以實(shí)例淺談低壓變頻器低電壓穿越的控制與預(yù)防

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

關(guān)鍵詞：變頻器 低電壓穿越

引言

系統(tǒng)故障導(dǎo)致瞬時(shí)電壓跌落，造成鍋爐MFT的故障在電力系統(tǒng)中多次發(fā)生。因瞬時(shí)缺陷導(dǎo)致的機(jī)組解列，造成的印象和損失較大。為此，發(fā)電企業(yè)或使用變頻器較多、較重要的工業(yè)企業(yè)，需要關(guān)注系統(tǒng)或其它設(shè)備故障使系統(tǒng)電壓降低時(shí)，變頻器短時(shí)持續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題，以保證生產(chǎn)的連續(xù)。

1 某電廠給煤機(jī)參數(shù)簡(jiǎn)介

變頻器型號(hào)：POWERFLEX 40 功率：4kW 品牌：AB

電機(jī)型號(hào)：M112MB4 功率：4kW 額定電壓：380V額定轉(zhuǎn)數(shù)：1445r/min

2 給煤機(jī)抗低電壓穿越能力試驗(yàn)

為了解給煤機(jī)變頻器抗低電壓穿越能力，以便采取有針對(duì)性的措施，某電廠對(duì)給煤機(jī)變頻器進(jìn)行了抗低電壓穿越能力試驗(yàn)。試驗(yàn)使用調(diào)壓器模擬電源電壓降低，手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)壓器輸出電壓，以10V為調(diào)節(jié)間距，調(diào)低總電源電壓，在每個(gè)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(yùn)行狀態(tài)并記錄保護(hù)信息、跳閘時(shí)調(diào)壓器輸出電壓和維持運(yùn)行時(shí)間，并查閱輸出代碼。如果給煤機(jī)因變頻器低電壓保護(hù)動(dòng)作，則試驗(yàn)至此為止。如果給煤機(jī)因微處理器保護(hù)動(dòng)作，則繼續(xù)試驗(yàn)，更改接線，給煤機(jī)控制電源由外部穩(wěn)定的220V電源供給，變頻器電源由調(diào)壓器供給，按上述方式繼續(xù)試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)論：

（1）變頻器微處理器控制電源低電壓臨界保護(hù)動(dòng)作值為318V（83.7%Un），當(dāng)?shù)陀谠撝禃r(shí)保護(hù)動(dòng)作跳閘，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間小于0.5S;

（2）變頻器動(dòng)力電源低電壓臨界保護(hù)動(dòng)作值為290V（76.3%Un），在此電壓下電機(jī)發(fā)生震動(dòng)，已不能正常運(yùn)行;

（3）本次試驗(yàn)均在空載和低轉(zhuǎn)速下進(jìn)行（9.4Hz），在正常帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，變頻器保護(hù)動(dòng)作電壓值將高于290V，控制電源保護(hù)定值不受運(yùn)行狀態(tài)的影響。

通過(guò)試驗(yàn)，該變頻器不滿足“系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)給煤機(jī)等輔機(jī)變頻器在系統(tǒng)電壓跌落至20%且持續(xù)10s的情況下不滅火、不跳閘和其出力波動(dòng)不大于10%的技術(shù)指標(biāo)”，需要進(jìn)行抗低電壓穿越能力改造。

3 給煤機(jī)低電壓穿越原理

通過(guò)抗低電壓穿越試驗(yàn)分析，當(dāng)系統(tǒng)電壓跌落時(shí)給煤機(jī)微處理器和變頻器低電壓保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致給煤機(jī)跳閘，即發(fā)生低電壓穿越。

首先，系統(tǒng)電壓跌落會(huì)造成給煤機(jī)變頻器直流電壓降低導(dǎo)致變頻器低電壓保護(hù)動(dòng)作跳閘。

變頻器的功率回路由整流模塊、直流環(huán)節(jié)、逆變模塊組成，交流電源經(jīng)變頻器的進(jìn)線端子，通過(guò)整流模塊后變?yōu)橹绷?，再通過(guò)逆變模塊變?yōu)榻涣?，?shí)現(xiàn)頻率變換，最后供給電機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)電壓跌落時(shí)，輸入側(cè)電壓變低，直流母線電壓隨之降低，無(wú)法提供逆變模塊所需要的能量，觸發(fā)變頻器低電壓保護(hù)。此保護(hù)為變頻器內(nèi)置的硬件保護(hù)，無(wú)法通過(guò)修改定值進(jìn)行規(guī)避。

其次，控制電源降低會(huì)造成給煤機(jī)微處理器低電壓保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致給煤機(jī)跳閘。承重給煤機(jī)有復(fù)雜的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)由微處理器、電路板、采樣反饋系統(tǒng)、繼電器等，這些部件均需穩(wěn)定的控制電源供電。當(dāng)供電系統(tǒng)電壓跌落時(shí)，給煤機(jī)控制電源也隨之降低，造成控制系統(tǒng)癱瘓，導(dǎo)致給煤機(jī)跳閘。

4 改造方案

根據(jù)給煤機(jī)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(guò)市場(chǎng)調(diào)研和方案對(duì)比，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件和投資規(guī)模，最終確定了加裝低電壓穿越裝置方案。即在給煤機(jī)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(jī)變頻器直流母線，給煤機(jī)控制電源由低電壓穿越裝置UPS供給。以此來(lái)解決給煤機(jī)低電壓穿越問(wèn)題。

