低壓變頻器晃電跳閘原因分析及抗晃電方案探討

馮樂，王奮中，張軍鋒，馬生偉

(陜西北元化工集團股份有限公司，陜西 榆林 719319)

1 變頻器及軟啟動晃電跳閘原因調查分析

在實際應用中，不同品牌和生產廠商的變頻器低電壓保護限值和控制回路設計都有所不同，導致變頻器低電壓跳閘原因也不同。[1]經過對變頻器控制參數、控制原理圖以及控制方式的深入研究，發現變頻器跳閘主要有以下幾個方面的原因。

1.1 變頻器主接觸器或者啟動信號繼電器跳閘

在晃電過程中，有部分變頻器是因為主接觸器或者啟動信號繼電器跳閘導致。

據統計，陜西北元化工集團股份有限公司(以下簡稱“北元化工”)電網波動導致變頻器等設備跳閘時電網電壓下降10%～20%，持續100～200 ms。電網晃電后變頻器的主接觸器斷開，變頻器控制電斷開，控制板失電。重新上電復位后，變頻器控制板上沒有故障記錄，變頻器欠電壓故障值為額定值的70%，而實際檢測到電網電壓降低15%～20%，判斷跳閘不是由變頻器的欠電壓保護引起，而是變頻器的主接觸器的控制回路在晃電時無法保持正常的控制電壓，主接觸器跳閘導致變頻器啟動信號丟失。而變頻器控制板的電源取自主回路，變頻器的主接觸器跳閘，控制板也相應失電，因此變頻器控制板上也查不到故障記錄。

1.2 變頻器失壓保護動作跳閘

變頻器是利用內部逆變電路中絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的開斷來調整輸出電壓和頻率的。根據電動機的實際需要來提供其所需要的電壓，從而達到節能、調速的目的。變頻器的電壓檢測元件設置在直流環節，變頻器低電壓是指其中間直流回路電壓低。

一般的變頻器都具有失壓和瞬間停電的保護功能。逆變器在失壓或停電后，將允許變頻器繼續工作短暫的時間。若失壓或停電時間少于這個時間，變頻器繼續運轉；若失壓或停電時間多于這個時間，變頻器自我保護啟動將停止運轉。不同廠商和品牌的變頻器對低電壓保護定值的整定值差別較大，最高的為90%直流電壓，最低的可達到60%直流電壓以下。

有些生產廠商只是片面強調對變頻器的保護，低電壓設定值過高且無任何延時，系統電源稍有波動，變頻器便因低電壓而停機，雖然降低了變頻器自身元器件損壞的風險，但增加了設備跳閘的風險。

1.3 變頻器過流保護動作跳閘

在電網晃電時，變頻器直流回路電壓降低后，變頻器輸出的交流電壓相應降低，由于負載轉矩的存在，電壓下降，導致電流瞬間過流，變頻器過流保護動作跳閘。

2 變頻器防晃電功能改造方案

根據上述原因分析可知，要改善變頻器的防“晃電”功能，主要是提高和增加變頻器控制系統的防 “晃電”能力。氯堿企業可以通過3種方法進行改善：①保持變頻器啟動信號不丟失；②合理調整變頻器內部參數；③補充晃電時直流系統的電壓。

2.1 保持變頻器主接觸器和啟動信號不丟失措施

2.1.1 主回路接觸器更換使用永磁接觸器

永磁交流接觸器是利用磁極的同性相斥、異性相吸的原理來實現主電路的接通和分段功能。用永磁驅動機構取代傳統的電磁鐵驅動機構而形成的一種新型的微功耗接觸器[2]安裝在接觸器聯動機構上極性固定不變的永磁鐵，與固化在接觸器底座上的可變極性軟磁鐵相互作用，從而達到吸合、保持與釋放的目的。

永磁接觸器分跌壓延時型和斷電延時型兩種，跌壓延時型是當電壓跌落值在額定電壓的25%以上時，經過一定延時后釋放。但是，如果電壓突然跌落至額定電壓的25%以下時，不經過延時，瞬時釋放；斷電延時型是指電壓突然跌落至零時，經過一定延時后釋放。

根據實際需求，建議氯堿企業使用斷電延時型永磁接觸器，并可以根據現場需要設置延時釋放時間，以便靈活調整晃電時間。

2.1.2 變頻器控制回路使用UPS 電源

變頻器控制回路使用UPS 電源，一方面可以確保系統在晃電時變頻器啟動信號的中間繼電器線圈不釋放，從而保障啟動信號不丟失；另一方面可以確保變頻器的控制板不失電，變頻器內部控制、保護功能和顯示屏正常運行。

