變頻器的防晃電設(shè)計(jì)研究范文

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摘要：變頻器在電機(jī)調(diào)速、節(jié)能上得到了廣泛的應(yīng)用，但它對(duì)電源要求較高，電源晃電時(shí)很容易使變頻器直流母線電壓跌落到非正常電壓區(qū)域而跳停，這對(duì)連續(xù)運(yùn)行的生產(chǎn)線造成了很大的影響，甚至引發(fā)事故的發(fā)生。針對(duì)不同負(fù)荷的特性及生產(chǎn)的要求，通過(guò)增加直流后備電能、利用負(fù)荷機(jī)械動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)所需要的能量，等到電網(wǎng)復(fù)電后變頻器再恢復(fù)到原來(lái)的運(yùn)行參數(shù)，這樣既維持了生產(chǎn)的連續(xù)性，又保護(hù)了變頻器。

關(guān)鍵詞：變頻器；晃電；方法

1現(xiàn)狀及問(wèn)題

變頻器大量應(yīng)用于各行各業(yè)，主要用于對(duì)電機(jī)的調(diào)速，對(duì)提高生產(chǎn)質(zhì)量來(lái)說(shuō)，起到了非常重要的作用。特別是對(duì)于流水線長(zhǎng)、非恒速運(yùn)轉(zhuǎn)、生產(chǎn)中斷會(huì)造成重大損失的企業(yè)生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，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(chǎn)的停機(jī)。在大型生產(chǎn)線中，可以采用直流支撐成套裝置，依靠蓄電池強(qiáng)大的瞬間放電能力作為變頻器的后備電源，保證晃電時(shí)變頻器的電能供應(yīng)，維持變頻器晃電時(shí)繼續(xù)按原速度運(yùn)行。但是，隨著變頻器的大量應(yīng)用，變頻器分布在生產(chǎn)車(chē)間各個(gè)場(chǎng)所，很多場(chǎng)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(jiǎn)單可靠地保證在晃電時(shí)變頻器能繼續(xù)運(yùn)行，是我們?cè)谏a(chǎn)中急需解決的問(wèn)題。

2防晃電的方法

通常電源晃電持續(xù)的時(shí)間很短，絕大部分在0.5s以內(nèi)，最嚴(yán)重的晃電就是線路故障跳停后延時(shí)重合閘或備用電源延時(shí)投入，延時(shí)時(shí)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(rèn)設(shè)置，晃電時(shí)，變頻器直流母線電壓會(huì)隨外電電壓的下降而下降。當(dāng)下降到欠壓保護(hù)值ULU時(shí)，為避免輸出電流過(guò)大而燒壞輸出功率管，變頻器發(fā)出欠壓報(bào)警，停止運(yùn)行。要使變頻器晃電時(shí)不跳停，就必須保證晃電時(shí)直流母線電壓不下降，或下降時(shí)輸出電流不增加，來(lái)電后還要自動(dòng)回到原來(lái)的頻率。下面就針對(duì)不同的負(fù)荷探討幾種防晃電的方法。

2.1單臺(tái)平方轉(zhuǎn)矩負(fù)荷的防晃電風(fēng)機(jī)、泵類是最常見(jiàn)的變頻機(jī)負(fù)荷，負(fù)荷特點(diǎn)是：負(fù)荷有較大的慣性動(dòng)能，力矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比。對(duì)應(yīng)使用的變頻器類型為P型或叫輕負(fù)荷型[1]。變頻器設(shè)置成欠壓自動(dòng)減速運(yùn)行，且減速速度大于自由滑行的減速速度。當(dāng)電壓小于失壓保護(hù)值ULU時(shí)，電機(jī)進(jìn)入再生制動(dòng)狀態(tài)，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(fù)正常后，變頻器母線電壓迅速回升，按加速時(shí)間升速，轉(zhuǎn)速又會(huì)升到晃電前的數(shù)值。為保證電機(jī)(含風(fēng)機(jī))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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，可簡(jiǎn)單地進(jìn)行測(cè)試。現(xiàn)用一臺(tái)55kW風(fēng)機(jī)來(lái)做試驗(yàn)。在變頻器以50Hz恒速運(yùn)行時(shí)，突然把變頻器運(yùn)行模式設(shè)置為自由滑行，在t0時(shí)刻，變頻器運(yùn)行頻率由50Hz降為0Hz，讓電機(jī)依靠慣性自由滑行，每隔10s測(cè)一個(gè)點(diǎn)，得到其慣性曲線，如圖1所示。對(duì)于不同功率及不同轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)、水泵，曲線特性基本一樣，只是慣性時(shí)間不同而已。圖1中還標(biāo)注了慣性時(shí)間非常短的55kW水泵的曲線，其慣性時(shí)間只有10s。該曲線為反比例函數(shù)，設(shè)曲線函數(shù)為：f=a/(t+b)+c(1)式中：f為運(yùn)行頻率；t為晃電時(shí)間；a、b、c為常數(shù)。利用插值法，將前三個(gè)點(diǎn)(0，50.0)，(10，37.5)，(20，28.2)代入公式，求解常數(shù)a、b、c，解得曲線方程近似為：f=4949.7/(t+58.1)-35.2(2)求導(dǎo)，得：f'=-4949.7/(t+58.1)2(3)當(dāng)f=50Hz、t=0時(shí)，頻率下降率f'=-4949.7/(0+58.1)2=-1.5Hz/s當(dāng)f=40Hz、t=7.7s時(shí)，頻率下降率f'=-4949.7/(7.7+58.1)2=-1.1Hz/s當(dāng)下降頻率為1.5Hz/s時(shí)，可以保證電機(jī)運(yùn)行頻率不超過(guò)50Hz時(shí)，在晃電時(shí)不會(huì)消耗變頻器內(nèi)部的電能；在小于50Hz時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，直流母線電壓不但不會(huì)下降，還會(huì)有所上升。變頻器通過(guò)升降頻率來(lái)自動(dòng)控制直流母線電壓，直到復(fù)電，電壓超過(guò)解除繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)水平電壓值時(shí)，變頻器升頻到原來(lái)設(shè)定值。運(yùn)行參數(shù)曲線如圖2所示。測(cè)試：把變頻器的繼續(xù)運(yùn)行水平電壓設(shè)置為460V，欠壓值ULU為350V，解除繼續(xù)運(yùn)行水平電壓值為470V，變頻器以最大值50Hz的頻率恒速運(yùn)行時(shí)，關(guān)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(gè)過(guò)程中變頻器保持著運(yùn)行狀態(tài)，直流母線電壓維持在460V左右，沒(méi)有發(fā)出故障信號(hào)。

