變頻器抗晃電改造方案

王建

摘 要：在XXXX有限公司工廠經(jīng)常發(fā)生電網(wǎng)晃電事故，在實際運(yùn)行中經(jīng)常因晃電而導(dǎo)致連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)停車事故，項目二期空分裝置關(guān)鍵設(shè)備液氧泵變頻器應(yīng)對晃電能力差，低電壓保護(hù)啟動導(dǎo)致跳車。該文考慮采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行改造以提高變頻器的抗晃電能力。

關(guān)鍵詞：變頻器 抗晃電 直流支撐

中圖分類號：TM762 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）09（b）-0036-02

1 晃電對變頻器的影響

據(jù)統(tǒng)計晉開近一年來發(fā)生的10 kV母線晃電或停電次數(shù)大約有8次，多次造成關(guān)鍵設(shè)備的非計劃停機(jī)，影響生產(chǎn)連續(xù)性。如果接收后仍存在此類情況，可能給我們造成損失，為了避免不必要的損失，提高生產(chǎn)的穩(wěn)定性，所以致力于解決變頻器低電壓跳車的辦法。

DC-BANK系統(tǒng)要為變頻設(shè)備提供穩(wěn)定的直流電壓（450～540 V），在交流電壓晃動時保證變頻設(shè)備持續(xù)運(yùn)行。

2 DC-BANK系統(tǒng)簡介

長期以來，在連續(xù)性較強(qiáng)的工藝生產(chǎn)中，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生晃電（甚至毫秒級的斷電）等供電故障時，均有可能使電機(jī)驅(qū)動的動力設(shè)備受到較大的擾動甚至停機(jī)。造成連續(xù)性生產(chǎn)中斷，設(shè)備損壞，產(chǎn)生大量的次品、廢品，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

DC-BANK是專門用于電動機(jī)負(fù)載的、輸出電壓和輸出頻率可變的交流不間斷電源，是低壓電機(jī)群專用不間斷電源系統(tǒng)，特別適用于多負(fù)載連續(xù)生產(chǎn)的石油化工、化纖鋼鐵、玻璃等行業(yè)。

DC-BANK系統(tǒng)的作用就是：當(dāng)企業(yè)的電氣系統(tǒng)發(fā)生故障（晃電、甚至停電）之后，保障電機(jī)連續(xù)、穩(wěn)定、安全運(yùn)行，避免電機(jī)輸出波動或跳閘所造成的事故，從而大幅度減少電氣故障給生產(chǎn)帶來的損失和危險。

3 DC-BANK組成

DC-BANK組成：電池組、充電器、靜態(tài)開關(guān)、控制器等。

蓄電池：蓄電池采用免維護(hù)閥控式全密封鉛酸電池。

整流器：整流器的功率逆變管采用進(jìn)口快速IGBT，其余元件采用進(jìn)口工業(yè)等級器件，輸出電壓和電流均可連續(xù)調(diào)節(jié)且具有強(qiáng)大的保護(hù)功能。

靜態(tài)開關(guān)：靜態(tài)開關(guān)是采用大功率器件組成的直流電子開關(guān)，能準(zhǔn)確地控制變頻器由交流供電和由電池組供電的瞬時轉(zhuǎn)換。

智能控制系統(tǒng)：用單片機(jī)CPU控制器和HMI（觸摸屏）組成帶有人機(jī)操作界面的監(jiān)控系統(tǒng) 。其功能為：充電模塊輸出電壓設(shè)定，充電電流限值設(shè)定，該系統(tǒng)的起停操作，運(yùn)行參數(shù)顯示，變頻器工作狀態(tài)顯示，故障報警存儲以及按需要和上位機(jī)通訊實現(xiàn)四遙功能。

4 DC-BANK特點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)簡單可靠。當(dāng)用于變頻器調(diào)速回路時，系統(tǒng)未用常規(guī)UPS向VVVF提供交流電源，而是采用DC-BANK向VVVF提供直流電源。從而減少了AC/DC、DC/AC兩次變換，可靠性提高，降低了系統(tǒng)功耗。

常規(guī)UPS整流充電器既要對電池充電，還須向逆變器提供額定直流功率，而DC-BANK充電器只對電池充電，其功率僅為常規(guī)UPS的10%左右，運(yùn)行成本低。

（2）該系統(tǒng)包含接入系統(tǒng)中的所有電動機(jī)的啟動控制和保護(hù)元件。

（3）多臺變頻器可同時接入一套系統(tǒng)，無環(huán)流，互相無干擾。

（4）電動機(jī)具備接地故障、短路和過載等保護(hù)特性，并且有調(diào)速和VVVF軟啟動的功能。

（5）充電器具有限流、穩(wěn)定電壓和浮充溫度等補(bǔ)償功能。

（6）采用美國ATMEL公司CPU及觸摸人機(jī)界面作為控制核心。全部參數(shù)數(shù)字化設(shè)定及監(jiān)視，可顯示各種電壓電流參數(shù)。PLC 的編程對每臺電動機(jī)的啟動、停止和蓄電池定期向假負(fù)載放電實施監(jiān)控。

