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摘要：电压波动对变频器工作有重要影响，然而由于种种原因，电压波动不可避免。本文说明了常见的电压波动原因，如电力系统波动、雷雨天气，负载突变等。结合电压波动对变频器造成的影响，从过电压和失电压两方面分别入手，提出了利用变频器自身功能和添加外部元器件等办法来解决电压波动对变频器的影响。
关键词：低压波动；低压变频器；直流母线；
工业自动化时代，不管是在机械生产制造业还是石油化工企业变频器都有广阔的应用空间。变频器能够实现电机的软启动、改变功率因数、改变频率、调节转速、提高运转精度等功能。变频器的正常运行需要一个稳定的电力系统，然而在实际生产中，电压波动是不可避免的。为了确保变频器正常运行，不得不了解电压波动的原因，以便找到应对办法。
一、电压波动的原因
变频器对电网稳定性要求很高，以国家电网标准为例，对于C级电网最大允许10%的电压波动；对于B级电网，最大允许7%的电压波动；对于A级电网，只能允许5%的电压波动。电压波动超出范围会导致变频器异常停机，有可能酿成重大安全事故。电压波动的原因一般有这几种：①夏天雷电天气可能会导致供电系统过电压，生产企业往往通过安装避雷设施来保护设备。然而，避雷设备工作时为了限制过电压也会导致供电系统电压短期内迅速降低，影响变频器工作。②大型负载的启停造成电压波动。大功率设备启动时，启动电流可达正常启动电流的7倍，导致其所在供电系统电压瞬时下降，影响变频器工作。当供电系统容量小时，这种影响尤为明显。③用电设备断路导致部分或全部供电系统跳闸。当设备出现短路故障时，系统中的保护装置会切断一定区域的供电。该区域内负载瞬时失电，导致系统电压瞬间波动，即使变频器不在此区域内，也会受到影响。④倒闸操作时，设备的运行状态变化，进而引起电压变化。
二、电压波动对变频器的影响
（一）过电压对变频器的影响
整流电路和逆变电路构成了变频器的基本电路，先通过整流把交流电转化为直流电，再通过逆变把直流电转化为特定频率的交流电输出到用电设备。变频器的过电压现象发生在直流回路阶段，对变频器造成的损害分为以下两种情况：①频繁的过电压影响直流回路滤波电容的使用寿命，如果电压过大甚至会击穿滤波电容，直接导致变频器不能正常工作。②电网系统过电压使整流所得直流电压出现跳跃，逆变所得电压波幅也会出现较大波动，输出电压到达电机后对电机的使用寿命造成影响。
（二）欠电压对变频器的影响
变频器的整流逆变过程使用很多功率型电子器件，如：IGBT、IGCT、GTO等。这些器件有一定抗过载能力，短暂的欠电压不会对变频器构成太大影响。若欠电压持续时间过长，会导致变频器控制系统错乱，电子器件频繁关断，使用寿命缩短。同时，变频器输出电压过低，或自行关断，停止输出。
（三）电压偏移对变频器影响
电压偏移是电力系统常见的问题，表现为电压周期性震荡，波动范围往往超过5%。当变频器的电压偏移范围超过滤波装置允许值的-25%到15%时，控制柜里滤波装置的保护装置会自动切断电源，变频器连锁停机。
（四）电压畸变对变频器的影响
大型整流设备的使用会造成系统电压畸变，电流、电压出现高次谐波，进而影响电器两端的电压，让电力输出电压发生畸变。畸变的电压会使变频器在整流逆变过程中，可控硅异常触发，变频器也不再能检测到触发角，系统因而不得不自动保护停机。
（五）电压闪变对变频器的影响
电压闪变是由于负载迅速变化而引起的，若电力系统容量小，电压闪变的发生概率比较高。电压闪变对变频器影响很明显，只要瞬间停电时间达到0.1秒，变频器就会立刻进行保护停机。因为0.1秒已经是5个周波的时间，变频器检测不到电信号，可控硅自行关断，为避免损害变频器，系统自动关机。
（六）频率偏移对变频器的影响
系统有功功率和电源不平衡时，电网输出频率会发生偏移。当电网频率偏移达到0.5%时，电网稳定性即受到很大影响。频率偏移是一个连锁反应，局部系统的有功功率缺失会导致频率降低，可能需切断负载，切断负载后又会引起电压发生偏移。因此，频率偏移对电力系统影响很大。出现频率偏移后，变频器往往会保护停机，操作界面上显示电压频率过低警报。
三、变频器失电压应对操作办法
变频器系统本身具有一定应对电压波动的处理办法，适用于电压瞬间波动。不用改变系统，不用增设设备，只需要了解变频器的功能设置，并根据需要选择合适的设置方案即可应对电压波动问题。
（一）动能缓冲功能的原理及参数设置
