低压变频器晃电跳闸原因分析及抗晃电方案探讨

冯乐，王奋中，张军锋，马生伟

(陕西北元化工集团股份有限公司，陕西 榆林 719319)

1 变频器及软启动晃电跳闸原因调查分析

在实际应用中，不同品牌和生产厂商的变频器低电压保护限值和控制回路设计都有所不同，导致变频器低电压跳闸原因也不同。[1]经过对变频器控制参数、控制原理图以及控制方式的深入研究，发现变频器跳闸主要有以下几个方面的原因。

1.1 变频器主接触器或者启动信号继电器跳闸

在晃电过程中，有部分变频器是因为主接触器或者启动信号继电器跳闸导致。

据统计，陕西北元化工集团股份有限公司(以下简称“北元化工”)电网波动导致变频器等设备跳闸时电网电压下降10%～20%，持续100～200 ms。电网晃电后变频器的主接触器断开，变频器控制电断开，控制板失电。重新上电复位后，变频器控制板上没有故障记录，变频器欠电压故障值为额定值的70%，而实际检测到电网电压降低15%～20%，判断跳闸不是由变频器的欠电压保护引起，而是变频器的主接触器的控制回路在晃电时无法保持正常的控制电压，主接触器跳闸导致变频器启动信号丢失。而变频器控制板的电源取自主回路，变频器的主接触器跳闸，控制板也相应失电，因此变频器控制板上也查不到故障记录。

1.2 变频器失压保护动作跳闸

变频器是利用内部逆变电路中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的开断来调整输出电压和频率的。根据电动机的实际需要来提供其所需要的电压，从而达到节能、调速的目的。变频器的电压检测元件设置在直流环节，变频器低电压是指其中间直流回路电压低。

一般的变频器都具有失压和瞬间停电的保护功能。逆变器在失压或停电后，将允许变频器继续工作短暂的时间。若失压或停电时间少于这个时间，变频器继续运转；若失压或停电时间多于这个时间，变频器自我保护启动将停止运转。不同厂商和品牌的变频器对低电压保护定值的整定值差别较大，最高的为90%直流电压，最低的可达到60%直流电压以下。

有些生产厂商只是片面强调对变频器的保护，低电压设定值过高且无任何延时，系统电源稍有波动，变频器便因低电压而停机，虽然降低了变频器自身元器件损坏的风险，但增加了设备跳闸的风险。

1.3 变频器过流保护动作跳闸

在电网晃电时，变频器直流回路电压降低后，变频器输出的交流电压相应降低，由于负载转矩的存在，电压下降，导致电流瞬间过流，变频器过流保护动作跳闸。

2 变频器防晃电功能改造方案

根据上述原因分析可知，要改善变频器的防“晃电”功能，主要是提高和增加变频器控制系统的防 “晃电”能力。氯碱企业可以通过3种方法进行改善：①保持变频器启动信号不丢失；②合理调整变频器内部参数；③补充晃电时直流系统的电压。

2.1 保持变频器主接触器和启动信号不丢失措施

2.1.1 主回路接触器更换使用永磁接触器

永磁交流接触器是利用磁极的同性相斥、异性相吸的原理来实现主电路的接通和分段功能。用永磁驱动机构取代传统的电磁铁驱动机构而形成的一种新型的微功耗接触器[2]安装在接触器联动机构上极性固定不变的永磁铁，与固化在接触器底座上的可变极性软磁铁相互作用，从而达到吸合、保持与释放的目的。

永磁接触器分跌压延时型和断电延时型两种，跌压延时型是当电压跌落值在额定电压的25%以上时，经过一定延时后释放。但是，如果电压突然跌落至额定电压的25%以下时，不经过延时，瞬时释放；断电延时型是指电压突然跌落至零时，经过一定延时后释放。

根据实际需求，建议氯碱企业使用断电延时型永磁接触器，并可以根据现场需要设置延时释放时间，以便灵活调整晃电时间。

2.1.2 变频器控制回路使用UPS 电源

变频器控制回路使用UPS 电源，一方面可以确保系统在晃电时变频器启动信号的中间继电器线圈不释放，从而保障启动信号不丢失；另一方面可以确保变频器的控制板不失电，变频器内部控制、保护功能和显示屏正常运行。

