基于電壓耐受曲線區(qū)域劃分的可調(diào)速驅動器電壓暫降耐受能力分析

孟珺遐， 蔣利民， 丁 凱， 李 偉， 巨建勛

(1.中國電力科學研究院有限公司， 北京 100192； 2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學研究院， 武漢 430077；3.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司， 北京 102209)

電壓暫降和短時中斷事件是電力系統(tǒng)正常運行不可避免的事件[1]，隨著產(chǎn)業(yè)結構的轉型升級，各行業(yè)的高科技精密設備對電壓暫降和短時中斷非常敏感。電力系統(tǒng)內(nèi)不可避免的電壓暫降和短時中斷事件與越來越敏感的設備之間矛盾日益突出，造成設備、生產(chǎn)線和工業(yè)過程發(fā)生故障、誤動作和失效等并為社會帶來巨大的經(jīng)濟損失[2-5]。

可調(diào)速驅動器(adjustable speed drive，ASD)作為一種控制設備廣泛地存在于自動生產(chǎn)流水線中。比如，塑料生產(chǎn)流程中的注塑機、食品行業(yè)中所使用的制冷劑循環(huán)泵、玻璃生產(chǎn)過程中的自動分片機等各類由電動機驅動的裝置均采用了可調(diào)速驅動器進行控制[6]。但由于ASD易受電壓暫降的影響[7-10]，常導致所生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量不合格或者工業(yè)生產(chǎn)過程中斷，因此分析ASD在電壓暫降和短時中斷不同特征量下直流側電壓波形變化規(guī)律，揭示其電壓暫降耐受特性，具有非常重要的理論和工程實踐意義。結合ASD的輸出特性，將電壓耐受特性曲線劃分為不同區(qū)域，分析不同區(qū)域的暫降特征與ASD輸出特性之間的規(guī)律，揭示ASD對電壓暫降的響應機理十分必要。

文獻[11]通過實測研究了ASD在不同暫降類型下的響應，通過控制電壓暫降的幅值、持續(xù)時間、相位跳變等因素，來測試可調(diào)速驅動器對電壓暫降的敏感程度。文獻[12]選擇一臺0.39 kW的ASD，通過測試其在不同類型的電壓暫降下的響應，得出不同的暫降幅值、暫降持續(xù)時間都會顯著影響ASD的響應。研究表明，即使整流器在暫降的情況下完全截止，但是直流電容的存在將不會使得驅動器立刻跳閘。文章通過電壓耐受曲線(voltage tolerance curve，VTC)來刻畫暫降的敏感程度，同時表明ASD對三相暫降敏感性最高。文獻[13]通過分別測試功率在2.2～7.5 kW范圍的ASD受不同類型的電壓暫降，設定不同的低電壓保護定值，得到不同ASD的電壓耐受曲線。這些文獻均只給出ASD的電壓耐受曲線，未得到ASD所帶負載電機的運行情況，并且沒有考慮到ASD的不確定性區(qū)域，因此研究不夠完善。

本文采用實測的方法對三臺來自不同廠家的ASD的暫降耐受能力展開研究，提出一種基于VTC區(qū)域劃分的ASD電壓暫降耐受能力分析方法，并且給出了暫降過程中ASD直流側電壓、ASD輸出電流、負載電機轉矩及轉速的參數(shù)波形變化曲線，分析了源負兩側因素對ASD耐受能力的影響。

1 ASD拓撲結構及工作原理

1.1 ASD的主要拓撲結構

針對整流環(huán)節(jié)不可控的ASD，其主要拓撲結構如圖1所示。ASD主要由整流、儲能、逆變和控制四大部分組成。整流部分由二極管組成，實現(xiàn)交流電到直流電的轉換。直流部分中含有儲能電容，用于減小直流側電壓波動，有些ASD直流部分還含有平波電感，用于平滑直流側電流，以減小供電側引起的電流畸變，同時還能在一定程度上減小過電流。驅動電路的主要作用是將檢測到的電流、電壓以及轉速信號送至運算電路，運算電路根據(jù)電流、電壓以及轉速信號為逆變部分的絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)提供必要的門極驅動信號，若檢測到信號異常，驅動電路會閉鎖門極信號，為ASD以及負載電機提供必要的保護。

圖1 ASD基本結構Fig.1 The basic structure of ASD

1.2 ASD的主要保護功能

ASD內(nèi)部集成了相關的保護模塊，當檢測到ASD異常工作時，其保護常常會被觸發(fā)，導致其故障停機，由于ASD自身條件的限制，如功率器件的耐壓能力、工作溫度和電流限制等，當ASD在運行中達到或接近其允許范圍時，系統(tǒng)會發(fā)出故障或停機信號，并對ASD提供預警或停機保護。

