以實例淺談低壓變頻器低電壓穿越的控制與預防

摘 要：提供一種測試變頻器低電壓故障方法，介紹某火力發電廠給煤機低電壓穿越控制方案，為工業用低壓變頻器防止低電壓穿越裝置提供一種解決方案。

關鍵詞：變頻器 低電壓穿越

引言

系統故障導致瞬時電壓跌落，造成鍋爐MFT的故障在電力系統中多次發生。因瞬時缺陷導致的機組解列，造成的印象和損失較大。為此，發電企業或使用變頻器較多、較重要的工業企業，需要關注系統或其它設備故障使系統電壓降低時，變頻器短時持續安全穩定運行的問題，以保證生產的連續。

1 某電廠給煤機參數簡介

變頻器型號：POWERFLEX 40 功率：4kW 品牌：AB

電機型號：M112MB4 功率：4kW 額定電壓：380V額定轉數：1445r/min

2 給煤機抗低電壓穿越能力試驗

為了解給煤機變頻器抗低電壓穿越能力，以便采取有針對性的措施，某電廠對給煤機變頻器進行了抗低電壓穿越能力試驗。試驗使用調壓器模擬電源電壓降低，手動調節調壓器輸出電壓，以10V為調節間距，調低總電源電壓，在每個電壓檔停留10s，直至變頻器跳閘。觀察變頻器微處理器及變頻器運行狀態并記錄保護信息、跳閘時調壓器輸出電壓和維持運行時間，并查閱輸出代碼。如果給煤機因變頻器低電壓保護動作，則試驗至此為止。如果給煤機因微處理器保護動作，則繼續試驗，更改接線，給煤機控制電源由外部穩定的220V電源供給，變頻器電源由調壓器供給，按上述方式繼續試驗。

試驗結論：

（1）變頻器微處理器控制電源低電壓臨界保護動作值為318V（83.7%Un），當低于該值時保護動作跳閘，保護動作時間小于0.5S;

（2）變頻器動力電源低電壓臨界保護動作值為290V（76.3%Un），在此電壓下電機發生震動，已不能正常運行;

（3）本次試驗均在空載和低轉速下進行（9.4Hz），在正常帶負荷運行時，變頻器保護動作電壓值將高于290V，控制電源保護定值不受運行狀態的影響。

通過試驗，該變頻器不滿足“系統發生故障時給煤機等輔機變頻器在系統電壓跌落至20%且持續10s的情況下不滅火、不跳閘和其出力波動不大于10%的技術指標”，需要進行抗低電壓穿越能力改造。

3 給煤機低電壓穿越原理

通過抗低電壓穿越試驗分析，當系統電壓跌落時給煤機微處理器和變頻器低電壓保護動作導致給煤機跳閘，即發生低電壓穿越。

首先，系統電壓跌落會造成給煤機變頻器直流電壓降低導致變頻器低電壓保護動作跳閘。

變頻器的功率回路由整流模塊、直流環節、逆變模塊組成，交流電源經變頻器的進線端子，通過整流模塊后變為直流，再通過逆變模塊變為交流，實現頻率變換，最后供給電機。當系統電壓跌落時，輸入側電壓變低，直流母線電壓隨之降低，無法提供逆變模塊所需要的能量，觸發變頻器低電壓保護。此保護為變頻器內置的硬件保護，無法通過修改定值進行規避。

其次，控制電源降低會造成給煤機微處理器低電壓保護動作導致給煤機跳閘。承重給煤機有復雜的控制系統，控制系統由微處理器、電路板、采樣反饋系統、繼電器等，這些部件均需穩定的控制電源供電。當供電系統電壓跌落時，給煤機控制電源也隨之降低，造成控制系統癱瘓，導致給煤機跳閘。

4 改造方案

根據給煤機低電壓穿越的原理，最初確定了三套改造方案，即加裝蓄電池組、加裝UPS和加裝低電壓穿越裝置。

通過市場調研和方案對比，結合現場施工條件和投資規模，最終確定了加裝低電壓穿越裝置方案。即在給煤機就地控制箱總電源下口并接低電壓穿越裝置，低電壓穿越裝置輸出直流供給給煤機變頻器直流母線，給煤機控制電源由低電壓穿越裝置UPS供給。以此來解決給煤機低電壓穿越問題。