（7）采用方便檢修維護(hù)的模塊化結(jié)構(gòu)，可并聯(lián)使用。

（8）系統(tǒng)各回路完全獨(dú)立，檢修某回路VVVF及其控制保護(hù)電路等，不影響其他回路工作。

（9）采用IGBT逆變功率器件和微處理器控制。

（10）靜態(tài)開關(guān)采用在線跟蹤和電壓自動監(jiān)控，保證主電源失電時，系統(tǒng)瞬時切換到電池供電，變頻器的輸出沒有任何擾動。

（11）采用隔離變壓器和浪涌保護(hù)，提高設(shè)備的可靠性。

5 DC-BANK工作原理

主回路供電在市電正常情況下，經(jīng)交流配電系統(tǒng)、VVVF（在這里，電動機(jī)受電端=驅(qū)動電機(jī)），當(dāng)市電發(fā)生故障時，系統(tǒng)在控制系統(tǒng)（CPU）、直流靜態(tài)開關(guān)（SS）協(xié)同作用下，DC-BANK自動切入VVVF的DC-BUS，保證電機(jī)在直流電源的支撐下不間斷運(yùn)行。

當(dāng)市電恢復(fù)正常供電，系統(tǒng)在控制系統(tǒng)（CPU）、直流靜態(tài)開關(guān)（SS）協(xié)同作用下，迅速切斷DC-BANK，系統(tǒng)在市電支撐下恢復(fù)正常工作，完成一次失電保護(hù)。在上述過程中，電動機(jī)輸入電壓無任何擾動。

6 DC-BANK容量計算

該方案采用DC-BANK系統(tǒng)，輸出2路直流控制，由DC-BANK裝置提供直流支撐。

變頻設(shè)備總?cè)萘縋=580 kW；DC-BANK提供的直流額定電壓UDC=500 V，放電電流 I=P/UDC=580000/500=1 160 A，電池支撐時間為5 min，根據(jù)電池放電曲線計算，按4C（C表示電池容量）放電倍率可得電池容量：300 Ah，放電按4C放電可支撐5 min（一般情況下只要支撐幾秒就可以滿足要求），保證變頻器直流側(cè)電壓不低于460 V，變頻器直流電壓下限為450 V。

電池只數(shù)為42×2=84只，每只額定電壓12 V，150 Ah、42只為一組2組并聯(lián)使用。

7 DC-BANK主要組成單元性能

（1）充電單元。

由高頻開關(guān)模塊組成，采用N+1冗余設(shè)計，任一模塊故障時，不需其他模塊停電，其余模塊仍應(yīng)帶負(fù)荷繼續(xù)運(yùn)行，模塊并聯(lián)提高可靠性。模塊主要作用為電池充電，浮充/均充自動轉(zhuǎn)換；整流模塊滿足電池組充電、浮充電特性的要求，能承受2Ie 以上的短時沖擊電流，并具有軟啟動特性。在充電狀態(tài)運(yùn)行時，應(yīng)按限流（穩(wěn)流）一恒壓方式自動完成對電池組的充電、補(bǔ)充充電或均衡充電。 充電單元輸出：DC600V/10A×2。

（2）電池單元。

采用合資電池，容量為150 Ah/12V 84只。 電池設(shè)計壽命為 10年，鉛酸免維護(hù)電池。

（3）電池管理單元。

電池為DC-BANK系統(tǒng)中主要的部分，所以要有完善的電池管理單元。 蓄電池管理單元的主要功能是：檢測各單體電池運(yùn)行工況，對蓄電池充、放電進(jìn)行動態(tài)管理，并應(yīng)具備對蓄電池溫度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)墓δ?。該單元功能分別由微機(jī)總監(jiān)控單元和電源模塊來完成。

（4）直流電子開關(guān)。

實現(xiàn)變頻器由交流供電到直流供電的切換，切換時間為 5 ms，功率1 200 V/2 000 A，滿足變頻器在電網(wǎng)晃電的情況下持續(xù)運(yùn)行。

（5）微機(jī)監(jiān)控單元。

微機(jī)總監(jiān)控單元MK-V2A是DC-BANK裝置的監(jiān)控、測量、信號和管理系統(tǒng)的核心部分。裝置能根據(jù)交流/直流系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，綜合分析各種數(shù)據(jù)和信息，對整個系統(tǒng)實施控制和管理。裝置能適應(yīng)直流系統(tǒng)各種運(yùn)行方式。具備人機(jī)對話功能，與成套裝置中各子系統(tǒng)通信，并可與上位機(jī)通信。界面采用7英寸液晶顯示觸摸屏，作為直流屏的人機(jī)界面，所有的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定。充電模塊和交流的電壓及電流調(diào)整與監(jiān)控、電池巡檢、對地電壓的測量、電池充放電曲線等均通過觸摸屏各畫面進(jìn)行。 系統(tǒng)工作時，在觸摸屏上進(jìn)行操作，通過多幅畫面切換，在觸摸屏上實施動態(tài)顯示DC-BANK中各部分的工況（放電次數(shù)、觸點(diǎn)、電流、電壓、溫度、故障等）。

（6）直流絕緣檢測裝置。

檢測直流母線正負(fù)對地電壓，顯示出對地是否絕緣良好。

（7）輸出單元。

采用ABB斷路器和接觸器，饋出2路/1套，對應(yīng)相應(yīng)的變頻器。

（8）二次不間斷電源：為變頻器提供二次控制電源，采用進(jìn)口 UPS。

8 結(jié)語

通過以上方案的改造，可在一定程度上增加變頻器及液氧泵自身抗晃電能力，降低變頻調(diào)速電機(jī)跳車事故發(fā)生的概率。

參考文獻(xiàn)

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