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(fā)展帶動(dòng)了居民生活水平的提高，也進(jìn)一步拓寬了我國的國家電網(wǎng)。在這樣的情況下，國家電網(wǎng)需要供電的用戶逐漸增多，供電的基本線路也愈發(fā)復(fù)雜，從而導(dǎo)致企業(yè)內(nèi)部的變電站容易出現(xiàn)供電問題。防低電壓情況影響了電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)作，最為常見的就是電網(wǎng)晃電，而導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因就是變頻器出現(xiàn)了問題。當(dāng)電壓開始下降時(shí)，變頻器會(huì)觸發(fā)保護(hù)機(jī)制，從而直接導(dǎo)致設(shè)備終止或是損壞，引發(fā)一系列的問題和相關(guān)事故。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，電壓會(huì)在短時(shí)間內(nèi)跌落，并且持續(xù)的時(shí)間不長。所以，為了更好地保障生產(chǎn)活動(dòng)的順利進(jìn)行，確保工藝流程的連續(xù)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(yè)順利發(fā)展的前提，更是杜絕隱患和提高企業(yè)生產(chǎn)效益的重要條件。

1 變頻器的基本概述

1.1 內(nèi)容概述

變頻器是一種綜合了微電子技術(shù)和變頻技術(shù)的設(shè)備，它通過改變電源大小和頻率的方式，監(jiān)測(cè)和控制電動(dòng)機(jī)的電流情況，是一種主要用于電力控制的器械設(shè)備。變頻器主要是將原本的交流電變成直流電，并進(jìn)行濾波和逆變（直流電轉(zhuǎn)化為交流電）。其主要由整流單元、驅(qū)動(dòng)單元、濾波單元、監(jiān)測(cè)單元、制動(dòng)單元以及逆變單元等部分組成，依靠的是內(nèi)部裝置來調(diào)整和改變電源大小，協(xié)調(diào)電壓的頻率。并且，變頻器可以根據(jù)生產(chǎn)電機(jī)所需電的實(shí)際要求，為電機(jī)提供合適的電源電壓，在合適電源電壓的作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)電力資源的節(jié)約和保護(hù)。除此之外，變頻器在一定程度上還起到了保護(hù)作用，具有一定的保護(hù)功能，其中往往會(huì)設(shè)置專門的過壓過載保護(hù)。在我國現(xiàn)代化建設(shè)的關(guān)鍵時(shí)期，伴隨著工業(yè)化程度的不斷加快，變頻器作為工業(yè)生產(chǎn)過程中調(diào)節(jié)電壓和節(jié)約能源的存在，得以廣泛地應(yīng)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(jié)能上，通過變頻節(jié)能和補(bǔ)償節(jié)能的方式實(shí)現(xiàn)。一方面，從變頻節(jié)能的方向分析，變頻器的節(jié)能與風(fēng)機(jī)和水泵有著直接的聯(lián)系。在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，為了確保生產(chǎn)的效率，作業(yè)機(jī)器和設(shè)備在設(shè)計(jì)的過程中動(dòng)力驅(qū)動(dòng)往往會(huì)存在富余量，一旦電機(jī)不能在滿載的情況下運(yùn)行，那么多余的力就會(huì)增加功率的消耗，進(jìn)而帶來能源上的浪費(fèi)和損耗。在傳統(tǒng)的模式下，風(fēng)機(jī)和水泵節(jié)能一般是通過調(diào)節(jié)擋板和閥門的方式控制風(fēng)量和水量。這種方式所需要的功率較大，并且能源會(huì)集中在擋板和閥門截流的過程中。而變頻器的變頻調(diào)節(jié)可以在流量減少的情況下通過降低風(fēng)機(jī)水泵轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有著節(jié)能環(huán)保的作用。另一方面，從補(bǔ)償節(jié)能的方向分析，在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，無功功率的出現(xiàn)不僅損耗了能源，而且還會(huì)加劇線損情況，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱[2]。這主要是因?yàn)樯a(chǎn)功率的降低使得電網(wǎng)供給的有功功率降低，產(chǎn)生了大量的無功電能，并且在運(yùn)輸線路中被消耗，從而導(dǎo)致電能設(shè)備的使用程度不夠，使用效率偏低，浪費(fèi)情況極為嚴(yán)重。而在使用變頻器變頻調(diào)節(jié)后，內(nèi)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(wǎng)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(gòu)成分析

對(duì)于變頻器而言，變頻器防低電壓穿越電源的裝置構(gòu)成主要是防低電壓穿越電能源拓?fù)?。這種設(shè)備的主要輸出功率與系統(tǒng)的交流電源和直流電源有關(guān)，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(jìn)行實(shí)時(shí)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(jìn)行輸入輸出，或者通過設(shè)置專門的旁路開關(guān)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(guān)，三相交流電可以手動(dòng)斷路。通過這種方式將電送入到二極管中，在經(jīng)由電控開關(guān)的控制將直流電進(jìn)行儲(chǔ)存[4]。同時(shí)，由于升壓斬波電流的存在，使得直流電在儲(chǔ)存的過程中更有效率，電壓的基本等級(jí)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(dòng)開關(guān)和電阻組成了充電回路，在充電完成后進(jìn)行閉合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了裝置的平穩(wěn)充電和穩(wěn)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(lián)在直流母線的地方。究其原因主要是因?yàn)?，連接在母線處的直流保安電源在系統(tǒng)電壓降低到20%以下時(shí)可以為回路供電，進(jìn)而確保裝置的全面供電，并且能夠在整體的電壓范圍內(nèi)進(jìn)行。在現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)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(dòng)，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(duì)于變頻器防低電壓穿越裝置而言，其控制的重點(diǎn)和主要內(nèi)容是當(dāng)系統(tǒng)電壓大幅度跌落時(shí)，確保變頻器能夠正常運(yùn)行，電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)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(wǎng)運(yùn)行的過程中，要確保斷路器的電動(dòng)開關(guān)閉合。對(duì)于正常的系統(tǒng)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(nèi)的基本元器件都不會(huì)直接參與裝置的運(yùn)行過程中，而處在旁路的狀態(tài)下。低電壓現(xiàn)象由系統(tǒng)電壓降低導(dǎo)致，系統(tǒng)電壓的降低導(dǎo)致直流電壓的降低，裝置內(nèi)部的控制系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到電壓開始降低，并根據(jù)電壓降低的基本趨勢(shì)控制電感和斬波升壓回路，確保它們的順利運(yùn)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(jī)的轉(zhuǎn)速不會(huì)低于原有的電壓水平和頻率。并且，在這樣的情況下，系統(tǒng)電壓降低結(jié)束恢復(fù)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(dòng)作流暢，所需的時(shí)間少，可以做到無縫隙切換，不會(huì)影響變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行，也不會(huì)終止變頻器的基本運(yùn)行[5]。

