低壓變頻器防晃電方案研究

姜萬東 周海濤 王曉堃 張 錚

（江蘇國網自控科技股份有限公司，江蘇 昆山 215311）

低壓變頻器防晃電方案研究

姜萬東 周海濤 王曉堃 張 錚

（江蘇國網自控科技股份有限公司，江蘇 昆山 215311）

低壓變頻器對電網電壓波動較為敏感，由于系統電壓發生晃電事故造成變頻器非計劃停機時有發生。本文深入研究了變頻器防晃電直流支撐方案和再起動方案，對常規解決方案存在的問題進行了分析，提出了相應的解決方案，對選擇低壓變頻器防晃電方案具有一定的借鑒意義。

防晃電；低壓變頻器；直流支撐；故障閉鎖

低壓變頻器自20世紀50年代末問世以來，在主要工業化國家已經得到廣泛應用。而在我國到20世紀90年代末，低壓變頻器才逐漸得到廣大用戶的認可和使用。文獻[1]指出一些企業由于電網電壓不穩，導致變頻器在使用中產生了新的問題，如變頻器低壓跳閘。每次由于電網晃電，關鍵電動機變頻器低壓跳閘造成的非計劃停機，都會給企業造成很大的經濟損失。文獻[2]中指出由于電網電壓的不穩定，導致變頻器在使用中出現了新的問題：變頻器低壓保護跳閘（即低電壓穿越）。低電壓都是瞬時和短時的，對傳統的控制系統影響較小，而對變頻器則會產生低壓保護跳閘導致電動機停機，影響安全和生產。

目前，解決低壓變頻器防晃電方案主要采用有變頻器失壓自復位、變頻器動能緩沖、直流支撐和變頻器再起。前兩種方案是變頻器自身提供的功能[3]，而后兩種方案需要在變頻器外部提供控制裝置或電源。其中，直流支撐方案由于需要采用蓄電池提供的后備電能，占地和投資較大適用于對變頻器防晃電要求較高的情況。文獻[4]列舉了變頻器直流支撐方案的一些實現方法。而變頻器自帶的失壓自復位功能，在晃電時要保證變頻器起動信號不丟失，對采用交流控制的回路很難實現限制了其應用。采用變頻器動能緩沖功能，取決于負載的特性，并且只能起到一個短暫防晃電作用，效果較小。文獻[5-8]對變頻器的防晃電技術應用方案進行了深入的研究，提出一些可行的技術方案。文獻[9]提出了一種新型防晃電產品解決方案。文獻[10]又提到了防晃電技術在化工行業的應用。

綜上所述，低壓變頻器的防晃電問題，一直被業界所研究和探討，低壓變頻器的防晃電解決方案主要以直流支撐和變頻器再起為主，本文著重分析兩種解決方案，對方案中存在的問題進行分析，提出相應的解決方案。

1 常規式直流支撐方案

常用的低壓變頻器都是采用交-直-交的電源型變頻器，直流回路是通過三相交流整流得到的，直流電壓大約在510～620V之間。所以給變頻器提供一路在510～620V之間的直流電源，就可以保證變頻器的不間斷運行。

低壓變頻器直流支撐方案如圖1所示，圖1（a）為單臺變頻器直流支撐方案，圖1（b）為多臺變頻器直流支撐方案。監測單元負責對變頻器的運行狀態、交流母線電壓、變頻器直流母線電壓以及蓄電池電壓進行監測。當變頻器處于運行狀態、交流母線電壓降低時，監測單元檢測到變頻器的直流電壓和蓄電池電壓的直流電壓差值達到設定值，控制執行單元的電子開關迅速導通，使儲能蓄電池對變頻器供電，保證變頻器繼續工作一段時間。當交流電壓恢復正常或支撐時間達到設定時間，執行單元的電子開關關閉，變頻器又工作在交流電源供電狀態。

圖1 低壓變頻器直流支撐原理

直流支撐方案的直流供電可能根據不同應用情況所有差異，如應用場合具有安保直流電源或其他后備電源，且容量滿足只需要增加一個大容量的DC/DC升壓電源；有些場合直接采用蓄電池充電到接近變頻器直流電壓，可不用DC/DC升壓電源。

