電網電壓波動對變頻器的危害及其解決措施

張彤

【摘 要】工業作為我國國民經濟發展中的一個重要的組成部分，節能與設備使用壽命也是經濟效益的重要體現。國內的絕大多數風機水泵類負載都配備了變頻器，根據現場工作的需要調節電機轉速以達到節能的目的。為延長電機使用壽命，需要由變頻器調速啟停。但電網的電壓波動會使變頻器出現過電流或者過電壓報警跳閘，本文就針對電網電壓波動對變頻器的危害及其解決措施進行簡單的分析與研究，以供參考。

【關鍵詞】欠電壓；過電壓；變頻器

中圖分類號： TM921.51 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）30-0256-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.115

電網電壓波動主要是由具有沖擊性的功率負荷引起的，并且由于整個工業供電系統短路以及負載啟停沖擊都很容易造成電網電壓出現瞬時變化。可能會觸發變頻器保護報警功能，如過流、過壓、過載保護等等，一旦不能及時發現，會發生事故，嚴重影響生產，后果不堪設想。探究引起電壓波動的原因，針對變頻器工作原理制定相應的預防措施，以減輕電網電壓波動對變頻器的影響，對于保證工業安全生產十分重要。

1 電壓波動對變頻器的影響

電壓波動是指電網電壓有效值（方均根值）的快速變動。供電系統電壓瞬時波動的主要原因是：（1）電網受到雷擊引起的電壓瞬時變化。在每年夏季雷雨高發時，高壓電網被雷擊中，高壓側避雷器動作，向大地釋放大量的雷擊電流，引起電壓突降。（2）掛網設備發生故障導致電壓短時波動。當電網線路掛網用戶發生故障（如發生相間短路）時，變電站保護裝置動作，處于相同變電站的用戶電壓就會發生瞬時變化，通常會表現為電壓瞬時降低。由于電網電壓波動通常都是短時出現，以往電控維護人員在電壓穩定之后通過手動對變頻器進行復位，即可解決此類問題。但是由于部分工業負載類設備較多及供暖行業換熱站數量多且分散，對變頻器進行逐個復位消耗時間過長。變頻器過電壓、欠電壓只能手動復位的局限性仍大大降低了工作效率，影響居民供暖。

（一）過電壓對變頻器的影響

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應，把直流電變成交流電稱為逆變。逆變電路可用于構成各種交流電源，在工業中得到廣泛應用。變頻調速裝置一般是均采用交—直—交電壓模式。三相電源經過整流器得到直流電，通過直流母線向逆變器供電。變頻器過電壓指的是中間直流回路電壓達到危險程度，造成的危害主要表現為以下三點：一是隨著電網電壓升高電機鐵芯磁通隨之增高，甚至形成磁路飽和，導致勵磁電流隨之升高，進一步引起電機溫度升高甚至超溫，導致電機損壞或報廢；二是中間直流回路電壓隨著電網電壓升高而升高，輸入至至電機側的電壓脈沖幅度變大，燒壞電機絕緣；三是導致中間直流回路濾波器電容瞬間充滿，超出容量限制，甚至會導致電容器爆裂。當出現過電壓情況時，變頻器會啟動過電壓報警，停止運行以保護內部電路不受損壞。

（二）欠電壓對變頻器的影響

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，接入的電網電壓瞬時，小幅度降低時，不會對功率器件造成太大影響。為了保護變頻器，在母線電壓持續過低時，達不到開關電源起振工作要求，變頻器控制電源無輸出，造成控制系統無秩序運轉，功率器件無法關斷，損壞變頻器。

由于電網電壓波動通常都是短時出現，以往電控維護人員在電壓穩定之后通過手動對變頻器進行復位，即可解決此類為題，但是由于部分工業及供暖行業換熱站數量多且分散。對變頻器進行逐個復位消耗時間過長。變頻器過電壓、欠電壓只能手動復位的局限性仍大大降低了工作效率，影響居民供暖。

2 預防電壓波動對變頻器危害的措施

（一）過電壓

電源輸入測的過電壓主要是指電源側的沖擊過電壓，如雷擊引起的過電壓、補償電容在合閘或斷開時形成的過電壓等，主要特點是電壓變化率dv/dt和幅值都很大。

（1）裝設浪涌吸收裝置或者串聯電抗器吸收多余能量

針對雷電、電網閃電造成的影響以及補償電容瞬間放電是造成變頻器過電壓的主要原因。對此可以通過浪涌能量吸收裝置或者串聯電抗器吸收多余能量。當電路中的瞬時電壓超過觸發電壓時，電路導通或擊穿，對地瀉放短時強電流，從而保護設備元件。

