淺談AVC在變頻驅動電機上的應用

梁力

（茂名天源石化有限公司，廣東 茂名 525000）

電網因雷擊、臺風、短路、誤操作、發電廠故障及其他外部、內部原因造成電網短時間供電系統電壓突然下降或上升，且超出正常的電壓偏差允許值，然后又返回到正常的電壓水平，茂名電網發生波動最多的是電壓的突然下降，俗稱“晃電”或“電壓暫降”。而電網“晃電”造成的機泵停車，會導致連續生產流程發生紊亂、產品不合格、非計劃停工等損失，石化行業由于工藝要求復雜，安全生產連續性強，對產品質量要求高，晃電造成停車后，需要幾天甚至十幾天才能恢復正常生產，停工帶來的直接和間接經濟損失較大，并且可能帶來嚴重的安全隱患。

1 “晃電”擾動來源分析

近年來，中國電力發展步伐不斷加快，電網系統輸電電壓等級不斷提高，網絡規模不斷擴大，形成大型甚至超大型的輸配電網絡架構。此種架構型式有利于保證長期供電的穩定性，但由于輸電距離長、范圍廣、耦合性強等因素致使構架中任意一點出現故障都會造成全網擾動，這是導致電壓暫態擾動故障發生頻次不斷提高的原因之一。

電力系統的電壓暫態擾動（俗稱晃電），主要體現為3種形式：電壓暫升、電壓暫降、短時中斷。通常會持續0.5個周波至幾秒之間。統計表明，在所有電壓暫態擾動事件中，發生電壓暫降的幾率最大，約占70%；短時中斷的幾率約占25%，電壓暫升的幾率約占5%。電壓暫態擾動的發生，來源于幾個可能：相鄰的大負載啟動，系統的無功補償系統投切，系統重合閘，自然界風暴雷電惡劣天氣等等。由于工業電網處于配電網絡的末端，大量各種類型的負荷匯聚于此，任何一點發生短路、單相接地、閃絡等故障，或者經受大型負載啟動沖擊，都會導致廠內的供電電壓發生暫態擾動。由此可以理解，電壓暫態擾動不可避免，而且一直是石油化工行業的難題。

2 電網“晃電”對變頻電機的影響及原因分析

電壓波動在電力系統中是客觀存在，不可避免，特別是夏季臺風雷雨多發季節，如2010年臺風正面襲擊茂名地區，就給乙烯裝置的正常生產帶來極大的沖擊，據粗略統計“晃電”次數達10次以上，2#聚丙烯整套裝置全停，當時由變頻器驅動的切粒機也不能幸免地晃停，之后由于電網晃電該電機又出現3次跳停，切粒機屬于2#聚丙烯后段工藝的重要設備，切粒機作用是將原料切成微小的顆粒，在送料和高速切割過程中不允許停機，根據工藝車間反映，此工藝段因電壓暫降造成的單次意外停產損失如下：（1）原料報廢損失為十幾萬。（2）刀具設備損失約8萬。（3）重啟生產線需要幾個小時，停產間接損失無法估計。

該電機的額定功率、轉速、電流、電壓分別為216kW、600r/min、415A、380V，使用1臺ABB-ACS800變頻器進行驅動。不過變頻器的抗晃電能力差，主要由其運作原理或者控制原理所確定，變頻器主要會進行接通、觸發以及斷開這3項過程，若是系統由于晃電而促使電壓過低，變頻器晶閘管將會由于同步脈沖丟失或者正向電壓太低而斷開，進而促使變頻器出現電壓過低跳閘現象。所以，切粒機在出現晃電情況之時，怎樣確保其供電的穩定性，是促使裝置能夠持續生產這一目標得以實現的重要問題。

