厂区低压变频器异常运行分析及预防措施

厂区低压变频器异常运行分析及预防措施

黄永鸿,  

福建紫金铜箔科技有限公司

摘要：随着变频器被广泛应用于厂区，它优良的调速性能及突出的节能效果已被人们普遍接受。鉴于此，需要采取有效的措施来预防同类事件的出现，从而保证厂区安全生产与经济运行。但在电网出现故障引起电压跌落时，某类型辅机变频器低电压保护有可能引发跳闸机制造成机组负荷减少或者停机，给厂区安全稳定运行带来了潜在的威胁。由于这类事故频繁发生，极大地影响着厂区的经济效益与社会效益，而且还给国家造成了很大的经济损失。为了保证厂区安全生产、经济运行，应采取有效措施杜绝同类事件再次发生。通过对一大型厂区辅机变频改造低压系统经常跳闸的现象及对发电机组的影响进行分析，提出该类事件发生的根源在于低压系统谐波问题。现场深入地研究了一个同类事件发生的原因，并给出了一些预防措施。

关键词：低压变频器;异常运行;预防措施

0 引言

在电力电子技术不断进化、控制理论日趋完善的今天，变频调速已经逐步取代直流调速而成为工业电气传动中被广泛采用的先进工艺。因它具有结构简单、维修方便、造价低廉、工作可靠平稳等特点而日益受到人们的重视。另外，变频器由于具有优异的能源效率，完整的保护机制以及灵活的编程能力等特点，可以满足工业上广泛领域中对交流调速多样化的要求。所以变频器这一高效节能型设备在工业生产领域中得到了广泛应用。

目前，我国大多数企业都使用变频器对异步电机进行操控，从而达到拖动或者变速运行的目的，但是在实际运行中经常发生电动机超载，相位中断以及软启动故障等不正常现象[1]。所以了解变频器常见的故障及处理措施就显得尤为重要。伴随着变频器在各领域的广泛使用，在运行中存在着一系列的问题，本论文的目的就是研究厂区线路故障对于变频器不正常运行所造成的影响并给出预防措施。

1变频器的工作原理

当前主流变频器类型是交—直—交型变频器，交—交型变频器虽显示出很高的效率，但是频率调节及应用范围有限。所以如何进一步改善交—直型变频器性能，是目前的研究重点之一。在电力电子技术日益进步的今天，出现了新型变频器装置，该装置利用交，直，交来实现变频运行。该新型结构变频器具有较大的节能优势，也是未来发展的趋势。变频器主电路可以分为3大部件，即整流器，滤波器和逆变器。其中，整流器作为整个系统的最核心部件[2]。

图1是主电路图示，在主电路中，工频交流电经整流器加工后变换成波动直流电，再经滤波器滤波稳压后最后成为稳定直流电。这其中离不开逆变环节。然后，逆变器采用PWM斩波技术输出脉宽可变的系列方波，通过对方波的调制达到调整输出电压幅值与频率的目的；另外控制系统是非常关键的环节。主要由驱动模块，控制模块和逆变模块3部分构成。控制电路完成逆变器内六个IGBT导通与关断，主电路参数检测，变频器与负载保护等诸多功能。

图 1 交—直—交型变频器主电路示意图

2事故过程

2023年3月15日晚9点06分，厂区磨床车间磨床控制柜变频器跳闸检查磨床控制柜变频器故障。

磨床控制柜两台变频器跳闸导致磨床无法正常工作，变频器显示欠压故障，变频器复位后恢复正常工作，经现场检查发现磨床控制柜和集水坑水泵控制箱电源来自同一配电控制柜，集水坑水泵启动时，磨床控制柜变频器跳闸。

通过详细地分析这次事故的经过，找到导致这次故障的根源。在深入分析故障现象与原因的基础上，结合有关规程要求，提出一系列整改措施与建议并加以实施与验证。经过改造，杜绝了由于水泵启动电流过大而产生缺陷问题。因变频器跳闸故障导致磨床阴极辊和砂轮机电机不能正常工作。

3 原因分析

经现场检查发现磨床控制柜和集水坑水泵控制箱电源来自同一配电控制柜，集水坑水泵电机额定功率3Kw，额定电流6.2A，集水坑水泵启动时，启动电流是额定电流的5—7倍，启动电流最大可达43.4A，集水坑水泵启动瞬间因启动涌流过大配电控制柜电压瞬间拉低，磨床控制柜变频器欠压保护跳闸。

为了保证磨床阴极辊导向轴承不受起动力矩过大的影响，现场用变频器来驱动阴极辊电机，起动后保证变频器以工频频率平稳工作。由于变频器的输出信号是直接作用于电动机的转子绕组上的，所以通过调整变频器的电流就能实现电动机转速的变化。在电机负载变化等情况下，变频器自动投入额定工作状态，启动工作，保证阴极辊在安全平稳的工作环境下运行。由于阴极辊与砂轮机均由不同型号电动机构成，其电气连接关系较为严格，因此阴极辊与砂轮机转速均需结合现场负载状况进行实时调节。