电网瞬间断电后，电机等用电设备由于惯性仍处于运动状态。电机是负载，但不接电源时，运转的电机处于发电的状态。而小于0.1秒的停电时间不会使变频器停机，通过变频器内部的处理，能够把运转的电机当做发电机来为变频器提供电能，在较短的时间内维持变频器正常工作。
当供电系统瞬时失压，母线电压由正常电压UN开始下降，达到变频器系统的动能缓冲功能激活的阈值电压UKIBON时，该功能自动激活。降低变频器的输出频率，同时内部直流母线电压改由从输出端获得，利用电机动能回馈给直流母线，虽然电压达不到停电前的值，但能维持变频器控制系统运行，避免变频器突然停止工作而无人发现。当电压恢复后，变频器检测到电压信号，直流母线恢复从输出端获得电压的方式。电压值达到UKIBOFF时（UKIBOFF=UKIBON+0.05UN），动能缓冲功能关闭，输出频率恢复正常，变频器正常运行（如图1所示）。
图 1 动能缓冲原理
以ABB-ACS800-67变频器为例，把变频器额定电压UN设置为400V，最小频率设置为20HZ，动能缓冲设置为1，动能缓冲阈值设置为76%。供电系统失压时，要保证电机在为变频器供电的同时，不会因转速过慢而影响电机散热。把低电压动作系数设置为0.61，当系统电压低于61%的额定电压时自动跳闸。在保护变频器的同时尽可能地削弱瞬间失压对变频器造成的影响。
（二）柔性响应的工作原理及参数设置
当系统电压降低时，降低变频器的输出电压是另一种有效办法。降低输出电压并不影响变频器运行，只要直流母线上的电压高于额定电压的50%，变频器都能降压输出保持工作状态稳定运行。柔性响应功能激活后，电压的调节深度被控制在一定范围内。U/f为一个常数，由柔性响应调节器FLR来控制。通过降低输出频率f来降低输出电压U，受变频器内部控制影响，柔性响应存在一个最小输出电压UFLRMIN。只要电源不断电，变频器将一直以UFLRMIN作为输出电压。柔性响应存在一个激活的阈值电压UFLRON，当电源电压下降到UFLRON时，柔性响应启动。电网恢复正常后，直流母线电压开始上升，当达到关闭阈值电压UFLROFF时（UFLROFF=UFLRON+0.05UN），系统关闭柔性响应功能，变频器恢复正常工作。
把欠压故障阈值设定为50%，柔性响应启动阈值设定为0.65UN，柔性响应释放设置为2。在此基础之上进行低电压动作系数设定，该值不能太大，最大不超过0.5。电源电压下降同时会影响到变频器控制板电源，对此，可安装UPS电源为控制板单独供电。
（三）使用UPS电源
当电网较长时间失压，且直流母线上的电压不能达到额定电压的50%时，动能缓冲功能和柔性响应功能都将失去作用。为了应对这种情况，可以在变频器两端安装UPS电源，当电网系统失电时，UPS电源自动开始为变频器供电，能够保证变频器控制系统的正常运行。UPS电源电压较为稳定，能够滤除杂波，且能全天候运行，确保变频器控制器不失电停机。UPS电源内部装有逆变器，能够把蓄电池里的直流电转化为交流电，直流加交流的双重供电模式能够满足变频器内所有元器件的需求，保障了变频器的安全运行。
（四）设置再启动功能，应对变频器低电压停机
在工业生产中有很多大功率用电设备，这些设备在启动时需要很大的启动电压，导致电网电压瞬间跌落，变频器很容易失压而停机。变频器停机会导致负载工作紊乱甚至停机，因此一定要避免此类情况发生。前面提到采用系统自带的动能缓冲功能和柔性负载功能来避免停机，而在这些都不能避免变频器停机时，让变频器及时的自行启动是一种有效的办法。
部分变频器有自动启动功能和工频切换选用件，能够在失电后自行启动。变频器内部装有滤波电容，当变频器失电后滤波电容放点，使变频器控制器复位；工频切换选用件可以在变频器失电后，把电机工作模式临时切换为工频，变频器复位后自动恢复正常。变频器启动前要保证设备频率与变频器频率一致，常用的办法有三种：①让设备断电自行停转后，再启动。②采用机械装置或直流制动装置，在切断设备电源后，人为制动后再启动变频器。③电机失电后由于剩余磁通，仍然产生感应电动势，具有一定频率。采用光耦合器和比较器将设备运转频率波形转化为方波，之后检测方波的频率，从而得到设备的运行频率，然后变频器以相同频率启动。
四、基于外部改造的过电压应对措施
（一）增设电抗器与浪涌吸收装置
