電網電壓波動對變頻器的危害及其解決研究

劉文，朱友林

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0 引言

在現階段工業生產中變頻器具有重要作用。變頻器由于被廣泛應用，很多外界因素都能對其造成損傷，而電網電壓波動是變頻器出現短路等現象的重要影響因素之一。因此，相關人員需要對此予以重視，并對其不斷完善，從而促進工業生產穩定發展。

1 電壓波動的種類以及對變頻器產生的危害

在當前的工作環境中，相關人員需要保證工作質量，并對功率設備峰值實行控制，但由于外界因素的影響，會導致設備控制峰值較低。當出現大容量負荷或者電容組斷開的情況時，將會導致欠電壓現象的出現。在工業發展過程中，若要提升變頻器工作質量，相關技術人員需要結合實際工作內容，將整體工作線路與工頻交流電轉化為直流電；逆變電路則是將各種直流電調節為交流電。變頻調速的相關設備在既定的工作環境要求下，會以交流到直流、再到交流的負載方式變化。而過電壓就會對電機造成相當直接的壓力變化，使電磁通量結果受到沖擊。由于電流逐漸的上升，導致電器本體的工作溫度也慢慢上升，對電器本身體會造成一定的傷害，在這個形式的情況下直流電路會出現電流增加的現象。另外，還會直接降低電機的電流輸出效果，降低電機的運行效率，也很容易導致電機的使用壽命降低，甚至直接導致電容器的工作效果受到損害。在較為極端條件下，也容易造成變頻器的電源系統無法正常運行，導致其電流輸出的效率出現降低趨勢，也會導致電機的系統運行效果較差，電源系統也無法順利關閉[1]。

2 電網電壓不同波動對變頻器的影響

2.1 電網電壓升高對變頻器的影響

一般的逆變器電路的基本構成是整流電路和逆變器電路，整流電路是電源頻率交流整流器。逆變器電路利用可調頻率和電壓將交流電反轉到直流。頻率轉換速度調整設備通常采用ACAC-AC電壓模式。逆變器過電壓一般指的是中間DC電路過電壓，其危害主要包括以下三點：①柵極電壓的上升增加了電機電路的磁通量，這容易引起磁電路的飽和，增加了勵磁電流，引起過多的溫度上升；②柵極電壓的上升使中間DC電路電壓上升。而且，逆變器的輸出電壓脈沖振幅過大，對電機的絕緣壽命有很大影響；③對中間的DC電路的過濾器·電容壽命帶來大的影響，連電容器也使之破裂。變頻器在生產時候會讓其具備能夠承擔一定過量電壓的功能，在電網電壓升高的量不超過其承受能力時，變頻器依然能夠正常運作，但是如果電壓升高的量超過設備的承受能力，就會使得部分變頻器運轉出現異常，嚴重時將使設備遭到損傷。當電網受到雷擊或者發生振動時，若供電系統的防雷接地措施不到位或者接觸不良將會導致電網電壓急速上升，從而導致設備被損壞。當前許多低壓供配電系統沒有安裝過電壓保護措施，所以為保證低壓供配電設備能夠正常運行，相關人員也應當給其安裝浪涌電壓吸收裝置和過電壓吸收裝置等保護措施。

2.2 電網電壓降低對變頻器的影響

頻率轉換器包括許多功率器件，例如IGBT、GTO、IGCT。一般這種功率設備具有一定的過載范圍。一旦網格過電壓的范圍小且時間較短，則會對功率設備的基本操作造成干擾。而一旦網格壓力降低幅度過大的情況，并且持續較長一段時間，逆變器的電源將不再振蕩，控制其電源的輸出功率就會停止，或功率也會隨之降低，從而造成逆變器控制功能失效，甚至無法斷開供電設備，對逆變器產生損害。當電網壓力下降到一定幅度以后，一些設備的輸出也會迅速降低，同時還會干擾到整個生產過程的正常運轉。變頻器將會因為電壓供給不足而使其在運轉中得不到有效的降溫，自身溫度急速上升，從而促使變頻器的穩定運作受到影響，甚至會使得設備會因過熱而損壞。由于現階段變頻器的電源幾乎都是使用開關電源實行控制，在電網電壓下降程度較低的時候，會增加開關電源的調節難度，但控制系統還可以順利運轉，功率設備能夠關閉。在電網電壓下降較多的時候，主回路電流將急速增加，增大功率器件承受的負荷，讓其機體溫度急速上升。控制電源的輸出功率會隨電網電壓下降急速降低甚至停止輸出，從而使系統出現混亂的情況，功率電器無法關斷，從而損害變頻裝置[2