1.2.1 欠電壓保護

由于現(xiàn)代ASD多采用矢量控制和直接轉矩控制等閉環(huán)控制方式，整流器直流側電壓只要不低于一定的閾值，逆變器就仍能保持其輸出電壓恒定不變，保證所帶負載正常工作。若ASD直流側電壓過低，逆變器的輸出電壓就不能再保持恒定值，此時將觸發(fā)ASD的欠壓保護，閉鎖控制器輸出的觸發(fā)脈沖，導致ASD故障停機。

1.2.2 過電流保護

暫降期間若沒有觸發(fā)欠電壓保護，在電壓恢復時，直流側會產(chǎn)生較大的充電電流，充電電流過大會觸發(fā)ASD的過電流保護。該值與IGBT等功率器件選型設計時的裕量有關，不同廠家、不同功率段的ASD的裕量通常不同。需要注意的是ASD本身的過流保護不同于電機的過流保護，它一般滯后于電機的過流保護，即當電機過載時會優(yōu)先觸發(fā)電機的過流保護。

2 ASD電壓暫降耐受特性測試

制定科學的測試方案，是保證研究結論科學性、普適性的關鍵。該測試方案主要包括測試平臺的設計、設備的選擇、影響因素的選擇。

2.1 測試平臺

為了保證測試數(shù)據(jù)的準確性，搭建合理的測試平臺，并將測試所得數(shù)據(jù)進行科學的運用是非常必要的。根據(jù)現(xiàn)有國際標準，以文獻[14]為參照標準，搭建了如圖2所示測試平臺，該平臺主要由暫降發(fā)生源、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、受測ASD、負載電機構成。

圖2 ASD的測試平臺Fig.2 The test platform of ASD

2.2 測試平臺中設備參數(shù)及測試的影響因素

2.2.1 暫降源與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

電壓暫降源為受測設備提供暫降信號，型號為加州儀器的可編程暫降源AMETEK MX45，具有0～400 V的單相電壓調(diào)節(jié)范圍，最大輸出功率45 kVA。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為DEWE-510，并與外部顯示器連接，監(jiān)測并記錄相關電壓、電流、轉速及力矩波形。

2.2.2 受測ASD

為了使測試結論具有代表性，本次測試選擇了中國市場上的三個主流品牌的ASD作為測試對象，具體參數(shù)見表1。

表1 受測ASDs信息Table 1 Information of the tested ASDs

ASD源側信號經(jīng)整流后對后續(xù)環(huán)節(jié)供電，其中控制回路所采集的信號一般為ASD輸出端，其主控芯片一般由整流后的直流電壓供電，因而暫降波形起始點(point-on-wave，POW)與相位跳變(phase-angle jump，PAJ)兩個特征同樣對其不存在明顯的影響，本實驗將驗證POW對ASD的影響不明顯的特點。由于ASD為三相設備，且只能工作在三相運行狀態(tài)，因而需要考慮暫降的對稱性對其產(chǎn)生的影響。為便于測試，本實驗中分別以TypeI、II以及III暫降[15]分別作為單相、兩相與三相對稱暫降時的情況來考慮。

在ASD內(nèi)部直流耦合段中存在一平波電容，該電容具有一定的儲能作用，在源端電壓降低時，電容兩端電壓無法突變，其將緩慢下降為后續(xù)負荷繼續(xù)提供電壓支撐。但該電容的放電速度卻與負荷大小有關，當后端負荷較小時，電容放電速度較慢，而當后端負荷較大時，電容電壓可能會迅速下降。因而ASD的負荷量大小對其暫降免疫力有著較大的影響，其非源端暫降特征，但同樣需要加以考慮。

因而，在本測試中，考慮的影響因素包括暫降幅值、持續(xù)時間、暫降波形起始點、暫降類型、負載率(負載電機的功率大小)對ASD耐受能力的影響。

3 測試數(shù)據(jù)處理

為了獲得ASD的不確定性區(qū)域，將測試所得3臺不同品牌ASD的數(shù)據(jù)進行極值化處理，即找出某一確定幅值下ASD的最大持續(xù)時間與最小持續(xù)時間，并將所有最大、最小持續(xù)時間分別連接起來作為ASD電壓耐受曲線的上下限值，得到一個近似矩形的不確定性區(qū)域，如圖3所示。

