變頻器防低電壓穿越的分析及裝置

趙國慶

（陜西德源府谷能源有限公司，陜西 榆林 719400）

0 引 言

國家的發展帶動了居民生活水平的提高，也進一步拓寬了我國的國家電網。在這樣的情況下，國家電網需要供電的用戶逐漸增多，供電的基本線路也愈發復雜，從而導致企業內部的變電站容易出現供電問題。防低電壓情況影響了電網的穩定運作，最為常見的就是電網晃電，而導致這一現象的原因就是變頻器出現了問題。當電壓開始下降時，變頻器會觸發保護機制，從而直接導致設備終止或是損壞，引發一系列的問題和相關事故。當事故發生時，電壓會在短時間內跌落，并且持續的時間不長。所以，為了更好地保障生產活動的順利進行，確保工藝流程的連續性，研究和分析變頻器防低壓穿越裝置很有必要，這不單單是確保企業順利發展的前提，更是杜絕隱患和提高企業生產效益的重要條件。

1 變頻器的基本概述

1.1 內容概述

變頻器是一種綜合了微電子技術和變頻技術的設備，它通過改變電源大小和頻率的方式，監測和控制電動機的電流情況，是一種主要用于電力控制的器械設備。變頻器主要是將原本的交流電變成直流電，并進行濾波和逆變（直流電轉化為交流電）。其主要由整流單元、驅動單元、濾波單元、監測單元、制動單元以及逆變單元等部分組成，依靠的是內部裝置來調整和改變電源大小，協調電壓的頻率。并且，變頻器可以根據生產電機所需電的實際要求，為電機提供合適的電源電壓，在合適電源電壓的作用下實現對電力資源的節約和保護。除此之外，變頻器在一定程度上還起到了保護作用，具有一定的保護功能，其中往往會設置專門的過壓過載保護。在我國現代化建設的關鍵時期，伴隨著工業化程度的不斷加快，變頻器作為工業生產過程中調節電壓和節約能源的存在，得以廣泛地應用，工作原理如圖1所示[1]。

圖1 變頻器工作概圖

1.2 功能概述

變頻器的功能主要集中在節能上，通過變頻節能和補償節能的方式實現。一方面，從變頻節能的方向分析，變頻器的節能與風機和水泵有著直接的聯系。在工業生產的過程中，為了確保生產的效率，作業機器和設備在設計的過程中動力驅動往往會存在富余量，一旦電機不能在滿載的情況下運行，那么多余的力就會增加功率的消耗，進而帶來能源上的浪費和損耗。在傳統的模式下，風機和水泵節能一般是通過調節擋板和閥門的方式控制風量和水量。這種方式所需要的功率較大，并且能源會集中在擋板和閥門截流的過程中。而變頻器的變頻調節可以在流量減少的情況下通過降低風機水泵轉速的方式進行調節，具有著節能環保的作用。另一方面，從補償節能的方向分析，在工業生產的過程中，無功功率的出現不僅損耗了能源，而且還會加劇線損情況，導致設備發熱[2]。這主要是因為生產功率的降低使得電網供給的有功功率降低，產生了大量的無功電能，并且在運輸線路中被消耗，從而導致電能設備的使用程度不夠，使用效率偏低，浪費情況極為嚴重。而在使用變頻器變頻調節后，內部的濾波單元擁有電容的作用，減少和控制了無功損耗，提高了電網的有功功率[3]。

2 變頻器防低電壓穿越電源的簡單概述

2.1 電源裝置的構成分析

對于變頻器而言，變頻器防低電壓穿越電源的裝置構成主要是防低電壓穿越電能源拓撲。這種設備的主要輸出功率與系統的交流電源和直流電源有關，主功率的輸出情況同樣如此。其中，直流電源又被稱為保安電源，電源的輸入可以選擇，交流電源又被稱作交流三相電源，通常是分為兩路為變頻裝置進行實時供電。一路是交流供電的通用道路，可以通過原本就存在的送電線路進行輸入輸出，或者通過設置專門的旁路開關將三相交流電輸入變頻器之中。另一路則是與直流電流有關，三相交流電可以手動斷路。通過這種方式將電送入到二極管中，在經由電控開關的控制將直流電進行儲存[4]。同時，由于升壓斬波電流的存在，使得直流電在儲存的過程中更有效率，電壓的基本等級更高，而且在二極管防范回路和熔斷器的作用下，變頻器的直流送電效果更好。電動開關和電阻組成了充電回路，在充電完成后進行閉合，進而實現了裝置的平穩充電和穩定輸電。直流電源的輸入可以選擇，所以直流保安電源可以并聯在直流母線的地方。究其原因主要是因為，連接在母線處的直流保安電源在系統電壓降低到20%以下時可以為回路供電，進而確保裝置的全面供電，并且能夠在整體的電壓范圍內進行。在現場的設立和改造中，變頻器防低電壓穿越電源可以連在三相電源與變頻器之間，變頻器無需作出改動，利用原有的電纜即可，也無需新增線路。

