針對變頻器電壓暫降故障改造思路分析

田仕林

摘要：電壓暫降已成為化工行業(yè)重要的電能質(zhì)量問題，變頻器電壓暫降直接導(dǎo)致化工設(shè)備異常停車，對企業(yè)的連續(xù)性生產(chǎn)造成極大的威脅。該文通過結(jié)合某化工廠配電系統(tǒng)電壓暫降實際案例進(jìn)行分析，依據(jù)現(xiàn)有的電氣設(shè)備的特性，對比常見電壓暫降治理方法進(jìn)行探討，實現(xiàn)了風(fēng)機(jī)類變頻器設(shè)備在電壓暫降狀態(tài)下的穩(wěn)定運行，避免同類型事故的再次發(fā)生，有效提高了電氣設(shè)備運行的安全性能。

關(guān)鍵詞：抗晃電變頻器電壓暫降 PLC 改造思路

中圖分類號：TN773文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2021）11（c）-0000-00

Abstract： Voltage sag has become an important power quality problem in the chemical industry. Inverter voltage sag directly leads to abnormal shutdown of chemical equipment， which poses a great threat to the continuous production of enterprises. In this paper， through a combination of a chemical plant distribution system voltage sag actual case analysis， according to the features of the existing electrical equipment， compared with common voltage sag governance approach were discussed， class implements the fan frequency converter equipment in the condition of voltage sag and stable operation， to avoid similar accidents from happening again， effectively improve the performance of electrical equipment operation safety.

Key Words： Anti-sway electricity; Frequency converter; Voltage sag; PLC; Transformation ideas

電壓暫降又稱電壓跌落（俗稱晃電），指的是電氣設(shè)備的供電電壓在較短時間內(nèi)下降到額定值以下，持續(xù)時間大多小于1 s。常見的電壓暫降產(chǎn)生原因包括線路短路故障、雷擊、大型設(shè)備啟停等，導(dǎo)致供電線路當(dāng)中的電流在短時間內(nèi)急劇增大，電壓瞬時降低。

1課題背景

化工裝置在生產(chǎn)過程中存在高溫高壓易燃易爆的特性，因此對供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高。因工藝生產(chǎn)需要，會使用大量的變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，各類變頻器因制作技術(shù)不同，穩(wěn)定性也有所不同，目前使用的某系列變頻器，由于此變頻器在國內(nèi)首次生產(chǎn)，沒有實現(xiàn)低電壓穿越功能，變頻器運行穩(wěn)定性較差。在出現(xiàn)電壓暫降時容易誤動作，從而引起化工裝置聯(lián)鎖跳車，因此必須采取有效措施避免該類事故頻繁發(fā)生。

2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

目前供配電系統(tǒng)設(shè)計中10 kV及以上二次回路控制電源使用直流電源單獨供電，電氣系統(tǒng)晃電時不會對其造成影響;0.4 kV、0.69 kV等低壓系統(tǒng)二次系統(tǒng)控制電源使用交流電源，其受晃電影響較為敏感;變頻器受自身控制器件、絕緣耐壓等級、設(shè)備制造等要素制約對電壓較為敏感，目前抗晃電的常規(guī)做法分以下兩大類。

第一類為正常供電的電動機(jī)回路采用的方法，具體如下。

（1）采用增加抗晃電模塊，正常運行時抗晃電模塊采用旁路工作模式，供電正常時該模塊處于監(jiān)控狀態(tài)，接觸器線圈供電由系統(tǒng)電源提供，在系統(tǒng)電源發(fā)生晃電時，控制回路供電自動切換到該模塊供電，維持接觸器工作電壓[1]。

（2）整個控制回路采用UPS電源供電或者直流電源供電，系統(tǒng)晃電時不會對控制回路造成影響，存在的問題，如果控制電源本身有問題，可能會存現(xiàn)大面積的停機(jī)事故。

（3）目前市面上新出的智能操作斷路器，利用智能操作短路器代替原有電路中的斷路器和接觸器，系統(tǒng)晃電時，不會對供電回路造成影響，存在的問題，對高頻操作的電動機(jī)不適用

第二類為變頻器供電回路采用的方法，具體如下。

對于變頻器而言，單獨解決控制回路的晃電無法從根本上解決抗晃電的問題，變頻器本身會因為電壓降低，造成直流母線電壓下降，從而會觸發(fā)低電壓保護(hù)或者過電流保護(hù)動作。常規(guī)的做法主要有以下幾個方面。

（1）變頻器低電壓穿越技術(shù)。通過修改變頻器內(nèi)部固化參數(shù)，降低直流電壓告警值，從而躲過晃電時間。但穩(wěn)定性較差，同時影響變頻器的使用壽命，低壓變頻器內(nèi)部固化參數(shù)存在不能修改的問題[2]。