一般變頻器的欠壓跳閘設定值在70%～90%直流電壓之間，因此，直流支撐的投入電壓一定要高于變頻器欠壓跳閘設定值，一般差壓設定值為5%直流電壓。DC/DC升壓輸出電壓或儲能母線電壓一般要達到95%直流電壓，對400V的變頻器而言，要求直流支撐后備的直流電壓在510～540V。對差壓投切的時間上也有一定的要求，滿足判斷識別到電子元件動作時間Tqh一定要小于變頻器欠壓動作的時間，保證投切后變頻器自身沒有停機。

2 常規直流支撐方案的問題

雖然直流支撐較好地解決了低壓變頻器在交流電源晃電時欠壓跳閘的問題，但是還有如下問題：①由于直流支撐只在變頻器直流母線低于備用儲能電壓時投入，因此變頻器在過壓跳閘時，直流支撐不起作用，導致變頻器在過壓擾動時停機；②在交流電源發生晃電時，外部控制電路如果采用了交流回路電源，由于晃電時可導致交流回路中的起動中間繼電器釋放，從而變頻器的起停控制信號丟失，導致變頻器停機，因此采用直流支撐方案時必須在交流控制回路增加UPS或直流逆變電源增加了成本。

3 直流支撐改進方案

針對常規直流支撐方案存在的問題，本文對直流支撐的監測元件進行了改進（如圖2所示），提出了改進方案。

圖2 直流支撐改進方案圖

圖2中，監測元件采集的外部狀態信號：EXT_ST 為外部變頻器起停信號，可為就地信號和遠方信號；VFD_RUN為變頻器運行狀態信號，由變頻器輸出；VFD_ERR為變頻器的故障跳閘信號，由變頻器輸出；VFD_READY為變頻器準備信號，由變頻器輸出。監測元件輸出的控制信號：ST信號為控制變頻器的起停信號，輸出到變頻器的IO中；RESET信號為控制變頻器復位故障信號，輸出到變頻器的IO中；DCS_RUN為輸出給DCS信號的變頻器運行指示信號；RESTART為再起動出口，負責再次起動變頻器控制回路的起動中間繼電器。

該改進方案的控制邏輯及實現原理如圖3所示。其可分別判斷過壓變頻器擾動停機和欠壓晃電停機兩種情況：①當系統電壓過壓時，監測單元的電壓元件先識別到過壓，并判斷出變頻器出現停機。待電壓恢復后輸出起動變頻器控制信號使變頻器重新起動，避免變頻器因過壓擾動停機；②當發生欠壓晃電時，監測單元先識別到低壓過程，檢出變頻器無故障信號，且外部起停信號丟失，則控制差壓單元電子開關閉合，投入后備電源，再此過程中保持ST信號一直輸出，直至交流電源恢復（恢復時，先輸出RESTART起動中間繼電器，使EXT_ST信號恢復）或支撐時間到，差壓單元控制電子開關斷開。

圖3 直流支撐改進方案控制邏輯圖

從上面的分析中可以看出，改進方案在變頻器發生過壓時可實現電壓恢復后的變頻器再起功能；在發生欠壓晃電，直流支撐時無需配備UPS或逆變電源，也可保證控制信號不丟失使變頻器停車。

4 常規變頻器再起方案

當對變頻器的防晃電要求不是很高的情況下，采用變頻器再起方案即可滿足要求并節省了對后備電源的投資，如圖4所示。

圖4 常規變頻器再起方案圖

工作原理簡介如下：當再起裝置ZQ-1通過模擬量接口10，3測到電壓正常，并通過開關量接口6，7測到運行控制中間繼電器KA1的狀態為合，認為變頻器處在運行狀態。如系統發生晃電時，ZQ-1通過模擬量接口10，3測到電壓降低，且KA1狀態釋放，認為發生晃電。當晃電在設定的防晃電時間內恢復正常后，ZQ-1控制常開接點QD1和QD2同時閉合，使變頻器重新起動。ZQ-1中的RUN信號為延時斷開出口，晃電設定時間內閉合保證DCS的監控信號正常（模擬變頻器還在運行）。如果電壓未在設定時間內恢復，ZQ-1的QD1和QD2就不再閉合，RUN信號也斷開。

