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电压波动对变频器的影响及其解决措施

供稿:中国工控网 2016/3/2 13:32:43

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  • 关键词: 变频器 电压波动 电压波动对变频器的影响
  • 摘要:在供电系统在运行中,存有大量冲击性负荷与间歇性负荷,加之供电系统各种短路故障的发生都很容易造成电网电压出现短时、快速地变化,这种电压波动对采用矢量闭环控制的变频器影响很大,甚至导致其跳停,影响生产。结合实际,首先对电压波动对变频器的影响进行阐述,然后提出变频器过电压与变频器欠电压各自解决措施。

在供电系统在运行中,存有大量冲击性负荷与间歇性负荷,加之供电系统各种短路故障的发生都很容易造成电网电压出现短时、快速地变化,这种电压波动对采用矢量闭环控制的变频器影响很大,甚至导致其跳停,影响生产。结合实际,首先对电压波动对变频器的影响进行阐述,然后提出变频器过电压与变频器欠电压各自解决措施。


1 电压波动对变频器的影响

电压波动是指电压均方根值的一系列变动或连续的改变。主要有带冲击负载的电动机启动与运行、反复短时工作负载、大型电动机启动、供电系统短路以及供电线路遭遇雷击电等原因引起。

1.1 过电压对变频器的影响

通用变频器的基本组成电路是整流电路和逆变电路两部分,整流电路是将工频交流电整流成直流电。逆变电路再将直流电逆变成频率和电压可调的交流电。变频调速装置一般是均采用交一直一交电压模式。变频器过电压一般是指中间直流回路过电压,其危害主要有以下三点:一是电网电压升高会增加电机铁芯磁通,很容易造成磁路饱和,加大励磁电流,导致电机温升过大,损伤电机;二是电网电压升高会使中间直流回路电压升高后,变频器输出电压的脉冲幅度过大,对电机绝缘寿命有很大的影响;三是对中间直流回路滤波电容器寿命影响很大,甚至会引起电容器爆裂。

1.2 欠电压对变频器的影响

变频器具有GTO、IGBT以及IGCT等众多功率性的器件,这些功率性器件通常有一定的过载能力,当电网欠电压幅度较小,持续时间较短时,对功率器件正常运行影响不大,当电网电压降幅过大,持续时间长时,变频器的开关电源无法起振,控制电源的输出停止或输出功率下降。很容易造成变频器控制系统发生紊乱,功率器件不能进行关断,给变频器造成损害。


2 解决变频器抗电压波动能力的措施

2.1 过电压故障解决措施

解决电网过电压对变频器的影响,主要思路是对变频器中间直流回路多余能量进行有效及时处理,同时要预防或者降低多余能量馈送到变频器的中间直流回路,让电网产生的过电压处于一定的允许值内。

1)装设浪涌吸收装置或者串联电抗器作为吸收装置

电网的冲击过电压、雷电导致过电压以及补偿电容在合闸或断开时是造成变频器输入端过电压的主要原因。对于此类隐患,可以在变频器装设浪涌吸收装置或者串联电抗器预防。浪涌吸收装置就是在连接逆变器和电动机的U、V、W相的各动力线间、以及这些动力线和地之间,分别连接半导体浪涌吸收元件。这些半导体浪涌吸收元件在两端子间达到规定的电压以上就流过电流并箝位电压的特性。串联电抗器能够降低电容器组的涌流倍数和涌流频率,提高短路阻抗,减小短路容量,降低短路电流,减小操作电容器组引起的过电压幅值,避免电网过电压保护等作用,是抑制过电压有效方法。

2)调整变频器已设定的参数

如果工艺流程中对负载减速时间不限定,在设置变频器减速时间参数时,以不引起中间回路过电压为限为条件设定,不能太短,避免出现负载动能释放太快情况,尤其是变频器所控制负载惯性较大的设备,减速参数要适当增加;如果生产工艺流程对负载减速时间有一定的要求,为预防变频器在限定时间内出现过电压跳停,要设定变频器失速自整定功能,也可设定变频器的频率值,通过减缓频率降低所控制设备的转速。

3)增加泄放电阻

泄放电阻就是在储能元件两端并联的电阻,给储能元件提供一个消耗能量的通路,使电路安全。这个电阻叫泄放电阻。可以是二极管,如电感(继电器线包)并联的二极管。当前功率较小变频器一般在制造时内部中间直流回路都设计了控制单元与泄放电阻,而大功率的变频器为给其中间直流回路能够很好的释放多余的能量提供通道,应该根据工艺需要增加泄放电阻,从而预防过电压。

4)增加逆变电路

逆变电路基本作用是在控制电路的控制下,将中间的直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源,在变频器的输入侧增加逆变电路,可以使变频器中间直流回路多余的能量回馈给电网。但造价较高,技术要求复杂。