（2）變頻器直流支撐技術(shù)。根據(jù)變頻器“交—直—交”的特點，采用對變頻器直流母線進(jìn)行直流電壓支撐的方法，實現(xiàn)了對變頻器系統(tǒng)的抗“晃電”功能，存在的問題，改造成本高。

（3）依托動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對電壓暫降的補償。采用AVC技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對供電線路當(dāng)中電壓的快速調(diào)節(jié)，避免電氣設(shè)備受到電壓暫降等情況的干擾和危害。由于AVC系統(tǒng)只需要對供電線路進(jìn)行電壓的實時監(jiān)測，不需要電池和斷電保護(hù)裝置，因此具有占用體積較小、質(zhì)量較輕、可靠性較高、使用成本低的優(yōu)勢，在電氣設(shè)備運行過程當(dāng)中發(fā)揮著重要作用，但對于母線系統(tǒng)較大時難以實現(xiàn)。

（4）利用UPS不間斷電源實現(xiàn)對供電線路電壓的有效保護(hù)。在供電線路正常工作的過程當(dāng)中，逆變器處于關(guān)閉狀態(tài)，但其電壓數(shù)值與供電電網(wǎng)電壓同步，一旦供電線路發(fā)生電壓暫降等情況，蓄電池當(dāng)中的電能立即通過逆變器對電氣設(shè)備進(jìn)行供電，同時隔離主供電線路，降低電氣設(shè)備受電壓暫降帶來的影響和損失。此方案能有效解決單個變頻器的抗晃電問題，但投資較高[3]。

3對風(fēng)機(jī)類設(shè)備新的改造思路和方案

某變頻器低電壓參數(shù)無法進(jìn)行修改，為機(jī)器本身固化，默認(rèn)低電壓跳閘為直流母線電壓小于425 V，無法采用低電壓穿越技術(shù)實現(xiàn)抗晃電能力，采用直流支撐技術(shù)，投資相對較高。于是需要我們深入研究變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，結(jié)合抗晃電技術(shù)與現(xiàn)場設(shè)備情況，從根本上解決晃電跳閘的問題。

3.1需要解決的關(guān)鍵問題

（1）對化工裝置工藝連鎖詳細(xì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)類設(shè)備原設(shè)計DCS收到風(fēng)機(jī)停車信號5 s后，觸發(fā)連鎖停機(jī)，從而使整個系統(tǒng)停車。因此，如何在5 s內(nèi)做到變頻器故障自動復(fù)歸，并保證變頻器再次啟動，是解決問題的關(guān)鍵，且人員手動復(fù)歸在時間上無法滿足要求。

（2）需要讓晃電回復(fù)后，變頻器故障自動復(fù)位并再次啟動，但如何將晃電與變頻器故障區(qū)分開，保證變頻器再啟動時成功，也是需要解決的關(guān)鍵問題。

（3）除化工企業(yè)主供電線路之外，其輔助設(shè)備供電線路同樣也是保障電氣設(shè)備運行穩(wěn)定的關(guān)鍵性因素，如果只對主供電線路進(jìn)行改造，而并沒有對輔助供電回路進(jìn)行優(yōu)化，輔助設(shè)備受電壓暫降影響無法運行的情況，也會影響設(shè)備的穩(wěn)定運行。

3.2改造方案

具體方案如下。

（1）對變頻器控制電源進(jìn)行改造。依托UPS不間斷電源連入主供電線路與變頻器輸出線路當(dāng)中，使UPS設(shè)備能夠有效發(fā)揮出受電設(shè)備與主供電線路之間的中介與保護(hù)作用，一旦主供電線路產(chǎn)生電壓暫降或波動現(xiàn)象，能夠立刻接入受電設(shè)備的供電工作，取代原有的波動供電線路，使受電設(shè)備運行更加安全[4]。此外，對于變頻器控制盤的供電電源，也應(yīng)當(dāng)接入至UPS不間斷電源線路當(dāng)中，使技術(shù)人員在主供電線路發(fā)生電壓暫降或電壓波動的情況下仍能夠通過UPS技術(shù)實現(xiàn)對變頻器控制盤的有效操作，避免斷電跳車等事故風(fēng)險發(fā)生。

