面就針對不同的負荷探討幾種防晃電的方法。

2.1單臺平方轉矩負荷的防晃電

風機、泵類是最常見的變頻機負荷，負荷特點是：負荷有較大的慣性動能，力矩與轉速的平方成正比。對應使用的變頻器類型為P型或叫輕負荷型[1]。變頻器設置成欠壓自動減速運行，且減速速度大于自由滑行的減速速度。當電壓小于失壓保護值ULU時，電機進入再生制動狀態，回饋能量返回到直流母線上，使母線電壓不降反升；外電恢復正常后，變頻器母線電壓迅速回升，按加速時間升速，轉速又會升到晃電前的數值。為保證電機(含風機)減速速度盡量接近且略大于自由滑行的減速速度，需找出電機的轉動慣性，可簡單地進行測試。現用一臺55kW風機來做試驗。在變頻器以50Hz恒速運行時，突然把變頻器運行模式設置為自由滑行，在t0時刻，變頻器運行頻率由50Hz降為0Hz，讓電機依靠慣性自由滑行，每隔10s測一個點，得到其慣性曲線，如圖1所示。對于不同功率及不同轉速的風機、水泵，曲線特性基本一樣，只是慣性時間不同而已。圖1中還標注了慣性時間非常短的55kW水泵的曲線，其慣性時間只有10s。該曲線為反比例函數，設曲線函數為：f=a/(t+b)+c(1)式中：f為運行頻率；t為晃電時間；a、b、c為常數。利用插值法，將前三個點(0，50.0)，(10，37.5)，(20，28.2)代入公式，求解常數a、b、c，解得曲線方程近似為：f=4949.7/(t+58.1)-35.2(2)求導，得：f'=-4949.7/(t+58.1)2(3)當f=50Hz、t=0時，頻率下降率f'=-4949.7/(0+58.1)2=-1.5Hz/s當f=40Hz、t=7.7s時，頻率下降率f'=-4949.7/(7.7+58.1)2=-1.1Hz/s當下降頻率為1.5Hz/s時，可以保證電機運行頻率不超過50Hz時，在晃電時不會消耗變頻器內部的電能；在小于50Hz時，電機處于發電狀態，直流母線電壓不但不會下降，還會有所上升。變頻器通過升降頻率來自動控制直流母線電壓，直到復電，電壓超過解除繼續運轉水平電壓值時，變頻器升頻到原來設定值。測試：把變頻器的繼續運行水平電壓設置為460V，欠壓值ULU為350V，解除繼續運行水平電壓值為470V，變頻器以最大值50Hz的頻率恒速運行時，關停變頻器的輸入電源，可以看到變頻器的輸出頻率慢慢下降，再送上電源，變頻器的輸出頻率又慢慢上升到50Hz。整個過程中變頻器保持著運行狀態，直流母線電壓維持在460V左右，沒有發出故障信號。

2.2單臺恒轉矩負荷的防晃電

帶有減速機的負荷的特點是：沒有慣性，低速時力矩大。對應使用的變頻器類型為G型或叫重負荷型[1]，其特點是變頻器停止輸出，電機會馬上停止運轉。由于負荷沒有慣性動能，無法使用P型變頻器的方法來防晃電，要防晃電，可使用以下兩種辦法。(1)對于對速度要求不高，允許短時間降速甚至停轉的負荷，可利用變頻器的重啟動功能，晃電導致直流母線欠壓時，電機快速減速，直到停止，但變頻器不跳閘，在變頻器容許停電時間內來電時，變頻器自動運轉回到停電前的運行速度。(2)對于對速度要求很高，不允許瞬間減速，更不允許停轉的負荷，可利用外置儲能補充的辦法，保證在晃電期間，儲存的電能足夠維護幾秒鐘的運轉，直流母線電壓就不會下降。這需要很大的能量，變頻器自配的直流母線電容一般只有110μF/kW，維持時間不到0.02s，可外接儲能元件。對于單臺小于7.5kW的小變頻器，可在直流母線上直接并入一定量的儲能電解電容器，如安川變頻器就有防晃電的電容器單元(Back-upCapaci⁃torUnitforMomentaryLossOption)配件，其支撐時間可達2s[2]。如果電機功率較大，或要支撐更長的時間，則需要并接更大的電容器。這時，電解電容器的能量密度太小，受體積限制難以使用，需使用超級電容器模組，同時為限制充電電流，需在電容器上串接限流電阻R1。為保證放電電流，在R1上并接二極管D1，這樣形成慢充快放電路，充電時間常數=R1C1，充滿電的時間約為5倍R1C1。只要直流母線電壓低于C1上的電壓，C1上的能量就會從D1流向直流母線，無需切換控制電路，沒有切換時間，保證變頻器維持原來的速度無擾動運行[3]。電容器容量的計算：按晃電時間3s來計算，電容器放電3s，電壓必須保持在母線電壓在下限值以上，根據能量守恒定律，電容器儲存電能的差值=電機消耗的電能：0.5C(U12-ULU2)=k×1000P×t式中：U1為輸入電源整流后得到的直流電壓，當輸入電源電壓為交流400V時，ULU為變頻器的欠壓保護值，在這里設置為350V；k為電機負荷率，對于變頻電機來說，一般取0.5；P為電機額定功率；t為電機晃電時間，在這里t=3s。即C/P=k×1000×t/0.5(U12-ULU2)=3000/(5402-3502)=0.018F/kW即每千瓦運行功率需要的電容容量為0.018F。R1可選用兩個PTC加熱器串聯，選用PTC器件是為了防止其過熱燒壞；D1的耐壓為1000V，額定電流要大于變頻器的額定電流；電容器C1的耐壓須大于直流母線上的最大電壓，并留有一定的余量，可選兩個350V的串聯。

3結語

(1)變頻驅動發展至今，防晃電技術已得到普及，合理選配附件，設置好用戶參數，就能達到很好的防晃電效果。但出于安全考慮，生產廠家在出廠時都沒有設置此功能，需要用戶根據現場實際情況，選用合適的參數。

(2)對于風機、水泵，沒有特殊要求，無需使用直流支撐裝置，利用自身的機械能就足以應對晃電的影響。

(3)隨著儲能技術的發展，超級電容器已大量應用到工業領域，為防晃電提供了充足的直流后備電源。

參考文獻

[1]吳忠智，吳加林.變頻器原理及應用指南[M].北京:中國電力出版社,2007:264-269.

[3]宋自用,金中英.變頻器防晃電電路:中國,ZL201621401664.X[P].2017-08-04.

作者:宋自用 戚黎洲 張國強 單位:桐昆集團股份有限公司