5 低電壓穿越裝置工作原理

在系統(tǒng)電壓正常的狀態(tài)下，電能通過(guò)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(tài)，不參與運(yùn)行。

在系統(tǒng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，低電壓穿越裝置內(nèi)部的電容器上的電壓降低，控制系統(tǒng)檢查到電壓降低后迅速將電感L2與IGBT構(gòu)成的BOOST斬波升壓回路快速投入運(yùn)行，抬高電容器的電壓。當(dāng)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(shí)，低電壓穿越裝置通過(guò)二極管輸出電能，在短時(shí)間內(nèi)保持變頻器直流母線不變，維持給煤機(jī)變頻器運(yùn)行。

當(dāng)系統(tǒng)電壓恢復(fù)正常后，IGBT停止運(yùn)行，BOOST回路退出工作狀態(tài)，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(jī)低電壓穿越裝置模擬試驗(yàn)

6.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

驗(yàn)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(yùn)行，在電壓跌落的1min時(shí)間內(nèi)給煤機(jī)是否能夠正常運(yùn)行，當(dāng)電壓恢復(fù)時(shí)低電壓穿越裝置能否自動(dòng)退出。

6.2 試驗(yàn)內(nèi)容

用調(diào)壓器模擬電網(wǎng)電壓跌落，快速將電壓分別調(diào)至80%Un、60% Un、40% Un、20% Un，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并觀察給煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

6.3 試驗(yàn)方法

在給煤機(jī)電源與變頻器之間串接三相調(diào)壓器，將調(diào)壓器電壓調(diào)至380V，連接試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄儀，檢查接線無(wú)誤后啟動(dòng)給煤機(jī)?？焖僬{(diào)節(jié)調(diào)壓器使輸出電壓為80%Un，保持一分鐘，檢測(cè)低電壓穿越裝置是否投入運(yùn)行，觀察變頻器、電機(jī)和給煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后將電壓調(diào)至額定電壓，檢測(cè)低電壓穿越裝置是否自動(dòng)退出運(yùn)行。用相同的方法分別將電壓調(diào)至60% Un、40% Un、20% Un，觀察設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

6.4試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論

當(dāng)試驗(yàn)電壓下降時(shí)變頻器直流母線電壓也隨之下降，當(dāng)系統(tǒng)電壓降至350V時(shí)低電壓穿越裝置自動(dòng)啟動(dòng)，變頻器直流母線電壓迅速恢復(fù)至540V，在1min之內(nèi)給煤機(jī)、變頻器和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)電壓恢復(fù)時(shí)低電壓穿越裝置自動(dòng)退出運(yùn)行。系統(tǒng)電壓最低降至76V，給煤機(jī)仍然能夠正常運(yùn)行。

7.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況

某電廠兩臺(tái)1000MW機(jī)組給煤機(jī)分別在2011年2012年進(jìn)行給煤機(jī)低電壓穿越改造，兩臺(tái)880MW機(jī)組在2013年改造。從改造投入運(yùn)行至今，低電壓穿越裝置未因系統(tǒng)電壓跌落而自動(dòng)投入運(yùn)行。

8.結(jié)論

提供一種測(cè)試變頻器低電壓運(yùn)行測(cè)試的方法。通過(guò)加裝低電壓穿越裝置能預(yù)防低電壓穿越問(wèn)題，在系統(tǒng)電壓短時(shí)間跌落時(shí)能夠維持正常輸出，提高了變頻器運(yùn)行可靠性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，提出以下幾條建議以供參考：

（1）給煤機(jī)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(yùn)時(shí)將直接導(dǎo)致給煤機(jī)跳閘，可將給煤機(jī)的控制電源接至廠用UPS;

（2）低電壓穿越裝置為電子產(chǎn)品，運(yùn)行環(huán)境直接影響其可靠性和壽命，應(yīng)保證其運(yùn)行環(huán)境良好;

（3）為節(jié)約費(fèi)用，可考慮一臺(tái)低電壓穿越裝置帶兩臺(tái)給煤機(jī)方案;

（4）對(duì)于6臺(tái)給煤機(jī)的機(jī)組，可采用將兩臺(tái)給煤機(jī)接至廠用電系統(tǒng)、兩臺(tái)給煤機(jī)加裝低電壓穿越裝置、另外兩臺(tái)給煤機(jī)接至廠用UPS系統(tǒng)的方案;

（5）對(duì)新建機(jī)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(jī)控制箱合并。

低電壓穿越現(xiàn)象的存在不單單存在于發(fā)電廠中，只要有變頻器的使用的環(huán)境中，都會(huì)存在低電壓穿越的可能性，當(dāng)發(fā)生低電壓穿越之后，變頻器停運(yùn)，給生產(chǎn)帶來(lái)的影響大小，來(lái)決定是否采取相應(yīng)的防控措施。因此，該文在使用低壓變頻器的領(lǐng)域內(nèi)，給出一定的參考方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]原魁，《變頻器基礎(chǔ)及應(yīng)用》，冶金工業(yè)出版社，2005年，第二版

作者簡(jiǎn)介：

宋玉科，男，1979年生，畢業(yè)于三峽大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，工程師，現(xiàn)服務(wù)于國(guó)能（綏中）發(fā)電有限責(zé)任公司，負(fù)責(zé)電氣設(shè)備技術(shù)管理、專業(yè)管理，新能源開(kāi)發(fā)與研究等工作。