2.2單臺(tái)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)荷的防晃電帶有減速機(jī)的負(fù)荷的特點(diǎn)是：沒(méi)有慣性，低速時(shí)力矩大。對(duì)應(yīng)使用的變頻器類型為G型或叫重負(fù)荷型[1]，其特點(diǎn)是變頻器停止輸出，電機(jī)會(huì)馬上停止運(yùn)轉(zhuǎn)。由于負(fù)荷沒(méi)有慣性動(dòng)能，無(wú)法使用P型變頻器的方法來(lái)防晃電，要防晃電，可使用以下兩種辦法。(1)對(duì)于對(duì)速度要求不高，允許短時(shí)間降速甚至停轉(zhuǎn)的負(fù)荷，可利用變頻器的重啟動(dòng)功能，晃電導(dǎo)致直流母線欠壓時(shí)，電機(jī)快速減速，直到停止，但變頻器不跳閘，在變頻器容許停電時(shí)間內(nèi)來(lái)電時(shí)，變頻器自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)回到停電前的運(yùn)行速度。(2)對(duì)于對(duì)速度要求很高，不允許瞬間減速，更不允許停轉(zhuǎn)的負(fù)荷，可利用外置儲(chǔ)能補(bǔ)充的辦法，保證在晃電期間，儲(chǔ)存的電能足夠維護(hù)幾秒鐘的運(yùn)轉(zhuǎn)，直流母線電壓就不會(huì)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(shí)間不到0.02s，可外接儲(chǔ)能元件。對(duì)于單臺(tái)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(chǔ)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(shí)間可達(dá)2s[2]，接線圖如圖3所示。如果電機(jī)功率較大，或要支撐更長(zhǎng)的時(shí)間，則需要并接更大的電容器。這時(shí)，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(jí)電容器模組，同時(shí)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，如圖4虛線框所示，充電時(shí)間常數(shù)=R1C1，充滿電的時(shí)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(huì)從D1流向直流母線，無(wú)需切換控制電路，沒(méi)有切換時(shí)間，保證變頻器維持原來(lái)的速度無(wú)擾動(dòng)運(yùn)行[3]。電容器容量的計(jì)算：按晃電時(shí)間3s來(lái)計(jì)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(jù)能量守恒定律，電容器儲(chǔ)存電能的差值=電機(jī)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(dāng)輸入電源電壓為交流400V時(shí)，ULU為變頻器的欠壓保護(hù)值，在這里設(shè)置為350V；k為電機(jī)負(fù)荷率，對(duì)于變頻電機(jī)來(lái)說(shuō)，一般取0.5；P為電機(jī)額定功率；t為電機(jī)晃電時(shí)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(yùn)行功率需要的電容容量為0.018F。R1可選用兩個(gè)PTC加熱器串聯(lián)，選用PTC器件是為了防止其過(guò)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(gè)350V的串聯(lián)。

3結(jié)語(yǔ)

(1)變頻驅(qū)動(dòng)發(fā)展至今，防晃電技術(shù)已得到普及，合理選配附件，設(shè)置好用戶參數(shù)，就能達(dá)到很好的防晃電效果。但出于安全考慮，生產(chǎn)廠家在出廠時(shí)都沒(méi)有設(shè)置此功能，需要用戶根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選用合適的參數(shù)。(2)對(duì)于風(fēng)機(jī)、水泵，沒(méi)有特殊要求，無(wú)需使用直流支撐裝置，利用自身的機(jī)械能就足以應(yīng)對(duì)晃電的影響。(3)隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，超級(jí)電容器已大量應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域，為防晃電提供了充足的直流后備電源。

參考文獻(xiàn)

[1]吳忠智，吳加林.變頻器原理及應(yīng)用指南[M].北京:中國(guó)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(guó),ZL201621401664.X[P].2017-08-04.

作者：宋自用 戚黎洲 張國(guó)強(qiáng) 單位：桐昆集團(tuán)股份有限公司