圖3 測試所得ASD的不確定區(qū)域Fig.3 Uncertain areas of the ASD obtained from the test

分析圖3可知，持續(xù)時間不確定范圍為33～300 ms、幅值不確定范圍為60%～75%。將測試所得電壓耐受曲線與文獻[15]中的ASD電壓耐受曲線相比較，電壓臨界值最大值減小了7%，最小值不變；時間臨界值的最小值增加了13 ms，最大值增加了218 ms，耐受曲線包絡線范圍整體上有所增加，這表明隨著技術的革新，目前市場上ASD的電壓暫降耐受能力有所提高。

4 故障分析

現(xiàn)有標準根據(jù)設備受暫降影響后的表現(xiàn)，將其后果狀態(tài)劃分為三種(正常運行、自動恢復、人工恢復)或四種(正常運行、自動恢復、人工恢復設備硬件或設備損壞不能恢復)，但沒有統(tǒng)一的標準。測試數(shù)據(jù)表明，ASD的VTC將幅值-持續(xù)時間平面劃分為正常區(qū)域、故障區(qū)域和不確定區(qū)域，如圖3所示，分析在不同區(qū)域內(nèi)，不同影響因素下ASD直流側電壓、輸出電流、電機轉速、轉矩的波形變化。

在設備正常區(qū)域，ASD直流側電壓、輸出電流、電機轉速、轉矩均正常；在設備故障區(qū)域，ASD直流側電壓、輸出電流、電機轉速、轉矩均發(fā)生不同程度的變化；在設備不確定區(qū)域，ASD的工作狀態(tài)可能故障可能正常。以臺達為例，其他品牌ASD分析類似，著重分析電壓暫降發(fā)生在故障區(qū)域時，不同影響因素下ASD各參數(shù)波形變化情況。

4.1 暫降波形起始點

為了研究波形起始點對ASD的影響，本次分析給出了在A相不同波形起始點下的電壓中斷下輸入電壓信號、ASD直流側電壓、輸出電流、負載電機轉速、轉矩的參數(shù)變化圖(簡稱“各參數(shù)變化圖”)。

4.1.1 0°波形起始點

當波形起始點為0°時，觸發(fā)ASD保護的最短電壓中斷時間為16 ms。圖4給出了電壓中斷16 ms時的波形圖。由圖4可知，0.1 s時刻發(fā)生電壓中斷，0.116 s時刻電壓恢復，但由于ASD的保護被觸發(fā)，導致其逆變器閉鎖，輸出電流為0，因此電機的轉速和轉矩持續(xù)下降，直至為0。

由于ASD前端采用不可控的二極管整流，在電壓恢復后，二極管導通，電容電壓迅速上升，需要注意的是因為直流側電感的存在，直流側電流不能突變，使得暫降恢復瞬間電感兩端存在較大電壓，并與電源電壓疊加，導致直流側電容電壓達到額定值(538 V)的112%，因此ASD在選取直流側電容時需要留有一定電壓裕量，防止電壓恢復時電容被擊穿。

圖4 波形起始點為0°時的波形圖Fig.4 The waveform of 0° POW

4.1.2 45°波形起始點

如圖5所示，當波形起始點為45°時，觸發(fā)ASD保護的最短電壓中斷時間為17 ms。可以發(fā)現(xiàn)其電壓中斷耐受時間略微延長。當A相的波形起始點為45°時，三相電壓中B相電壓最大，為電壓幅值的0.965倍，而當A相的波形起始點為0°時，三相B、C兩相電壓最大，為電壓幅值的0.866倍。電壓中斷瞬間的電容電壓初始值受三相電壓大小的影響，三相電壓最大相電壓越高，電容電壓初始值越高，因此ASD能夠耐受的電壓中斷時間也越長。

圖5 波形起始點為45°時的波形圖Fig.5 The waveform of 45° POW

4.1.3 90°波形起始點

如圖6所示，當波形起始點為90°時，觸發(fā)ASD保護的最短電壓中斷時間進一步增大到18 ms。當A相的波形起始點為90°時，A相電壓即為電壓幅值，此時ASD具有最強的耐受能力。

圖6 波形起始點為90°時的波形圖Fig.6 The waveform of 90° POW

分析圖4～圖6波形可知，無論波形起始點的大小，發(fā)生電壓中斷后，ASD的響應情況相同。當故障發(fā)生時直流側電壓快速減小，中斷結束時以極短的時間恢復電壓，但恢復后電壓幅值略高于中斷前直流側電壓幅值；輸出電流在中斷發(fā)生時開始減小，ASD集成的保護被觸發(fā)后電流減小為0 A；電機轉矩在中斷發(fā)生時開始緩慢減小，而電機轉速的響應滯后于電機轉矩，在發(fā)生電壓中斷一定事件后電機轉速才開始緩慢下降，當ASD集成的保護被觸發(fā)后兩者繼續(xù)減小，直至為0。且波形起始點對ASD的電壓暫降耐受能力并沒有顯著影響，通常僅有1～2 ms的差異。