为研究磨床变频器发生故障时的运行性能，本文搭建其模型，通过仿真计算发现变频器具有一定的“直流欠压感等”。同时通过研究交流电机变频调速的特点以及风机、水泵的数学模型，得出磨床电动机转速随系统参数变化的关系表达式。分析认为，与水泵这种常规负荷相比，阴极辊是一种惯性较大的负荷。所以，在系统故障情况下，阴极辊变频器和水泵存在强烈耦合，造成了阴极辊变频器低频振荡现象。阴极辊变频器在频率减小的一瞬间，阴极辊电动机同步转速ω1将减小，但转子转速ω在机械惯性作用下基本维持恒定。若阴极辊电机定子绕组有相当电流存在，则可推断出该电流是由砂轮机或者水泵内短路现象引起。电动机在工作中断相故障时会产生断电现象。在阴极辊电动机同步转速ω1低于转子转速ω的情况下，它由电动状态变为发电状态以适应发电需求。在砂轮机与水泵断续供电时，阴极辊电动机电磁转矩急剧增加，超出额定值，导致阴极辊变频器丧失控制作用。再生电能经逆变器续流二极管整流反馈给直流电路后，因不能经整流器反馈给电网而使电容器表面电荷在很短的时间内聚集形成“泵升电压”，使变频器直流母线实际电压升高。由于阴极辊电动机工作原理和普通异步电动机一样，变频调速系统没有和交流励磁发电机相似的可控性能，因此故障可能是变频器自身引起。

4预防措施

当电网故障引起电压下降时，变频器低电压保护有可能引发跳闸阈值而造成设备停机，这是传统控制系统低电压穿越的缺点[3]。所以，在保证系统安全可靠运行的同时，改善机组起动时低电流穿越性能已成为目前的研究重点之一。针对该厂磨床系统现场开展变频器改造工作，对比分析低电流穿越方案及实施结果，最后给出相关建议措施。按照《变电站辅机变频器高低压穿越技术规范》要求，变频器工作电压下降到20%时持续时间不得超过0.5秒、60%，持续时间不得超过5秒、90%，持续时间不得低于5秒，保证供电对象安全运行。高低压配网可按现场的实际情况单独设置。

本厂区磨床变频器跳闸事故，已对磨床的正常生产造成严重影响。还对电网造成了极大的隐患，从而影响到了整个电力系统能否正常工作。针对以上困境，本文提出改进方案。

方案一：介绍一种能抵抗电压干扰的器件，在变频器电源进线前端安装电抗器或交流滤波器。在电压失衡情况下，电抗器或交流滤波器可以控制电机启动电流涌流和短路的影响，补偿三相负荷输出有功功率及无功功率以达到电网无功补偿。本装置主要功能是减少电力系统电流涌流和谐波成分、改善电能质量、提高功率因数。由于变频技术的应用，使系统整体运行稳定。其主电路详细图见图2。

图2 主电路磨床电机接线图

方案二：集水坑水泵控制箱电源和磨床变频器控制柜电源独立安装。集水坑水泵电源接自磨床车间其他配电箱备用开关，消除集水坑水泵对变频器的影响。

方案一比方案二成本高，需购买电抗器或交流滤波器，方案二成本低，把集水坑水泵电源接自备用开关后使用。所以在实际运行过程中，应针对不同的机组和工况情况确定采用或不采用两种方案。对该系统和原有设计方案进行了对比分析，得出了新设计控制系统运行更加稳定、可靠。经过综合考虑，本文认为方案二投资成本低、可行性强，可以认为是解决本厂区磨床控制柜变频器可能存在问题的首选。

对于非I类辅机设备变频器而言，在对其进行已有改造的同时，可根据现场的实际需要通过对有关参数或者功能的调整，如欠压故障自动复位机制的启用等，来增强设备运行可靠性及工艺生产连续性。

5结语

变频器运行期间，如果电网电压短暂降低，就有可能受到严重影响而使设备停运。为保障变频器安全可靠地工作，需要定期进行检测和检修，而磨床作为该厂区重要辅机之一，其运行状况直接关系到整个机组能否安全稳定运行。以某厂区为例，详细论述了磨床变频器停机的基本原因，重点对故障情况下磨床变频器进行了分析。结合理论计算与现场实际测试，确认造成磨床变频器故障的本质原因为系统电流涌流过大，继而诱发线路电压过低导致变频器跳闸保护。另外，本文揭示出厂区在当前运行模式下磨床潜在的危险，针对变频器缺乏低电压穿越能力这一棘手问题提出切实可行的改造方案。

参考文献

[1]宋鹏飞.低压变频器配电末端过电压的工程抑制方法[J].电气传动自动化,2022,44(06):62-64+61.

[2]宋鹏飞,刘昊旻,袁涛.精细化工行业低压变频器谐波电流的工程估算方法[J].电气传动自动化,2022,44(03):35-37.

[3]刘超.电厂低压变频器低电压穿越功能完善研究[J].设备管理与维修,2022,518(09):37-40.