北元化工现有的部分变频器虽然已经配置了防晃电装置，使用UPS电源给控制回路供电，但是在晃电时仍然出现低电压或者过流保护跳闸。现场调查分析得知主要有两个原因：①变频器内部保护参数设置不合理；②在晃电时系统电压降较大，时间较长，已经超出了变频器抗晃电能力的范围，变频器自身保护已经动作跳闸。

2.2 合理调整变频器内部参数

2.2.1 投入变频器失电再启动功能

对于某些型号的变频器，投入变频器失电再启动功能，也可以达到一定的防晃电功能。但是，变频器“瞬间停电再启动”参数必须正确设置，否则也无法实现变频器“晃电”时的成功自启。只有开放瞬时停电再启动功能时，变频器失电后不需要人工进行复位操作，能自动复电后再启动。设置变频器“瞬间停电再启动”参数时须注意：某些品牌的变频器选择“电源中断”或“电源消隐”都能再启动，如果只选择其一，可能会导致晃电情况下的变频器不能成功自启动。北元化工变频器品牌较多，更须认真研究并核对参数设置的准确性。

2.2.2 合理调整变频器低电压保护整定值

有些品牌的变频器，当电压低到额定值的90%左右时便会停机，造成同一电源系统中有大功率负载启动时，变频器都有可能停机。为提高这类变频器抗电压波动的能力，氯碱企业可以适当调低这类变频器低电压保护值，有些变频器的低电压保护值用户可以直接整定，最低可到65%；有些变频器用户不能直接调整，只能重新选择变频器低电压检测回路的元器件，用户可以和变频器厂协商调整，低电压保护设定值设为75%的额定电压比较合适。

2.2.3 选择抗晃电能力较强的变频器

不同品牌变频器的防晃电能力也是不一样的，在设备选型阶段应选择在大幅度失压条件下仍能正常工作的变频器。这主要是因为，在晃电时，变频器主电源电容器上的直流电压会快速下降，此时，主电源IGBT将截止，从而失去对电动机的控制。当主电源复原并且TGBT 重新启动后，输出频率和电压矢量与电动机的频率不对应，因此通常会发生过电压和过电流，而这些情况大都会造成保护跳闸。对此，氯碱企业可以通过受控减速和借能运行这两种模式来实现一定的抗晃电能力。

在选择受控减速时，变频器输出频率将始终服从电动机速度，IGCT不会失去与电动机之间的连接，但会服从减速命令，这种模式对于惯量较低而摩擦较高的泵尤其有用，电网电压恢复正常后，输出频率会将电动机加速到参考值速度。如果电网晃电时间较长，受控减速功能可能将输出频率一直降至0，并且在电压正常后，电动机的速度从0加速到参考值。在选择借能运行时，变频器会将来自电动机的机械能转变为直流供应电压，从而在尽可能长的时间里保持直流电压质量。风扇通常可以应付数秒的电网中断，泵通常只能应付1～2 s的中断。

2.3 给变频器直流回路增加辅助电源

为弥补变频器直流回路电压跌落，可以利用蓄电池中贮存的直流电，为变频器直流母排供电，从而为变频器提供直流辅助电源，保证变频器的正常运行。在电网正常时，直流后备电源在充电模式，蓄电池组处于浮充状态；在电网失电时，直流后备电源切换至放电模式，控制蓄电池为变频器直流母排供电，保证变频器正常工作。但是该方案须采用蓄电池为变频器提供后备电能，投资费用高，后期维护费用也较大。

3 结语

以上这些措施只是针对具有一定防晃电功能的变频器应对短暂的晃电，不能彻底解决晃电对变频器的影响。应对较长时间的晃电，不得不采取直流系统辅助电源的方式，并要提高系统供电的可靠性，降低电压波动的风险，从源头上尽量避免和减少晃电的产生。但是电网波动有太多不确定性的因素，即使上面的方案都能得到有效实施，电网波动的影响也仍然存在。对变频器防晃电功能的研究，生产厂商应从生产设计时就考虑到，并不断提升变频器的防晃电能力，才能从根本上解决晃电问题。