變頻器瞬停再啟動功能配置分析

杜聞捷

上海申能臨港燃機發電有限公司

0 引言

變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。大型電動機在變頻運行方式下具有節能效果明顯、啟動平滑穩定等特點，同時還配置了不同的功能供用戶選擇，因而在電力、石化等不同的工業領域得到廣泛的應用[1]。其中，變頻器瞬停再啟動功能可以在輸入電源電壓暫降時，變頻器停止輸出，當電源電壓恢復正常時，變頻器將重新啟動，根據負載的不同，停電再啟動時間一般要求在3~10 s之間，防止電網電壓暫降引起的生產停頓。

1 變頻器調速的基本原理及控制方式簡介

電動機的轉子是依靠電磁感應而得到能量的，把能量從定子繞組傳遞給轉子的是主磁通φm，而主磁通φm在電路中通過反電動勢E來體現，在額定電源頻率時，定子繞組的反電動勢E的大小是和電源頻率f與磁通φm的乘積成正比。而變頻器調速的基本原理就是通過改變旋轉磁場的轉速，實現對電動機轉速的調整。根據電動機轉速與電源頻率的關系，改變電源頻率f，就能改變電動機的轉速n。

在調速的過程中，若電源電壓V保持不變，則磁通φm與電源頻率f成反比，當電源頻率f改變，就會導致磁通φm的減小或增大，當產生低勵磁（弱勵磁）現象時，引起電動機轉矩不足；當產生過勵磁或者勵磁飽和時，鐵耗急劇增加使電機發熱，甚至可能燒壞電機。因此調速過程中保持磁通φm不變，就要保證變頻器的輸出電壓和輸出頻率成正比關系即V/f比值為定值，它是變頻器調速的最基本控制方式[2]。

變頻器調速的控制方法除了恒壓頻比控制還有矢量控制，直接轉矩控制等。恒壓頻比控制結構簡單、成本低、控制方便，廣泛應用于各種生產場合，其他控制方法雖然調速性能高，但結構復雜、成本高、控制也復雜。通常V/f變化過程是一條曲線（一般為直線居多，其比值通常以工頻為基準），對應不同場合的V/f曲線也是有差異的，這個曲線的設置根據變頻器驅動的負載性質來設定，從而改善變頻器的頻率—扭矩特性，以滿足配套設備的需求[3]。

2 電動機的機械特性

工頻電動機的機械特性（即電動機的轉速與電動機的轉矩關系）如圖1所示：當電動機工頻啟動后，其電動機的轉矩隨著轉速先上升再下降，A點為電動機啟動轉矩點，B點為電動機最大轉矩點，C點為額定轉矩點即電動機額定轉速點。變頻電動機的機械特性（控制方式為恒壓頻比）是每一個頻率點對應一條像圖1形狀的曲線，用Simulink軟件對電動機幾個頻率段的啟動過程進行仿真如圖2b、2c所示，由于扭矩振蕩的原因，在電動機低速時其機械轉矩是振蕩的[4]，經過數據處理之后可以得到圖2a系列曲線簇[5]。

圖1 工頻電動機的機械特性曲線

圖2b 電動機在30 Hz及45 Hz啟動的機械特性曲線

需要注意的是圖2a中各個不同頻率段的電動機機械特性曲線，其電壓與頻率的比值是定值，可以看到隨著頻率的降低，其啟動轉矩及最大轉矩也在降低，這主要因為電動機在低頻運行時，定子壓降不能忽略，故V/f的比值偏小，導致此時的磁通也偏小最終使轉矩降低，為了能使磁通得到補充，必須采取適當補償定子電壓的方式，來抵消阻抗壓降份額的影響，這稱之為轉矩提升法，如圖3所示，經過補償之后的變頻電動機機械特性曲線在低頻時可以得到轉矩的提升。