5 低電壓穿越裝置工作原理

在系統電壓正常的狀態下，電能通過交流送電回路送入變頻器交流輸入端子，低電壓穿越裝置處于旁路狀態，不參與運行。

在系統電壓發生跌落時，低電壓穿越裝置內部的電容器上的電壓降低，控制系統檢查到電壓降低后迅速將電感L2與IGBT構成的BOOST斬波升壓回路快速投入運行，抬高電容器的電壓。當變頻器的直流母線電壓低于低電壓穿越裝置直流母線電壓時，低電壓穿越裝置通過二極管輸出電能，在短時間內保持變頻器直流母線不變，維持給煤機變頻器運行。

當系統電壓恢復正常后，IGBT停止運行，BOOST回路退出工作狀態，變頻器的供電仍由三相交流送電回路提供。

6 改造后給煤機低電壓穿越裝置模擬試驗

6.1試驗目的

驗證在不同電壓跌落深度下低電壓穿越裝置能正確判斷并迅速投入運行，在電壓跌落的1min時間內給煤機是否能夠正常運行，當電壓恢復時低電壓穿越裝置能否自動退出。

6.2 試驗內容

用調壓器模擬電網電壓跌落，快速將電壓分別調至80%Un、60% Un、40% Un、20% Un，記錄試驗數據并觀察給煤機運行狀態。

6.3 試驗方法

在給煤機電源與變頻器之間串接三相調壓器，將調壓器電壓調至380V，連接試驗數據記錄儀，檢查接線無誤后啟動給煤機。快速調節調壓器使輸出電壓為80%Un，保持一分鐘，檢測低電壓穿越裝置是否投入運行，觀察變頻器、電機和給煤機運行狀態并記錄試驗數據，然后將電壓調至額定電壓，檢測低電壓穿越裝置是否自動退出運行。用相同的方法分別將電壓調至60% Un、40% Un、20% Un，觀察設備運行狀態并記錄試驗數據。

6.4試驗數據及結論

當試驗電壓下降時變頻器直流母線電壓也隨之下降，當系統電壓降至350V時低電壓穿越裝置自動啟動，變頻器直流母線電壓迅速恢復至540V，在1min之內給煤機、變頻器和電機運行狀態穩定。當系統電壓恢復時低電壓穿越裝置自動退出運行。系統電壓最低降至76V，給煤機仍然能夠正常運行。

7.現場實際應用情況

某電廠兩臺1000MW機組給煤機分別在2011年2012年進行給煤機低電壓穿越改造，兩臺880MW機組在2013年改造。從改造投入運行至今，低電壓穿越裝置未因系統電壓跌落而自動投入運行。

8.結論

提供一種測試變頻器低電壓運行測試的方法。通過加裝低電壓穿越裝置能預防低電壓穿越問題，在系統電壓短時間跌落時能夠維持正常輸出，提高了變頻器運行可靠性。通過現場實際應用，提出以下幾條建議以供參考：

（1）給煤機控制電源由低電壓穿越裝置自帶的UPS供電，該UPS故障或低電壓穿越裝置停運時將直接導致給煤機跳閘，可將給煤機的控制電源接至廠用UPS;

（2）低電壓穿越裝置為電子產品，運行環境直接影響其可靠性和壽命，應保證其運行環境良好;

（3）為節約費用，可考慮一臺低電壓穿越裝置帶兩臺給煤機方案;

（4）對于6臺給煤機的機組，可采用將兩臺給煤機接至廠用電系統、兩臺給煤機加裝低電壓穿越裝置、另外兩臺給煤機接至廠用UPS系統的方案;

（5）對新建機組，為減少占地面積、方便施工和操作，可將低電壓穿越裝置和給煤機控制箱合并。

低電壓穿越現象的存在不單單存在于發電廠中，只要有變頻器的使用的環境中，都會存在低電壓穿越的可能性，當發生低電壓穿越之后，變頻器停運，給生產帶來的影響大小，來決定是否采取相應的防控措施。因此，該文在使用低壓變頻器的領域內，給出一定的參考方案。

參考文獻：

[1]原魁，《變頻器基礎及應用》，冶金工業出版社，2005年，第二版

作者簡介：

宋玉科，男，1979年生，畢業于三峽大學電氣工程及其自動化專業，工程師，現服務于國能（綏中）發電有限責任公司，負責電氣設備技術管理、專業管理，新能源開發與研究等工作。