5 常規變頻器再起方案的問題

常規再起變頻器方案存在以下問題：①晃電檢測信息不足，發生非對稱晃電時如圖4中的L1和L2相降低，L3相電壓正常，而ZQ-1只檢測了控制相L3，故無法識別晃電造成不能再起變頻器；②一些變頻器（如ABB的ACS800系列等）有故障閉鎖功能，在晃電時變頻器欠壓跳閘，如果不復位變頻器的故障，如圖4中所示的R1B、R1C是無法閉合的，此時即使QD1和QD2閉合，KA1線圈回路也無法接通，導致起動變頻器失敗。

6 變頻器再起改進方案

由于常規變頻器再起方案的缺陷和不足，導致使用此方案時經常在晃電時出現再起變頻器失敗的情況，因此本文提出了一種改進方案。

改進后的變頻器再起動方案如圖5所示，ZQ-2不僅通過電源接口3、14測了控制相電壓，而且通過模擬量接口11、12、13測母線電壓。同時開關量接口8、9和8、10分別檢測了變頻器的起停中間繼電器狀態和變頻器故障信號輸出狀態。控制輸出部分1、2的QD出口用來再起動控制中間繼電器KA1，控制輸出部分4、5的FG用來復位變頻器的故障。

圖5 變頻器再起改進方案圖

改進后的方案原理說明如下：①當再起裝置ZQ-2檢測到母線電壓正常，控制電壓正常，并且檢測到變頻器起動信號KA1和無變頻器故障信號KA2后，認為變頻器處在運行狀態，作為晃電再起變頻器進行準備的條件；②當母線電壓或控制電壓發生突變或緩慢降低時，ZQ-2檢測變頻器的起動信號KA1是否消失，若消失則認為發生了晃電，起動晃電再起邏輯；若變頻器KA1信號未丟失，則重新判斷電壓；③在判斷出發生晃電且變頻器停機后，ZQ-2檢測母線電壓和控制相電壓是否在設定的防晃電時間內恢復，若未恢復則放棄再起動變頻器；若恢復，則開始執行起動變頻器邏輯；④ZQ-2起動變頻器邏輯開始后，先檢測變頻器的故障信號KA2是否存在，如果存在就先閉合FG出口4、5使變頻器先復位故障，待檢測KA2消失后，ZQ-2再閉合QD出口1、2使起動中間繼電器吸合，再起動變頻器。

從上面的分析中可以看出，改進方案可以全面的檢測交流回路的電壓波動和變化情況，為準確判斷是否發生晃電提供全面的依據。該方案還考慮了變頻器在晃電時出現欠壓跳閘的情況，如果具有故障鎖定功能，就應先可靠的復位變頻器故障然后再輸出起動信號，以保證再起變頻器的可靠性。

7 結論

本文介紹了目前變頻器防晃電的兩種解決方案，即直流支撐方案和再起動變頻器方案。指出了其中存在的不足，提出了改進方案。直流支撐改進方案，避免了在控制電源增加UPS和逆變電源的同時，也可滿足在過電壓變頻器跳閘時再起變頻器。再起動變頻器改進方案，進行母線電壓和控制相電壓測量保證了晃電判斷的全面性，在起動變頻器過程中，提出檢測出有變頻器故障信號應先復位變頻故障信號，再輸出起動變頻器信號才能保證再起變頻器的可靠性。上述的兩種改進方案在吉林石化和烏魯木齊石化等防晃電隱患治理項目中投入運行后，有效地解決了常規解決方案中存在的問題和缺陷，可靠地保證了變頻器的連續穩定運行。

本文所提的改進方案在實際使用過程中證明了其可行性，對在選擇變頻器防晃電方案時，具有一定的借鑒意義和實用價值。

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Research on Low Voltage Variable-frequency Drive Anti-electricity Shaking Scheme

Jiang Wandong Zhou Haitao Wang Xiaokun Zhang Zheng
(Jiangsu State Grid Automation Technology Co., Ltd, Kunshan, Jiangsu 215311)

Low-voltage VFD is sensitive to voltage fluctuation. Because of voltage dips, unplanned stop of VFD happened frequently. This paper made deep research on DC-Bank scheme and restart scheme of VFD anti-electricity shaking, analyzed problems of common solutions, and proposed a relevant solution. The conclusion of this paper has a certain significance to the choice of anti-electricity shaking scheme of low-voltage VFD.

anti-electricity shaking; low voltage Variable-frequency Drive; DC bank; fault blocking

姜萬東（1980-），男，遼寧朝陽人，高級工程師，主要從事電力系統繼電保護及電氣控制方面的研究工作。