圖2a 變頻電動機的機械特性曲線

圖3 補償定子電壓V/f曲線

圖2c 電動機在35 Hz、40 Hz、45 Hz及50 Hz啟動的機械特性曲線

電動機變頻啟動的過程如圖4所示，變頻器輸出頻率逐步升至設定頻率的過程中，當A點頻率對應的啟動轉矩大于負載轉矩時（圖中為恒轉矩負載），電動機就開始啟動升速，到達K點時其機械轉矩與負載轉矩相等，電動機轉速不再增加達到平衡。隨后輸出頻率再增加（輸出電壓隨頻率也增加），于是K點移動到L點，電動機轉速上升，當到達M點時，電動機再次達到平衡轉速不再增加，以此類推，電動機就沿著圖中折線MNOPQR，最后穩定運行于所設定頻率線上的S點。當然電動機啟動過程也可以不經過這些平衡點，即機械轉矩始終大于負載轉矩讓電動機一直處于升速的過程，直到S點達到設定頻率的平衡。當負載為恒轉矩負載時，其特點是各個穩定點為恒轉矩的，只有在升速或者降速的過程中轉矩是變動的；當負載為風機水泵類負載時，其負載轉矩與電動機轉速的平方成正比，所以電動機轉速升高，其機械轉矩也是上升的，這可以從變頻器輸出電流的大小來判斷。

圖4 電動機變頻啟動的過程

3 變頻器瞬停再啟動功能簡介及失敗案例分析

3.1 變頻器瞬停再啟動功能

如今大多數變頻器都具備瞬停再啟動功能，當變頻器輸入電源電壓暫降時，變頻器將停止輸出(與變頻器功能及設置有關，本文只討論瞬時失電不輸出)，當電源電壓恢復正常時，變頻器將重新啟動，根據負載的不同，停電再啟動時間一般要求在3~10 s之間（與變頻器設置有關），該功能作為標準配置提供給用戶，防止電網電壓暫降引起的生產停頓[6]。

需要注意變頻器瞬停再啟動與變頻器正常啟動的區別，前者的啟動方式特點為：當變頻器瞬時失電不再輸出時，電動機仍處于轉動的狀態，其轉速是隨機的，當變頻器重新啟動時，其輸出的頻率必須與當前電動機轉速相近，若輸出頻率遠大于電動機轉速則變頻器過流而跳閘，若輸出頻率遠小于電動機轉速則變頻器因電容電壓過高而跳閘。對于無速度傳感器的恒V/f控制方式可采取輸入恒定電流的V/f曲線電壓比較法、直流母線最小電流法、基于定子轉矩電流矢量的轉速估算法等來確定電動機的轉速，從而輸出與當前轉速相近的頻率電壓。

3.2 變頻器瞬停再啟動失敗案例分析

某日電網電壓波動，運行人員監盤發現循環水母管壓力低報警，但畫面上2號、4號循泵處于運行狀態，其中2號循泵的變頻器輸出頻率、輸出電壓基本為零，2號循泵出口蝶閥為開啟狀態，而4號循泵各運行參數均正常，初判2號循泵異常運行導致循環水母管壓力低。此時為了保證兩臺運行機組的循環水供應，立刻手動投運1號循泵，同時關閉2號循泵出口蝶閥，停運2號循泵，防止循環水從2號循泵出口蝶閥倒流，由1號、4號循泵來維持循環水系統母管的壓力。

以下為2號循泵異常運行的數據調查及分析：當2號循泵變頻器收到瞬時失電報警信號時，從圖5中可看到變頻器的輸出電壓、頻率、電流基本為0〔這里的頻率是指變頻器的輸出頻率，不是電動機的頻率（轉速）反饋〕，此時由于2號循泵出口蝶閥處于開啟狀態，循環水會經過此閥門倒流回循泵致使循環水母管壓力降低且使循泵的轉速快速下降甚至倒轉。經過10 s左右（電網電壓已在0.1 s內恢復正常），變頻器將重新啟動，輸出電流在200 A左右，但輸出電壓及輸出頻率基本無數值，此過程維持了6 s左右，直到變頻器輸出電流為0 A。

圖5 2號循泵變頻器瞬停再啟動電源輸出曲線

循泵正常啟動的過程是這樣的（如圖6所示）：變頻器接收到指令先進行充電，充電完成之后，輸出電壓隨著輸出頻率增加而升高，當頻率達到25 Hz時，循泵出口蝶閥以一定速率開啟直至開足，變頻器輸出電流隨著頻率的增加而慢慢變大。表1是各個頻率階段變頻器輸出電壓的數值及它們的比值，可以看出V/f比值基本維持為定值，低頻階段偏低。