（2）調整變頻器參數

如果生產工藝中對電機降速時間沒有要求，可以手動更改電機減速時間參數，在保證不引起超電壓的前提條件下，避免出現負載減速太快情況。如果負載減速時間收到生產工藝流程的制約，為預防變頻器在減速時間內出現過電壓跳停，可降低變頻器的頻率值，通過降低頻率控制降低設備運行速度。

（3）在儲能元件兩端并聯負載

一般是在儲能元件兩端并聯負載，實時監測變頻器在正產運行狀態下的直流母線電壓，并設置導通臨界值來控制功率管的導通關斷。在直流母線電壓達到的臨界值時，功率管導通，通過并聯負載消耗多余能量，從而控制直流電壓繼續升高。由于多余能量沒能反饋至電路中得以利用，因此屬于能量消耗型。因為能量消耗于并聯的附加電阻上，并不會導致電機發熱，因此可重復使用。這個電阻叫泄放電阻，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該根據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，從而消耗過電壓造成的多余能量。

（4）能量回饋法

解決電壓輸入側超壓的另一思路是裝設逆變電路將產生的再生能量反饋進入電網。以SINAMICS S120系列變頻器為例，設計的SLM電源模塊就具備將多余能量反饋至電網的能力。維持母線電壓在一個正常的范圍內波動，但是這種方法要求電源的穩定性較高，如果出現電源電壓突增，仍會有變頻器損壞的風險。

（5）在中間直流回路中增加電容

根據變頻器所帶泵機功率大小并且檢測中間直流回路中的電流、電壓值，并在其中串聯合適的電容，儲存多余的能量，可以提升回路承受過電壓的能力，也可選用較大容量的變頻器應對電網電壓瞬時升高，但是要考慮變頻器所帶泵機的功率，以防造成資金上的浪費。

（6）降低工頻電源電壓

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

（7）多臺變頻器共用直流母線

采用此方法，在一些處于停止狀態下的設備如果短時停電，對電網是沒有沖擊的，所以瞬間停電干擾對設備的影響不是很大。電機制動時回饋的能量可以被利用，所以比較節能。而因能夠回饋能量的電機無功功率損失較小，所以以此方法還可以可以提高設備的功率因數。而且多臺變頻器共用直流母線可以穩定直流母線電壓，減小因設備啟停造成的電網電壓波動。

（8）通過控制系統功能優勢解決變頻器過電壓問題

變頻器一般依靠控制系統減速和控制負載突降。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，降低再生能量反饋進入中間直流回路。如果生產工藝流程要求負載規律性突降，可以依靠SCADA控制系統，適當改變變頻器運行頻率，減少泵機側多余的能量進入變頻器中的銅牌母線。

（二）欠電壓

在正產工業生產中會防止電源失電造成控制系統跳閘加裝UPS。同樣可以通過在變頻器前加裝蓄電池，利用其零點切換功能在電網欠電壓時對變頻器進行供電。當電網電壓一旦過低，UPS立即將利用電池內的電能向變頻器供電，保證變頻器繼續正常工作，保護變頻器內軟、硬件不受損壞。保障正產的工業需要。

3 結語

總而言之，在工業生產的運行過程中，變頻器的應用十分廣泛，保證變頻器運行安全穩定并且盡可能的延長變頻器的使用壽命十分重要，因此，對電壓穩定性的要求非常苛刻。在技術高度發展的今天，雖然電網的運行越來越穩定，但為了保障工業生產與降低維護人員的工作強度。只有掌握了變頻器受電網波動影響的預防措施，及時將各種隱患消滅在萌芽狀態，才能使它真正穩定運行，對能源節約與設備設施的安全發揮應有的作用。

【參考文獻】

[1]趙小平，蒙宏利.在線化學儀表的運行維護與管理[J].科學之友，2012，No.49803：6-7.

[2]林義.關于電廠在線化學儀表檢修維護工作的探討[J]. 科學之友，2011，No.49223：56-57.