2.2 電源裝置的工作原理分析

對于變頻器防低電壓穿越裝置而言，其控制的重點和主要內容是當系統電壓大幅度跌落時，確保變頻器能夠正常運行，電機的功率和轉速不變。而其工作原理主要可以從以下方面展開具體分析。

在掛網運行的過程中，要確保斷路器的電動開關閉合。對于正常的系統電壓而言，電力能通過送電回路輸入到變頻器端口中，裝置內的基本元器件都不會直接參與裝置的運行過程中，而處在旁路的狀態下。低電壓現象由系統電壓降低導致，系統電壓的降低導致直流電壓的降低，裝置內部的控制系統和檢測系統會檢測到電壓開始降低，并根據電壓降低的基本趨勢控制電感和斬波升壓回路，確保它們的順利運行。通過這種方式，在三相電壓跌落的過程中提高直流電壓，維持變頻器的基本輸出功率，確保電機的轉速不會低于原有的電壓水平和頻率。并且，在這樣的情況下，系統電壓降低結束恢復正常后，變頻器的基本供電也是由三相交流電的回路提供的。裝置中的通道切換則是由電子器件完成，切換的動作流暢，所需的時間少，可以做到無縫隙切換，不會影響變頻器的穩定運行，也不會終止變頻器的基本運行[5]。

2.3 電源特點分析

2.3.1 更加地安全和可靠

變頻器的防低電壓穿越電源保留了原有的送電線路，旁路開關也協調旁路電力，在正常的系統電壓下，確保裝置與旁路模式的相互協調。變頻器也在電力系統直接供電的情況下將一些基本的變換模塊變成休眠狀態，不直接參與裝置的具體運行。通過這種方式極大地降低了電力元件維護和使用的時間，進而在提高工作效率的同時，降低故障發生的頻率。

2.3.2 更加地高效和有效

防低壓穿越電源裝置可以定時地進行自我診斷，通過自我診修的方式減少維護的時間。一些裝置還會采用維護的設計方案，在使用的過程中無需人工操作，也不需要進行定期維護。在這樣的裝置繼承下，定期自檢能夠發現絕大部分的問題，并在發現問題后通過故障診斷的方式進行自我維修和記錄。通常來說，自我故障診斷的結果傳輸到后臺的系統之中，并經由后臺管理系統進行故障的記錄與統計。

2.3.3 更長的使用壽命

以第五代IGBT為例，其耐受程度已經達到了150 ℃以上，整機的可以在-20～550 ℃的溫度范圍內運行，長時間使用在惡劣的環境中。

2.3.4 更容易操作的產品

防低電壓穿越裝置的接線方式簡單，并且可操作性強。一般來說，其基本配置包括交流電纜、直流電纜以及硬接端口。在這些器件的作用下，可以通過結合現場的行為，拓展與后臺的連接方式，以CAN網、以太網等方式與后臺直接相連[6]。

3 變頻器的低壓分析

前文已經提到了變頻器的組成和工作原理，簡單概括就是將原本頻率固定的交流電變成直流電，再將直流電轉換為交流電，通過這種轉換的方式來維持供電的基本工作。當因外部原因引發低電壓情況發生時，原本的供電系統出現問題，變頻器控制并保護單元。而當變頻器低電壓時，變頻器保護單元會停止運行，造成變頻器停機的原因主要可以從以下兩個方面展開研究。

一方面，在正常的情況下，MM440系列的變頻器電壓有效值在395 V左右。當整流單元的直流單元達到490 V，并且輸入電壓的波動范圍在10%上下波動時，變頻器可以正常有效地運行。但是，若是電壓的波動幅度超過了理論值，并且長時間超過的話，那么持續一定時間的波動就會引發變頻器的保護裝置，進而觸發防低電壓保護。通常來說，導致這一現象的原因有內部變壓器問題、供電線路故障問題以及外部的雷擊等。另一方面，當電負荷出現變化時，一些大功率的設備會直接啟動，線路也會出現過載等現象。在這個時候，電壓也會大幅度降低，進而導致變頻器保護機制開始作業，出現防低電壓保護[7]。