綜合以上分析可得出結論為，波形起始點對ASD電壓暫降耐受特性的影響非常小，這是由于ASD的整流器一般由三相不可控整流二極管組成，將源側交流電變?yōu)橹绷鳎恢绷鱾群须娙荩拐髌魉敵龅碾妷焊拥钠交蚨绷鱾入妷阂蜉斎腚妷鹤兓鸬募y波很小，波形起始點發(fā)生變化時ASD耐受能力不會受到明顯的影響。

4.2 不同負載率

圖7、圖8分別為50%額定負載、100%額定負載下，暫降幅值144 V，持續(xù)時間50 ms時，各關鍵參數(shù)變化情況。

圖7 50%額定負載下的波形圖Fig.7 The waveform of 50% rated load

圖8 100%額定負載下的波形圖Fig.8 The waveform of 100% rated load

在50%額定負載、100%額定負載情況下，當暫降幅值下降到144 V時，ASD均會故障，但其能夠耐受的暫降持續(xù)時間不同。分析圖7～圖8可以發(fā)現(xiàn)，負載大小(ASD的工況)是影響ASD耐受能力的重要因素。當負載減小時，ASD耐受能力會顯著上升。負載大小會影響電容的放電時間，負載越大，電容放電速度越快，因此暫降期間直流側電壓降低到低電壓保護閾值的時間會越短，觸發(fā)低電壓保護的時間也越短。如圖8所示，在額定負載下，ASD僅能耐受16 ms的電壓中斷。如圖7所示，當負載大小減小到額定值的50%時，ASD能夠耐受的時間增大到額定值的1.7倍，ASD可以耐受27.4 ms的電壓中斷。由此可見，在相同的暫降輸入信號下，負載越大觸發(fā)低電壓保護的時間越短，ASD的電壓暫降耐受能力越差。

4.3 不同暫降類型

圖9～圖11分別為發(fā)生Type Ⅰ、Type Ⅱ、Type Ⅲ類電壓暫降時，輸入的三相電壓、直流側電壓、輸入電流、輸出電流、電機轉矩、轉速的波形變化情況。其中Type Ⅰ類電壓暫降幅值/持續(xù)時間分別為99 V/50 ms；Type Ⅱ類電壓暫降幅值/持續(xù)時間分別為143 V/50 ms；Type Ⅲ類電壓暫降幅值/持續(xù)時間分別為154 V/50 ms。

圖9 Type Ⅰ類暫降下的波形圖Fig.9 The waveform of Type Ⅰ sag

圖10 Type Ⅱ類暫降下的波形圖Fig.10 The waveform of Type Ⅱ sag

綜合分析圖9～圖11，三種類型暫降對ASD的直流側電壓都有不同程度的影響，ASD對Ⅱ類和Ⅲ類暫降較為敏感，發(fā)生Ⅱ類和Ⅲ類暫降時直流側電壓呈近似指數(shù)倍數(shù)減小，直流側電壓顯著下降，導致暫降期間低電壓保護被觸發(fā)，ASD故障停機。而Ⅰ類暫降發(fā)生時直流側電壓最大值不變，但是在發(fā)生Ⅰ類暫降時，整流器會進入單相整流狀態(tài)，導致三相輸入電流不平衡，充電脈沖升高，直流側電壓紋波顯著增大，這可能會損壞整流橋，影響系統(tǒng)運行性能。為避免整流橋長時間處于失相工作狀態(tài)而損壞整流橋，很多ASD安裝有失相保護功能。對于所測試的ASD，當電壓下降為99 V(額定值的45%)時失相保護被觸發(fā)而導致ASD停機。

5 結論

采用實測的方法對三臺不同廠家生產(chǎn)的ASD的電壓暫降耐受特性進行研究，分析了發(fā)生電壓暫降時觸發(fā)ASD的各類保護的原因。測得了不同影響因素下設備直流側電壓、輸出電流、負載電機轉矩、轉速的參數(shù)波形圖，并分析得出相關結論。

(1)波形起始點是電壓暫降的重要特征量，但ASD中不可控整流電路的存在使得波形起始點對ASD的耐受能力影響較小。

(2)ASD的暫降耐受能力受負載大小影響，負載越大，其電壓暫降耐受能力越弱。電機功率與自身轉矩、轉速正相關，故電機的負載轉矩、轉速越大，ASD電壓暫降耐受能力越弱，更容易觸發(fā)自身保護。

(3)電壓暫降類型對ASD影響較大，且ASD對三種類型暫降敏感度為Type Ⅲ>Type Ⅱ>Type Ⅰ。