]。

對于控制電源采取自主控制回路中直流電壓變化的變頻器而言，由于直流電路具有很大的電容，當電網電壓下降的時候，由于直流回路的電流變化仍然可以維持在很長的正常電流范圍，讓這種變頻器的主控電源仍然可以得到很充足的電流，變頻器的正常運轉也就暫時沒有受影響，因為這樣變頻器對于電網波動具有很大的抵抗功能。但是，對于主控電源來自于交流供電路的變頻器來說，當電網電壓下降的時候，變頻器對電網震蕩抵抗功能逐漸減弱，便會導致其主控電源的電流幅值迅速降低，從而影響到變頻器的正常運行。綜合以上提到的兩個變頻器，由于開關電源的運作所涉及范圍相當廣泛，而且控制開關電源的電流通常都會有所剩余，所以在電網電壓下降不多和持續時間較短的時候，能保持穩定電壓。但是如若電網電壓下降幅度過大或者時間太久，開關電源將無法保持穩定電壓供給[3]。

3 解決變頻器抗電壓波動能力的措施

3.1 過電壓故障解決措施

為了解決網格過電壓對頻率變換器的影響，在頻率變換器中間的DC電路中有效且及時地處理過多的能量，必須同時避免或降低面向頻率變換器的中間DC電路過多的電能供應，由電力網所產生的過電壓必須在一個允許值以內。在具體工作的基礎上，有關裝置管理者也需要對整個裝置主體進行優化操作。在當前工作狀況下，由于受外界條件的影響，過電壓設備往往會遭受電網沖擊、雷電、補償電容器在合閘后運行環境下斷裂等的影響，并由此產生諸多風險因素。為實現最好的防范效應，其相關管理人員不僅需要對不同裝置進行系統分析，同時也要對裝置所在區域的實際工作狀況予以記錄。而想要達到最佳的使用效率，就必須改善設備兩端之間的電壓，以滿足其電壓標準范圍，從而有效地減少和避免各種隱患問題的產生[4]。

（1）調整頻率轉換器的設置參數，降低電源電壓是當前有效預防過電壓的手段之一。在現階段工業生產過程中，若要提高系統內部的控制管理，就需要專業工作人員對電壓波動進行有效分析，并對其中變頻器的管理措施予以研究，在應用相關技術的同時也要對變頻器本身的特點進行研究。在中間系統運行中，電壓本身的強度會受到直流回路產生的影響。另外，在設定頻率變換器減速時間參數的情況下，中間電路設定為標準電壓的狀態。為避免負載電量釋放過快，尤其對具有由頻率轉換器所控制的大負荷設備而言，持續時間不會太短。為防止變頻器在過電壓發生的有限時間里出現故障，相關人員需要考慮實際工業生產情況，并設置高效變壓開關裝置以及設定反相器失速的自我調整功能，設定頻率變換器的頻率數值，或使頻率減速來降低控制裝置的速度，從而保證變頻器本身的工作能力和成效得以提升，以此確保工作質量能夠得到保障[5]。

（2）調節放電電阻。在當前工業生產過程中，為減少因為外界因素所導致的設施損壞現象，在展開工作中，要求相關管理人員應加強并聯電阻的配置管理，并且最大程度完善管理方式，從而為整個儲能元件結構主體構建一個相對穩定的工作環境，以達到保證整個電路系統工作品質的目的，促使電路系統穩定運行。放電電阻是在能量存儲元件兩端并聯的電阻器，能夠為設備提供能量存儲元件的能量消耗路徑，并保證電路安全。在現階段工業生產中，低功率變頻器一般在其設備內部中間的DC電路中使用控制裝置和放電電阻來控制，為高功率逆變器向中間DC電路提供用于釋放過剩的能量。因此，為防止過電壓溢出造成不必要的損害，相關人員需要根據其標準要求增大放電電阻[6]。一般使用的頻率轉換器的電源側是能夠控制的整流橋，其特征是高電源電壓，產生中間直流電路的電壓也增加。例如，當電源電壓為380V時，頻率轉換器的直流電路電壓為537V。在轉換器的位置接近變壓器的情況下，輸入電壓通常為400V以上，成為中間DC電路的過大電壓。因此，如果條件成立，則可以使用變壓器的抽頭機通過低電壓齒輪的配置來降低電源電壓，從而提高頻率轉換器的過電壓能力。