5)在中间直流回路上加合适电容

根据变频器的容量以及其中间直流回路的电流电压的估算,可以在其中间直流回路上增加合适的电容,此电容能够稳定回路电压,提升回路承受过电压的能力,也可在设计阶段选用较大容量的变频器来有效防治过电压的影响。

6)降低工频电源电压

当前,常用变频器电源侧均是采不可控整流桥,其特点是电源电压较高,中间直流回路产生的电压也跟着升高。譬如电源电压为380V时,变频器的直流回路电压达到537V,如果变频器离变压器的位置较劲,其输入电压一般为400V以上,导致中间直流回路承受过电压会更高。因此,在条件容许下,可利用变压器的分接开关,通过低压档的放置降低电源电压来提升变频器过电压能力。

7)多台变频器共用直流母线

可根据实际需要进行设计将多台变频器的直流母线回路并联在一起(变频器本身设计有外接的直流母线输出端子),这样任何一台变频器从直流母线上取用的电流通常情况下都是大于同时间从外部馈入的多余电流,可以保持共用直流母线的电压,因此,至少两台同时运行的变频器具有共用直流母线能够平衡变频器的直流母线电压,使设备启动、停止时对电网的冲击也低,同时在电机停机成了发电机,能量回馈到直流母线。

8)通过控制系统功能优势解决变频器过电压问题

变频器的减速和负载的突降一般受在工艺流程中的受控制系统控制。因此,可以在变频器的减速和负载的突降前,通过支配的工艺流程控制系统对变频器进行控制,降低过多的能量馈入变频器的中间直流回路。譬如把变频器输入侧的不可控整流桥换成半可控或全控整流桥规律性减速过电压,在工艺流程减速前,可以把中间直流电压控制符合要求低值范围内,同时增加了中间直流回路承受馈入能量的能力,预防过电压。如果生产工艺流程使变频器规律性负载突降,在负载突降前,可以通过FOXBORO的DCS集散系统的控制功能的控制系统,适当提升将变频器的频率,减少变频器中间直流回路被负载侧过多的能量馈入。

2.2 欠电压故障解决措施

1)设置变频器自动再起动功能

功率大的设备在起动时造成的电压短时跌落,很容易使变频器因欠压而保护跳停,因此,设置变频器自动再起动功能有效预防欠电压对变频器的影响。其设计就是变频器在失电后,滤波电容器放电,逆变器控制电源失电时能够自动复位。也有部分变频器有“工频切换选用件”,可以通过这种选用件设置因瞬停等原因脱离变频器的电机在复电时继续运转,即作为瞬停再启动装置使用,这样变频器的逆变器控制电源在突然失电后,可以进行自动复位。当前,实现瞬时停电再起动主要有以下几种措施:一是等变频器所控制的设备完全停止后,再进行自行启动;二是利用外加机械制动或者直流制动使变频器所控制的设备迅速停止运行,减少自由旋转时间;三是在通用变频器中采用停电后检测由剩磁产生的感应电动势的频率,通过光耦和比较器将正弦波变成方波,通过检测方波的频率得到电机的运行频率,变频器按照此频率值和相应的电压可再起动变频器所控制的设备。

2)装设UPS(不间断电源)供电

当正常交流供电中断时,将蓄电池输出的直流变换成交流持续供电的电源设备,它具有滤波、稳压以及不间断供电的功能,变频器装设UPS电源后,可以充分利用其“失压”或零切换时间的功能特点,预防变频器因欠压而跳停的缺点。即电源一旦失压或瞬间停电,UPS立即将机内电池的电能,通过逆变转换的方法向变频器继续供应合适的电源,使变频器维持正常工作并保护变频器的软、硬件不受损坏,保障变频器控制设备的平稳运行。

3)调低低电压保护值,延长控制设备的加速时间

当前很多变频器在供电电源降到其额定值的90%左右时,变频器即可发生跳停,因此,为提升变频器抗电压的功能,可以根据其说明书适当调低变频器低电压保护值,同时,变频器控制的电气设备加速时间短,加速度很高,电源电压会被很快拉低,导致变频器欠电压而跳停,因此,可根据生产工艺需求,适当延长变频器所控制设备的加速时间,降低电网出现降压对变频器的影响,如果使用了PID技术控制器,注意降低系统响应,减P加I,延长滤波时间。


3 结束语

总之,变频器在调试与使用过程中会遇到各类不同故障,其中由于电网电压波动对其影响最大,因此,在装置变频器时,应该根据工艺流程性质,结合变频器本身参数以及控制系统状况,采取相应的措施来预防过电压或者欠电压对其的危害,才能预防电压波动变频器内部电路损坏,保障变频器安全稳定工作。

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