北元化工現有的部分變頻器雖然已經配置了防晃電裝置，使用UPS電源給控制回路供電，但是在晃電時仍然出現低電壓或者過流保護跳閘。現場調查分析得知主要有兩個原因：①變頻器內部保護參數設置不合理；②在晃電時系統電壓降較大，時間較長，已經超出了變頻器抗晃電能力的范圍，變頻器自身保護已經動作跳閘。

2.2 合理調整變頻器內部參數

2.2.1 投入變頻器失電再啟動功能

對于某些型號的變頻器，投入變頻器失電再啟動功能，也可以達到一定的防晃電功能。但是，變頻器“瞬間停電再啟動”參數必須正確設置，否則也無法實現變頻器“晃電”時的成功自啟。只有開放瞬時停電再啟動功能時，變頻器失電后不需要人工進行復位操作，能自動復電后再啟動。設置變頻器“瞬間停電再啟動”參數時須注意：某些品牌的變頻器選擇“電源中斷”或“電源消隱”都能再啟動，如果只選擇其一，可能會導致晃電情況下的變頻器不能成功自啟動。北元化工變頻器品牌較多，更須認真研究并核對參數設置的準確性。

2.2.2 合理調整變頻器低電壓保護整定值

有些品牌的變頻器，當電壓低到額定值的90%左右時便會停機，造成同一電源系統中有大功率負載啟動時，變頻器都有可能停機。為提高這類變頻器抗電壓波動的能力，氯堿企業可以適當調低這類變頻器低電壓保護值，有些變頻器的低電壓保護值用戶可以直接整定，最低可到65%；有些變頻器用戶不能直接調整，只能重新選擇變頻器低電壓檢測回路的元器件，用戶可以和變頻器廠協商調整，低電壓保護設定值設為75%的額定電壓比較合適。

2.2.3 選擇抗晃電能力較強的變頻器

不同品牌變頻器的防晃電能力也是不一樣的，在設備選型階段應選擇在大幅度失壓條件下仍能正常工作的變頻器。這主要是因為，在晃電時，變頻器主電源電容器上的直流電壓會快速下降，此時，主電源IGBT將截止，從而失去對電動機的控制。當主電源復原并且TGBT 重新啟動后，輸出頻率和電壓矢量與電動機的頻率不對應，因此通常會發生過電壓和過電流，而這些情況大都會造成保護跳閘。對此，氯堿企業可以通過受控減速和借能運行這兩種模式來實現一定的抗晃電能力。

在選擇受控減速時，變頻器輸出頻率將始終服從電動機速度，IGCT不會失去與電動機之間的連接，但會服從減速命令，這種模式對于慣量較低而摩擦較高的泵尤其有用，電網電壓恢復正常后，輸出頻率會將電動機加速到參考值速度。如果電網晃電時間較長，受控減速功能可能將輸出頻率一直降至0，并且在電壓正常后，電動機的速度從0加速到參考值。在選擇借能運行時，變頻器會將來自電動機的機械能轉變為直流供應電壓，從而在盡可能長的時間里保持直流電壓質量。風扇通常可以應付數秒的電網中斷，泵通常只能應付1～2 s的中斷。

2.3 給變頻器直流回路增加輔助電源

為彌補變頻器直流回路電壓跌落，可以利用蓄電池中貯存的直流電，為變頻器直流母排供電，從而為變頻器提供直流輔助電源，保證變頻器的正常運行。在電網正常時，直流后備電源在充電模式，蓄電池組處于浮充狀態；在電網失電時，直流后備電源切換至放電模式，控制蓄電池為變頻器直流母排供電，保證變頻器正常工作。但是該方案須采用蓄電池為變頻器提供后備電能，投資費用高，后期維護費用也較大。

3 結語

以上這些措施只是針對具有一定防晃電功能的變頻器應對短暫的晃電，不能徹底解決晃電對變頻器的影響。應對較長時間的晃電，不得不采取直流系統輔助電源的方式，并要提高系統供電的可靠性，降低電壓波動的風險，從源頭上盡量避免和減少晃電的產生。但是電網波動有太多不確定性的因素，即使上面的方案都能得到有效實施，電網波動的影響也仍然存在。對變頻器防晃電功能的研究，生產廠商應從生產設計時就考慮到，并不斷提升變頻器的防晃電能力，才能從根本上解決晃電問題。