ABB中压变频传动系统失电跨越功能的研究与应用

李晓东，李险峰，官二勇，李德地，孙文生，高旭，巴玉江，朱寿珉

（1.北京ABB 电气传动系统有限公司，北京100015；2.兰州石化公司 电仪事业部，甘肃 兰州730060）

兰州石化有限公司，110 kV 电网电压不稳，偶尔会出现波动。 当110 kV 电网电压波动时会造成化肥厂天然气压缩机变频器直流母线低电压跳闸，从而引起工艺连锁停机，造成重大经济损失。 图1是2010年3月1日兰州石化记录的110 kV 化肥变电站110 kV 进线化柳二线发生电网波动的波形，虽然此次电源波动时间只有不到0.05 s，但仍然使天然气压缩机变频器直流母线低电压跳闸，造成化肥厂合成氨装置停车。

为了解决电网电压波动引起天然气压缩机变频器直流母线低电压跳闸的问题，对ABB 变频器的失电跨越功能进行了深入研究，通过理论研究、仿真分析、现场测试等验证ABB 变频器的失电跨越功能能够解决兰州石化电网波动问题。

图1 兰州石化110 kV 变电站进线电网波动波形Fig.1 The 110 kV grid voltage fluctuation of Sino Petrol Lanzhou

1 ABB 中压传动失电跨越介绍

ABB 中压变频器具有失电跨越功能。 当电网的瞬间闪变及工作电源切备用电源瞬间，变频装置保持短时不停机。

当电网电压跌落或掉电，变频器检测到直流回路电压跌落至80%时，变频器将激活失电跨越功能。 此时依靠负载的惯性能量拖动电动机继续旋转，变频器通过快速降低电机定子端输入电压频率，使得定子磁场转速快速下降。 当定子磁链滞后于转子磁链时，电磁转矩反向，电动机处于发电状态；由电动机产生的感应电势经逆变器续流二极管整流将能量回馈至变频器中间直流回路，保持直流回路电压不低于65%；在电机速度降至10%额定转速前，系统不会停机。 电网电压恢复正常后，变频器直流回路电压恢复至80%以上时，失电跨越功能自动退出，变频器恢复至正常运行状态。 失电跨越过程如图2所示。

图2 ABB 中压传动系统失电跨越功能示意图Fig.2 The ride through function schematic of ABB MV drive system

2 仿真研究

为了便于系统分析和系统设计，ABB 开发了中压传动系统仿真模型。 仿真模型是基于Matlab软件Simulink 仿真平台搭建的，仿真模型很大程度上与实际系统保持一致，能够反应实际系统的真实运行状态。

仿真所使用的电机及负载数据来自于兰州石化，与现场一致；所采用的变频器数据来自于ABB 选型参数，仿真时间参数见表1。 各参数为：额定功率3 575 kW，额定电压4 160 V，额定频率50 Hz，，额定电流559 A，转动惯量40 kg·m2,功率因数0.92，额定转矩11 480 N·m，额定速度2 974 r/min，效率96.6%，负载惯量80 kg·m2。 仿真用ABB 中压变频器选型参数：变频器的输出电压为4 160 V，输出电流为590 A。

从图3和图4可以看出在2 s 时，电网掉电；在2.5 s 时，电网恢复，由于变压器存在涌流，图4中的电流波形在电网来电时出现瞬时的冲击，这符合变压器的实际运行状态。

图3 电网电压波形Fig.3 The grid voltage waveform

图4 电网电流波形Fig.4 The grid current waveform

从图5可以看出在2 s 时，当检测到直流母线电压低时，电机转矩变负，由100%变为-0.05%，表明电机由电动状态进入发电状态，电动机的惯性能量转化为电能维持直流母线电压；电机速度从接近于100%（2 974 r/min）开始衰减。

图5 电机转矩和速度的波形Fig.5 The motor torque and speed waveforms

在2.5 s 时，电网恢复供电，电机转矩由负变正，电机由发电状态进入正常的电动状态。在2.5 s 时，电机速度已经衰减至86%，来电后经过大概1.5 s 时间，电机加速到额定转速。

由图6看出在失电跨越阶段，由于电机的惯性动能回馈转换为直流母线的电能，直流母线电压维持在65%以上，使得中压变频器在电网波动状态下能够保持短时不停机。

图6 变频器直流回路电压波形Fig.6 The DC bus voltage waveform of the converter

图7示出了整个运行过程中电机的定子电流波形。在整个的失电跨越过程中，电机仍然存在电流，表明在失电跨越时，电机保持励磁，同时电动机处于发电状态而向变频器直流回路回馈能量。

图7 电机定子电流波形Fig.7 The motor stator current waveform

3 现场测试及结论

3.1 ABB 中压测试系统

北京ABB 电气传动系统有限公司具有一套功能强大的中压系统测试平台，中压测试系统可完成ACS1000/2000/5000 的常规测试。

测试系统单线示意图如图8所示，系统中ACS5000 为被测试的对象，ACS2000 为模拟负载系统，将测试能量回馈电网。 测试时被测传动ACS5000 驱动电动机M1运行，另一台背靠背电机M2作为被测传动系统的负载工作在发电状态，通过4 象限运行变频器ACS2000 向电网反馈能量。

图8 失电跨越测试系统单线示意图Fig.8 The single line schematu of the ride through test system

3.2 失电跨越功能测试实验

分别启动ACS5000 和ACS2000，ACS5000 的速度设定为-1 200 r/min，ACS2000 的速度设定为-900 r/min，作为模拟负载，ACS2000 的转矩限幅设为70%。 手动断开变压器T201 前断路器Q101，模拟电网失电状态；ACS5000 直流母线电压下降至4 000 V 时，从正常工作状态进入失电跨越状态，电机通过逆变部分把惯性机械能回馈为直流母线电能，使得直流母线电压上升至失电跨越状态时的参考电压4 200 V；同时，M1速度开始下降；1 s 后，闭合断路器Q101，模拟电网来电状态，ACS5000 直流母线电压迅速上升，当该值上升至4 400 V 时，ACS5000 退出失电跨越状态，进入正常工作模式，M1加速到设定转速-1 200 r/min。至此，ACS5000 失电跨越功能完成，见图9。

图9 失电跨越测试结果Fig.9 The test result of ride through

3.3 现场应用效果

在理论分析和工厂测试实验的基础上，兰州石化天然气压缩机项目已于2011年成功改造完成。 2011年9月17日天然气压缩机供电系统发生1 s 电网波动，天然气压缩机变频器启动失电跨越功能，变频器未因电网波动停车。 图10为现场记录的波形曲线。

图10 失电跨越现场应用效果Fig.10 The site application result of ride through

仿真及现场测试结果证明，采用ABB 的中压变频设备，能够实现兰州石化天然气压缩机在电网波动过程中，变频器保持不停机，电机不失磁，电机速度降落不大，系统能够平稳通过短时的电网波动过程。 改造完成后，至今现场未出现由于电网电压波动引起的变频器跳闸停车事故。

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