4 變頻器防低壓穿越裝置的研究

防低壓穿越產生的原因主要是控制回路失電導致的，有時也會因為變頻器直流回路的保護機制引起。變頻器本身的特性決定了其容易出現過壓、欠壓、過流以及短路保護等現象。當電壓低于防低電壓保護值時就會導致變頻器的停機，而防低電壓穿越的時間不會持續很長，再加上晃電現象的影響，研制變頻器的防低電壓穿越裝置很有必要。

4.1 從性能方面展開研究

防低電壓穿越裝置較為先進，利用現代化的直流變化和通信控制技術，解決因變頻器故障或是保護機制下的防低電壓跳閘問題。這種裝置的安全性高、實用性好、可靠性突出并且適用性強，能夠經受住絕大部分的考察和論證。并且，低電壓穿越裝置能夠有效地防止火災隱患，一些電力上的故障和累積現象也能及時地進行止損。在關鍵器件的配置下，能夠提高無故障時間，減少修復器件的時間，具有著可操作性高、可擴展性強且交互性良好的特點。通過實驗研究表明，防低電壓穿越裝置能夠滿足企業的需求，契合企業生產的基本要求[8]。

4.2 從技術方面展開研究

防低電壓穿越裝置的組成主要由顯示模塊、防低電壓穿越模塊、監控模塊、保護模塊、直流配電回路、儲能系統、柜體以及分析儀等構成。顯示模塊主要作用是電壓的反饋，監控模塊的主要功能是監測，實時監控充電系統的基本情況、電池的相關情況以及低電壓穿越的具體實踐情況等，進而為系統的運行提供參考和指示。配電回路在線實時控制電能的質量，維系電能的安全運輸和電機的平穩運行，主要作用集中在保護和隔離上。分析儀模塊的主要功能是監測電網的特殊情況，實時監控電壓的升降、中斷以及諧波等問題，并且能夠精確地定位電源發生故障點，通過測試的方式找尋故障的起點，并在預測的基礎上防止問題的擴大，及時進行止損，同時實時監測電能的相關質量，準確評估電機的運行情況。在屏幕顯示模塊的作用下，可以及時有效地獲取第一時間的具體情況，并做好問題的記錄，進而為后續診斷故障奠定基礎。

4.3 從原理方面展開研究

防低壓穿越裝置的設計前提是明確裝置原理，交流電通過充電的方式向電池充電，電池組是通過巡檢儀對內部進行維修和檢測。與此同時，電池組會向VSP模塊供電，在信號采集的情況下，通過主監控指令的方式給單元供電，這也是防低電壓穿越裝置的基本設計原理[9]。

4.4 從設計方面展開研究

在確定工作原理之后，穿越裝置與變頻器要進行連接設計。選擇變頻器的正常工作狀態，切斷三相交流的電源，切換成蓄電池式的直流供電。并且要保障在規定的時間內持續性運行電機，變頻機的頻率和電機轉速要保持不變。此外要接入三相交流電能源，讓變頻器和電機處于繼續工作的狀態。在交流電電壓正常的情況下，變頻器的電壓、輸入輸出電壓以及母線和電源電壓均保持正常，變頻器也會正常運轉，防低電壓穿越裝置處在備用的狀態下。而當電壓出現防低電壓穿越時，變頻器的電壓就會出現異常，整體出現欠電壓的現象。在這種狀態下，防低電壓穿越裝置自動運行，并在運行時保障各模塊電壓的正常工作。在變頻器的作用下，電壓恢復正常，防低電壓穿越裝置退出，變頻器正常供電，設備正常運轉[10]。低電壓穿越裝置工作流程如圖2所示。

圖2 低電壓穿越裝置工作流程

5 結 論

對于電網的運轉和企業的生產活動而言，設置和分析防低電壓穿越裝置很有必要，具有較高的價值和意義。因此，在實際的企業生產活動中，相關人員和相應部門應重視低電壓的控制，重視防低電壓穿越裝置的分析和研究，并在了解防低電壓基本情況、工作原理以及工作要求的基礎上，通過合理分析與精準定位的方式，找尋防低電壓穿越裝置設置的最優解，為企業的穩定運行和國家電力事業的發展提供行之有效的道路。