预防变频器因晃电跳闸的浅见

王立兴

天津市塘沽永利工程有限公司 天津 300452

摘要：新厂区投入运行十多年，由于供电线路闪络、短路及变压器失火等原因，造成多次供电电压产生波动造成设备运行中断的情况，几次故障中，低压变频器ACS-800停机数量较多。为防止小幅度晃电影响生产连续性，特分析低压变频器ACS-800的晃电预防的几种措施。

关键字：变频器 晃电 超级电容 DTC 快切

引言

新区投入运行几年，由于外网闪络、短路等原因，造成过几次供电电压产生波动造成设备故障的情况，在这几次故障中，低压变频器ACS-800停机数量较多，而非变频器供电的设备以及其它品牌变频器故障停机的数量较少，所以特将一次晃电故障发生后停机的设备进行统计。

一、情况说明：

2019年4月4日，由于外网供电发生波动，在由醋酸分厂、一次水站、煤气化分厂、丁辛醇分厂、合成氨甲醇分厂组成的电力维保一工段中，共造成三台低压变频器报过流或欠压故障停车，已知的有一台负荷发生波动。

经查110KV故障录波，晃电总持续时间约为500ms，期间共发生四次，每次持续时间约为50ms，三相电压最低均降至0V。

发生停机故障的变频器型号均为ACS-800系列，其明细如图1所示

其中，欠压故障是指变频器的中间直流母线电压低于其设定值（不可修改），而过流是指变频器的输出电流高于额定值一定倍数（不可修改），而欠压控制（可选择激活与否）指的是当变频器发现中间直流母线电压低于警报值时，将自动下降输出频率及输出转矩，电动机进入减速，从而由电动机模式转换为发电机向中间直流母线回馈电能，当电压仍继续下降至跳车值，变频器仍将跳车。

图一

2. 情分析

针对上述表格，我针对三种故障类型做了如下检查和分析。

1. 输入电压在晃电后均已测量，在405V左右，情况正常。也就是说，并不存在个别变频器输入交流电压过低进而造成变频器中间直流母线电压过低。

2. 欠压控制是ABB变频器针对晃电或瞬间掉电情况具有的一个功能，当系统检测到中间直流回路电压低于电压基准值的75%-80%时（此数据为变频器维护厂家提供），变频器降低输出频率，此时电动机为发电模式，尽力使中间直流母线电压维持在跳闸电压之上。

3. 那么为什么还是有变频器会发生欠压故障呢？于是我针对欠压原因进行了如下分析：

⑴电机在发生晃电时所给频率较低，电机以较低转速运转，其能供给的动能比较小，换言之，能够提供中间直流母线的电能相当少，当然，这还与设备惯性大小与密切的关系。

⑵设备容量与变频器容量之比越大，发生欠压故障的可能性越小，原因为中间回路的电容器储能相对较多。

4. 过流原因分析：

发生晃电时，电压波动造成转矩下降，而欠压控制投入时频率为斜坡式下降，转速此时可能已经下降至一个较低的水平，为使电机维持至目前的频率需要较大的转矩，所以电流急剧上升超过变频器过流阙值造成故障停车。换言之，这是控制精度较低造成的。

5. 负荷波动分析

在发生晃电时，DTC模式较为精确的控制输出频率及输出电流，其精度仅次于有速度反馈的变频器，相对于矢量控制来讲，控制精度较高，未发生过流，在晃电结束后，以加速时间上调至所给频率，所以电流上升速率较下降略缓。

三、方案制订

根据以上的故障原因分析，我们可以很容易制订出一些普适性的方案。

首先晃电是不可预见的，我们无能为力，但经过多次晃电后的事故调查发现，晃电的持续时间大多维持在500ms左右，每次晃电持续时间约为50ms。

其次变频器无论过压还是过流，均是变频器制造厂家为保护变频器预设的保护，不应对其进行更改。

最后变频器相对于负载的容量越大越好，这仅仅是针对晃电来讲，而从选型上来讲，变频器的裕度选择的越大，意味着一期投入越大， 可预见的大投入与不可见预见的损失来比较，我们不可能为了让变频器晃电时不发生欠压故障而过于加大变频器的选择容量。

所以我们只能利用现有资源（变频器的欠压控制功能），根据故障类型来进行整改。

1. 针对欠压故障，我们可以与操作人员进行协调，将变频器的下限频率进行上浮，避免变频器在较低频率下运转，以防止发生晃电时由于转速过低造成供能不足的同时，对于非变频电机的散热也有一定的改善。

2. 结合过流与负荷波动的分析，我们可以将矢量控制模式调整为DTC模式，从而在控制的精度上提升了一个档次，在一定程度内避免了由于变频器在低速时转矩输出不足造成过流，或是晃电结束后由低频回到预设频率的上升斜率过陡造成变频器跳车。

以上两点，均是百益而无一害的微调，但它并不能从根本上解决变频器的晃电停车问题。

3. 如针对对供电质量极为敏感的负荷，且其中断运行造成极大的经济损失设备，可以考虑将其利用超级电容增加DC-BANK系统，此系统将变频器中间直流回路正负极引出并接于超级电容经DC-DC滤波系统上，超级电容在正常供电状态保持充电状态，当其检测出变频器直流母线电压发生波动时，由控制将电容器切换为放电状态，经DC-DC滤波后形成直流备用电源，其根据负荷选择电容容量，一般可维持1-3秒，足以撑过500ms晃电情况，维持直流母线电压不至跌落至跳闸阈值，保证其直流回路的供电稳定性。在母线电压恢复正常或超级电容放电结束后，超级电容从系统中切除，从根本上解决晃电对变频器的影响。但由于其一期投入较高，因为要对负荷进行严格筛选。选取极重要设备，不允许停车，不允许波动的集中供电，增加DC-BANK系统，保证设备的持续运行。

4. 根据设备重要性结合设备分布，部分厂区如煤气化的重要负荷极为集中，且容量较大，采用DC-BANK模式面对庞大的一期投入和电容器庞大的体积只能望洋兴叹。因此考虑在6KV母线上增加快切装置，利用其6KV系统电源分别为黄河道站和海门站的特点，使其在发生晃电时，将发生晃电的母线电源切至另一条线路。快切相对备自投，增加了电压相角对比的功能，快速切换可在100ms内完成，想对比DC-BANK，减少了一期投入和占用空间。但其也有算法的限制性，为了防止其误动作，在外网波动时，低电压判据至少延时1秒才能动作，而变频器是否能撑1秒，就要靠DTC模式来提高控制精度了。

结束语

增加DC-BANK系统的前期投入较高，但稳定性极高，更改变频器参数的方法不需要投入，但只能锦上添花不能雪中送炭，所以由其拖住晃电“敌军”，调来快切“友军”，方能解围。因此应梳理设备进行科学分级，根据经济指标分别对症下药，方能解变频器晃电跳闸之症。

参考文献

[1]电力系统典型晃电事故及抗晃电优化措施[J]. 封小军.  中氮肥. 2017(04)

[2]动力设备抗晃电能力提升研究[J]. 沈康.  中国新技术新产品. 2020(12)

2021.4