圖6 循泵正常啟動時變頻器電源輸出曲線

表1 循泵正常啟動時變頻器輸出電壓、頻率數值

當日1號機閉冷泵變頻器也收到瞬時失電報警信號，從圖7中可以看到變頻器的輸出電壓及頻率跌落幅度較大，輸出電流基本為0，經過5 s左右（電網電壓已在0.1 s內恢復正常）變頻器將重新啟動，輸出電壓隨著輸出頻率的增加而慢慢升高，輸出電流隨著頻率的增加也慢慢變大。

圖7 1號閉冷泵變頻器瞬停再啟動電源輸出曲線

綜上所述，當日的電網電壓波動影響了電廠部分變頻設備，其中2號循泵變頻器瞬停再啟動失敗，1號閉冷泵變頻器瞬停再啟動成功，其主要原因如下：當2號循泵變頻器瞬時失電，便不再輸出電壓、頻率及電流，但不會觸發跳泵（2號循泵高壓側6 kV開關分閘），電網電壓一旦恢復正常時，變頻器會在幾秒內（瞬停再啟動時間與變頻器的設置有關）重新啟動。由圖5可以看出重新啟動后的變頻器輸出電流能保持一定數值，但輸出電壓及輸出頻率基本沒有數值，電機啟動失敗；數秒后，變頻器再次重新啟動，但仍然失敗。由于循泵的出口蝶閥開關邏輯與循泵的停運信號有關，變頻器瞬時失電不會觸發跳泵，所以循泵出口蝶閥也不會自動關閉（只有在循泵正常停運，保護動作以及啟動程序超時才會自動關閉循泵出口蝶閥），這就導致循環水從蝶閥倒流，循泵會立刻從當前轉速下降甚至倒轉，當變頻器重新啟動后，由于循泵低頻時的轉矩（定子壓降不能忽略，此時的磁通偏小，轉矩也偏低）遠小于此時的負載轉矩，所以循泵無法正常啟動。循泵正常的變頻啟動是變頻器輸出頻率在25 Hz之前，循泵出口蝶閥是關閉的，循環水母管雖然有壓但不會倒流回至循泵，所以此時的機械轉矩是大于負載轉矩的，循泵很容易轉動起來。而閉冷泵變頻器瞬停再啟動成功是因為閉冷泵出口有逆止門，當閉冷水母管壓力低時，聯鎖啟動工頻泵，變頻泵出口逆止門回座，此時由工頻泵維持母管壓力，當變頻器重新啟動時，其機械轉矩是大于負載轉矩的，所以電動機很容易轉動起來，最終恢復到正常運行狀態。

4 采取措施及建議

對于此次電網電壓波動導致2號循泵瞬停再啟動失敗的案例分析可以得出，若要循泵再啟動成功可以通過以下兩種方式：

1)縮短變頻器瞬停再啟動時間。電網電壓波動往往是短暫的，但不排除特殊情況，如果不修改循泵出口蝶閥邏輯即當變頻器瞬停時仍處于開啟狀態，縮短再啟動時間可以讓循泵轉速未跌落太多重新轉動起來即再啟動成功，但這需要試驗來論證，其關鍵點在于再啟動時間的設置以及當前循環水系統運行的狀態。

2)修改循泵出口蝶閥相關邏輯。不更改再啟動時間，循泵有可能因循環水倒流而導致電動機停止轉動或者倒轉，如需再啟動成功必須先將循泵出口蝶閥關閉，但原邏輯中循泵出口蝶閥只有在循泵正常停運，保護動作以及啟動程序超時才會自動關閉循泵出口蝶閥，為能再啟動成功必須修改此邏輯及相關設備邏輯，這也需要試驗來論證。

針對上述兩種方式的復雜性及不可靠性，經相關部門討論，增設當循泵變頻器在低電壓時，延時0.5 s觸發跳泵（2號循泵高壓側6 kV開關分閘）的保護，這樣既可以聯鎖啟動工頻備用泵，又可以使因保護動作的循泵其出口蝶閥自動關閉。當然也可采取不選用循泵變頻器瞬停再啟動功能，即當發生電網電壓波動導致變頻器瞬時失電時重故障直接跳泵。

5 結語

針對不同的設備及運行方式來說，要根據實際情況來選擇變頻器的配置功能，雖然變頻器瞬停再啟動功能能夠使設備盡快地重新運行起來，避免了復位操作，保證整個系統的連續運行，但要考慮再啟動時的負載轉矩以及低頻時電動機的機械轉矩，防止電動機再啟動失敗。