3 改造的可行性分析

3.1 切粒機原來的抗晃電措施

變頻器有整流、中間直流環節、逆變和控制4個部分，簡單說由主回路和控制電路構成，但是切粒機ABB-ACS800變頻器的控制電路的核心為1塊24V控制板，其電力能源是由源自變頻器之內直流回路的開關電源供應，若是電源電壓發生變動，就有可能會導致24V控制板電壓過低，從這一問題出發，2011年左右把變頻器的24V控制版電源更改成由UPS給予供電，不過這一做法只能夠使控制電路中存在的抗晃電問題得到處理。并且，變頻器的低電壓現象通常表示主回路之中的直流回路低電壓，也就是逆變器中流入的電壓太低，對此問題一般通過將低電壓跳閘閥值適當調節降低的方式進行處理，通過查閱ABB-ACS800變頻器的參數，得知該變頻器的中間直流電壓為540V，其內部保護參數的“低電壓跳閘定值”已設為“306V”，是540V的56%，經查看ABB變頻器說明書并咨詢廠家，此參數不可變動。此外，ACS-800這一型號的變頻器逆變器件是IGBT，當處于失壓或停電之后，能夠讓變頻器再接著工作一小段時間td，如果失壓或停電的時間to＜td，變頻器就能夠持續保持運行狀態；如果to＞td，變頻器將會出于自我保護，出現停止運行的情況。通常td大多為15～25ms，這個時間很短，相當于瞬時就跳閘，而本廠最近幾年出現的電網電源“晃電”時間通常處于100～500ms的范圍之內，并且出現晃電時電壓降低的程度可能更大，在此狀況下，變頻器即便改變了有關參數，同樣也會由于低電壓保護而跳閘，這同時也是切粒機由于晃電而受到影響的主要原因。所以，怎樣保障切粒機變頻器電源的穩定供應是處理晃電問題的切入點。

3.2 新的抗晃電設備的可行性分析

經過一系列的學習交流，對ABB公司最近幾年所推出的動態電壓調節器PCS100 AVC專門面向“電壓暫降”問題，可以保障敏感負載不會受到電壓干擾的影響，是一項能夠促使設備的抗晃電能力得到增強的新式產品。其運作原理為：AVC串聯在供電電源與受保護的負載之間，能夠實時監測輸入電源一側的電壓狀態，只要發現供電電壓與額定電壓存在偏差，AVC就能通過IGBT逆變器和注入變壓器立即輸入相對應的補償電壓，對欠壓低于標稱電源電壓90%的三相電源連續調節，對過壓不超過標稱電源電壓110%的三相電源連續調節，AVC不需要具備電池、電容等能量存儲元件，這是由于其從電網之中所吸取的額外能量用于提供電壓調整。AVC的響應能力較快、安全性強、運作耗資少、電壓暫時降低補償時間長，按照系統電網與負載的變化狀況，最終選擇30%調整式的PCS100 AVC。

4 改造的具體操作

由于AVC的額度不高，輸出電流為577A，切粒機的額定電流為451A，而日常處于正常運作狀態時，其電流大約為200A，并且還留有很多的容量，由于處于統一重要地位的負荷——2#聚丙烯擠壓系統主要設備的加料盤，它供電給擠壓線的粉料添加劑單元，有20臺小功率的電機，在其中的7臺電機所用的驅動設備為小型變頻器，13臺使用接觸器對其加以控制，會由于系統電波變動情況而產生較大分壓，在每次晃電問題發生時，都會因為電機停止工作而導致2#聚丙烯擠壓線停車的問題，在充分計算和分析之后，我們決定將2#聚丙烯擠壓配電間的切粒機變頻器和加料盤的電源采用由AVC來進行供電的方式，雖然AVC技術成熟，性能可靠，但也會發生故障，研究決定在裝設AVC配出柜之外，還應當在AVC控制柜的附近增添一個旁路柜，一旦AVC發生故障，能夠立即切換至維修旁路：當其處于正常運行狀態時QF1、QF3閉合，QF2斷開；切換帶維修旁路的流程：首先，閉合QF2，再斷開QF3、QF1。這樣便可以不對切粒機和加料盤的正常電力供應帶來影響。

5 改造后的效果

2011年5月，對2#聚丙烯裝置切粒機變頻器和加料盤進行由AVC供電的技術改造之后，使得電機的抗晃電能力得到顯著提升，在當年6月29日由于外電網線路發生故障而造成的系統電壓波動之時，切粒機、加料盤配出電機都沒有由于這一故障而出現停機，AVC事件記錄界面中顯示出下述信息：

時間：2011年6月29日16:17；

暫降持續時間：150ms；

補償前：65%（U相），70%（V相），44%（W相）；

補償后：85%（U相），85%（V相），73%（W相）。

上述信息表明，AVC獲得了較好的成效，并且也證實了一旦碰到此類晃電問題之時，若依靠變頻器“控制電路由UPS供電”和“低電壓保護”無法有效保障切粒機持續、穩定的運行。

6 結語

經過此次技術改造，2#聚丙烯擠壓系統內關鍵設備的抗晃電能力都得到了明顯的提升，這一舉措對于生產設備安全、穩定、長期使用以及長遠的經濟收益都帶來了巨大的促進作用，同時對于1#聚丙烯或是其他的一些裝置核心設備的抗晃電改進具有較佳的意義。