过电压往往由于雷击、大容量电容合断闸以及电网故障引起，虽然变频器具备 一定瞬时抗过载能力，但过电压还是会影响变频器的正常工作。针对于过电压，最直接的办法是在变频器端串联电抗器或加装浪涌吸收装置。串联电抗器能够减小短路容量，增大断路阻抗，并减小短路电流，减小变频器两端所分电压。同时，还能减小电容器的涌流频率和涌流的最大值。浪涌吸收装置由半导体元器件构成，这些元器件平时关断。当出现过电压时，元器件导通，在元器件两端形成钳位电压，减小变频器两端电压。浪涌吸收装置可串联在电机的各项线路上和逆变器之间，可以有效降低过电压对变频器造成的损害。
（二）增设泄放电阻
消耗多余电压来解决过压问题的元器件还可以用泄放电阻来代替。把泄放电阻并联在变频器两端，增加一个电能消耗回路，避免过电压引起变频器内部电流过大，烧坏变频器。泄放电阻可以由电感串联一个TVS二极管来构成，正常情况下二极管关断，过压时二极管打开，利用电阻把多余的电能以热量的形式消耗掉。
（三）增设电容
电容具有稳定电压的作用，可将电容并联在直流回路两端，当回路两端出现过电压时被电容吸收，提高变频器抗过压能力。电容容量的大小可以根据直流回路电压和变频器容量来计算，在具备抗过载能力的同时不影响变频器正常使用。为了节省时间，也可以在最初选择变频器时，考虑选择大容量变频器。
（四）增设逆变器
用元器件来消耗多余的电压简单方便，但同时也是浪费能源的一种行为，也会对元器件本身造成一定损坏，需要及时检查更换。相较于利用电阻消耗多余电压的办法，利用逆变装置把多余的电压回馈给电网是另一种可行的方式。变频器有一个整流过程，在直流母线上把交流电转化为直流电，电网过压时变频器转换了更多的能量。可在变频器输入端连接逆变电路，过压时逆变器自动开启，将直流母线上多出的直流电逆变为与电网相位一致的交流电，反馈给电网。这种方式能源利用效率较高，是变频器未来的一个发展方向，但就目前而言，增设逆变器成本太高。
（五）降低输入电压
在变频器内部，直流母线上的电压高于输入的交流电压，380V的输入电压在直流母线上可高达537V，并且随着输入电压的升高而升高。若变频器距离变电站位置较近，输入电压会更高，一直承受过电压。因此，有必要降低变频器输入电压。常用的办法有利用变频器分接开关，把输入电压调至低档，限制输入电压的最大值，避免持续型的过压损坏变频器内部电子器件。
（六）改变控制系统，降低直流母线电压
变频器输出端负载突降、减速等过程会向变频器馈入能量导致内部直流母线电压升高，同时，这个过程是变频器控制系统的作用结果。因此，可以考虑在控制器下达减速、降低负载命令后，调整变频器状态，把馈入直流母线的能量计算在内，通过减少输入能量来维持总电压平衡。可以把不可控整流桥换成可控整流桥，通过控制整流桥来降低来自输入端的电压，间歇性关断半导体原件，不进行整流工作。把直流母线电压控制在最低范围内，即使负载端反馈多余的电能仍不会使直流母线端过电压。同时，当负载突降时，也可以提升变频器的输出频率，把多余的能量消耗在负载上，减少输出端回馈的能量。
（七）共用直流母线
变频器给电动机下达停止命令后，由于惯性电机不会立即停转，旋转的电机以发电机的形式运转，向变频器回馈能量。常用的PWM变频器一般没有设计将多余能量回馈给电网的功能，电动机反馈的能量导致变频器直流母线电压升高，造成变频器过压运行。常常采用外接电阻等办法把电机反馈的能量以热量的形式消耗掉，为了在降低直流母线电压同时尽可能的节能，一般采用共用直流母线的办法。变频器外部有母线端子接口，可以很方便的把若干台变频器的直流母线并联在一起。当一台变频器控制的电机停止时，回馈到共用母线中的电流可以为其它运行中的电机提供能量，避免直流母线中的电压过高，在降低电压的同时节省电能。共用直流母线不仅有利于变频器本身，还能降低电机启停时对系统电网的冲击，有利于区域电网的稳定。
五、结语
变频器是工业生产中的核心设备，提高变频器工作稳定性对工业发展具有很好的促进错用。电压波动是困扰变频器运行的常见问题，本文对此提出了若干解决办法。电压波动具有一定的不确定性，既可能失压又可能过压，在解决实际问题的时候要兼顾两种可能。选择合适的处理办法，制定应急方案，提高变频器系统的抗挫能力，提高系统稳定性。
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作者简介
张旭东（1970.7-），男，陕西榆林人，神华集团，电气工程师，单位：中国神华煤制油化工有限公司榆林化工分公司。
论文作者:张旭东
论文发表刊物:《电力设备》2015年第12期供稿
论文发表时间:2016/4/27
标签：变频器论文; 电压论文; 过电压论文; 母线论文; 电网论文; 频率论文; 电机论文; 《电力设备》2015年第12期供稿论文;