（3）添加反相器電路，反相器電路的基本功能是在控制電路下降，其中間DC電路中DC功率輸出可通過任意調整的頻率與電壓轉換為AC電源。通過在逆變器輸入側追加逆變器電路，從而可以將逆變器的直流電路中剩余能量及時返回到網格里。但其成本高，并且技術要求復雜。在當前工業發展中，逆變電路的日常工作主要是能夠優化控制電路自身的工作效果，通過分析其中間直流電路的調節作用，促使變頻器正常工作更加便利，并滿足交流電源的基礎要求。此外，還要在變頻器輸入基礎上，將整個變頻器中直流回路并入電網中。但是，這種方式的成本較高，對于技術的要求也會更復雜[7]。

（4）對中間電路施加適當的電容。想要實現最佳的工作效率，在設計中間直流電路的基礎上，相關人員就需要設定合理的電容器，還需要根據變頻器的容量構成和中間直流電路的具體工作效果，對電流狀態、電壓等做出預測分析，通過這些方法才能實現最佳的工作效率，從而使得工作環境中的電流質量以及中間電路承載力都既能夠保障后期的各種管理工作高效實施，又可以避免由于過電壓所造成的設備損傷問題。而通過對頻率轉換器的電容和中間電路的電流狀態和電壓預測，就可以直接把相應的電容器施加在中間電網中，這能夠使電路電壓穩定化，提高承受過電壓電路的能力。在設計階段，相關人員可以選擇更大容量的頻率轉換器來有效地防止過電壓的影響[8]。

3.2 欠電壓

安裝電源用UPS（無停電電源裝置）。當正常交流電源被切斷時，來自電池的DC輸出被轉換成連續的AC電源裝置。逆變器在使用或由UPS直接供電時，為避免逆變器過電壓的觸發，可充分利用“電壓損失”和不間斷電源的特點。因此，如果由于電源突然失去電壓而迅速切斷，不間斷電源會立即通過逆變器直接轉換為給頻率轉換器供電，從而保證頻率轉換器的正常運行。同時保護頻率轉換器的軟和硬件設備免遭損壞，保證逆變器控制器的安全運行。而常見的低壓變頻器，大多屬于從交流到直流再到交流的變頻器，為保護電機，在母線電流相對較小的狀態下，由于變頻器自身的運行效率也相對較小，因此無法高效進行整個系統的保護工作。另外，在變頻器運行過程中，相應的母線系統也要對其加以維護，在工作基礎上，若是在具體測量的過程中，測量的結果低于一個固定的數值，變頻器本身就會出現多種故障。現階段，大多數變頻器工作過程中，都會因為受到外部環境的影響或是其他方面的沖擊，導致變頻器的工作質量較低。另外，也因為變頻器中的功率零件工作時間較短，電源電壓通常都會受直接沖擊的影響，而形成調停的情況。為合理地防止此類現象的產生，可根據有關規定，對由變頻器所控制的設備時限加以延長，以減輕降壓后對變頻器設備所產生的直接沖擊。在一般的工作循環下，供電如果發生電壓降低或者瞬間中斷等現象，就會直接產生系統內部的能量變化，必須采用逆變換的方法給變頻器繼續供電，以確保變頻器維持正常的工作，同時又能有效地維護變頻器相關設備沒有遭到破壞，以保證變頻器控制裝置的平穩有序運轉。在具體工作中，相關人員若是采用新型技術控制器設備，就必須注意降低系統響應速度，以有效進行對技術設備的調整與分析，加快設備綜合管理，減少失壓對設備的沖擊和影響[9]。

相關人員可以在低壓一側集中添加上浪涌電壓吸收裝置，在現在的許多市場中都能夠采購到裝配在低壓設備上的浪涌電壓吸收裝置。根據供電傳輸設備對電網負載降低范圍，合理的調整欠電流整定值。在選用電機類型的同時，必須考慮其電機的驅動電源是采用外部電源和中間直流的聯合電源，采用PWM整流器進行供電。針對幾個核心的關鍵變頻器，對這些功率設備的主控制回路電源和控制電源選擇一個較小的關鍵設備和監控電源的新產品UPS，這些新產品也逐漸在各個企業都有所應用，而且效果很好。針對幾個比較關鍵的重要裝置，可通過動態電流補償裝置來對幾個短時間內電流變化的裝置實現有效的電流補償，進而保護這些重要設備在短時間內依然能夠進行正常運作，維持生產線，讓廠商的損失盡量降低[10]。

4 結語

綜上所述，在工業生產過程中，相關人員需要根據電網電壓波動對變頻器的影響予以分析，并通過采取科學有效的措施對其不斷完善，從而促進工業穩定發展。