（2）對變頻器的運行參數(shù)進(jìn)行修改。在某變頻器當(dāng)中，擁有“瞬時掉電運行保持”功能，為保障其正常工作，應(yīng)當(dāng)將其時限設(shè)定為最大值，確保變頻器適應(yīng)各種情況導(dǎo)致的電壓暫降事故，降低其帶來的損失。其次，還應(yīng)當(dāng)打開變頻器自復(fù)位功能，允許變頻器對實時供電電壓進(jìn)行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果實現(xiàn)復(fù)位和重啟，使變頻器設(shè)備實現(xiàn)穩(wěn)定安全運行。

（3）在針對變頻器以及供電線路進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整過后，還應(yīng)當(dāng)對受電設(shè)備進(jìn)行改造。該文面對的受電設(shè)備主要是化工企業(yè)當(dāng)中的風(fēng)機(jī)，因此，將風(fēng)機(jī)等受電設(shè)備的輔助設(shè)備可以直接改為UPS不間斷電源供電，避免輔助設(shè)備受到主供電線路電壓暫降的影響，實現(xiàn)受電設(shè)備的同步運行。

（4）對于風(fēng)機(jī)類的設(shè)備，可以采取在變頻器柜內(nèi)增加PLC及電壓采集模塊，構(gòu)建信號檢測及邏輯判斷控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.3主要工作原理

（1）當(dāng)PLC檢測出變頻器故障信號，但未收到電壓降信號時，此時判斷為其他故障，PLC不發(fā)故障復(fù)歸命令，變頻器無法啟動。

（2）當(dāng)PLC檢測出電壓降信號和變頻器故障信號同時滿足時，PLC發(fā)出故障復(fù)歸命令，但未收到變頻器復(fù)歸返回信號，此時判斷為變頻器內(nèi)部故障未消除，PLC不發(fā)啟動命令[5]。

（3）當(dāng)變頻器收到電壓變化和故障信號同時出現(xiàn)時，自動發(fā)出復(fù)歸故障信號，未收到故障信號反饋不自動啟動變頻器，確保故障復(fù)歸到位;收到故障信號反饋后允許變頻器自動啟動變頻器一次，確保變頻器啟動正常。

3.4系統(tǒng)調(diào)試

3.4.1快切切換試驗

變頻器接入雙母線分段式運行方式母線，用快切裝置做切換，設(shè)定投切時間為0.5 s，斷開本側(cè)進(jìn)線開關(guān)，電源失電，變頻器在此期間發(fā)出直流欠壓故障調(diào)停，PLC檢測電壓丟失;快切裝置啟動殘壓啟動切換模式，母聯(lián)合閘，母線重新得電，PLC檢測電壓恢復(fù)，復(fù)位變頻器故障，并啟動變頻器，變頻器再次啟動運行正常，此次切換試驗在0.6 s內(nèi)全部完成，系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行。

3.4.2手動切換試驗

退出系統(tǒng)快切裝置，手動測試切換時間控制在5 s，切換完成后，PLC發(fā)出啟動命令，但因5 s延時到達(dá)觸發(fā)DCS連鎖停車。

通過以上兩次試驗，采用PLC控制能夠有效防止電壓暫降風(fēng)險，同時也能判斷出停電風(fēng)險。

4后期維護(hù)與保養(yǎng)

由于變頻器屬于精密電子儀器，其外部環(huán)境因素對變頻器的工作狀態(tài)具有較為強烈的影響。技術(shù)人員在對變頻器設(shè)備進(jìn)行維護(hù)的過程當(dāng)中，應(yīng)盡量保障其運行溫度在-10 ℃～50 ℃之間，避免溫度過低或過高影響其正常運行[6]?？刹捎猛L(fēng)散熱等方式對變頻器實施降溫，以此提高運行壽命，降低安全事故發(fā)生概率。其次是對變頻器面板參數(shù)的篩查，在變頻器工作過程當(dāng)中，其面板上會對線路與受電設(shè)備的輸出電流、電壓以及電力系統(tǒng)頻率等進(jìn)行顯示，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)定期對變頻器工作情況進(jìn)行監(jiān)測，對其是否保持了額定功率、面板顯示是否正確、數(shù)據(jù)是否正常等進(jìn)行分析，以此確保設(shè)備的安全生產(chǎn)。

5結(jié)語

該小改造針對某變頻器在無法實現(xiàn)可靠抗晃電能力的前提下，有效地提高了變頻器抗晃能力，并充分考慮了DCS系統(tǒng)聯(lián)鎖的因素，是一起典型的化工企業(yè)安全穩(wěn)定生產(chǎn)的改造項目，為其他化工等生產(chǎn)連續(xù)性較高的行業(yè)提供了一種抗晃電改造的方法，同時，該方案投資成本低、易于實現(xiàn)、效果明顯，有較高的應(yīng)用推廣價值，真正實現(xiàn)變頻器穩(wěn)定運行。

參考文獻(xiàn)

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