2.3 電源特點(diǎn)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(guān)也協(xié)調(diào)旁路電力，在正常的系統(tǒng)電壓下，確保裝置與旁路模式的相互協(xié)調(diào)。變頻器也在電力系統(tǒng)直接供電的情況下將一些基本的變換模塊變成休眠狀態(tài)，不直接參與裝置的具體運(yùn)行。通過這種方式極大地降低了電力元件維護(hù)和使用的時(shí)間，進(jìn)而在提高工作效率的同時(shí)，降低故障發(fā)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(shí)地進(jìn)行自我診斷，通過自我診修的方式減少維護(hù)的時(shí)間。一些裝置還會(huì)采用維護(hù)的設(shè)計(jì)方案，在使用的過程中無需人工操作，也不需要進(jìn)行定期維護(hù)。在這樣的裝置繼承下，定期自檢能夠發(fā)現(xiàn)絕大部分的問題，并在發(fā)現(xiàn)問題后通過故障診斷的方式進(jìn)行自我維修和記錄。通常來說，自我故障診斷的結(jié)果傳輸?shù)胶笈_(tái)的系統(tǒng)之中，并經(jīng)由后臺(tái)管理系統(tǒng)進(jìn)行故障的記錄與統(tǒng)計(jì)。

2.3.3 更長的使用壽命

以第五代IGBT為例，其耐受程度已經(jīng)達(dá)到了150 ℃以上，整機(jī)的可以在-20～550 ℃的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，長時(shí)間使用在惡劣的環(huán)境中。

2.3.4 更容易操作的產(chǎn)品

防低電壓穿越裝置的接線方式簡單，并且可操作性強(qiáng)。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(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的行為，拓展與后臺(tái)的連接方式，以CAN網(wǎng)、以太網(wǎng)等方式與后臺(tái)直接相連[6]。

3 變頻器的低壓分析

前文已經(jīng)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(zhuǎn)換為交流電，通過這種轉(zhuǎn)換的方式來維持供電的基本工作。當(dāng)因外部原因引發(fā)低電壓情況發(fā)生時(shí)，原本的供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題，變頻器控制并保護(hù)單元。而當(dāng)變頻器低電壓時(shí)，變頻器保護(hù)單元會(huì)停止運(yùn)行，造成變頻器停機(jī)的原因主要可以從以下兩個(gè)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(dāng)整流單元的直流單元達(dá)到490 V，并且輸入電壓的波動(dòng)范圍在10%上下波動(dòng)時(shí)，變頻器可以正常有效地運(yùn)行。但是，若是電壓的波動(dòng)幅度超過了理論值，并且長時(shí)間超過的話，那么持續(xù)一定時(shí)間的波動(dòng)就會(huì)引發(fā)變頻器的保護(hù)裝置，進(jìn)而觸發(fā)防低電壓保護(hù)。通常來說，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因有內(nèi)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(dāng)電負(fù)荷出現(xiàn)變化時(shí)，一些大功率的設(shè)備會(huì)直接啟動(dòng)，線路也會(huì)出現(xiàn)過載等現(xiàn)象。在這個(gè)時(shí)候，電壓也會(huì)大幅度降低，進(jìn)而導(dǎo)致變頻器保護(hù)機(jī)制開始作業(yè)，出現(xiàn)防低電壓保護(hù)[7]。

4 變頻器防低壓穿越裝置的研究

防低壓穿越產(chǎn)生的原因主要是控制回路失電導(dǎo)致的，有時(shí)也會(huì)因?yàn)樽冾l器直流回路的保護(hù)機(jī)制引起。變頻器本身的特性決定了其容易出現(xiàn)過壓、欠壓、過流以及短路保護(hù)等現(xiàn)象。當(dāng)電壓低于防低電壓保護(hù)值時(shí)就會(huì)導(dǎo)致變頻器的停機(jī)，而防低電壓穿越的時(shí)間不會(huì)持續(xù)很長，再加上晃電現(xiàn)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(jìn)，利用現(xiàn)代化的直流變化和通信控制技術(shù)，解決因變頻器故障或是保護(hù)機(jī)制下的防低電壓跳閘問題。這種裝置的安全性高、實(shí)用性好、可靠性突出并且適用性強(qiáng)，能夠經(jīng)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(zāi)隱患，一些電力上的故障和累積現(xiàn)象也能及時(shí)地進(jìn)行止損。在關(guān)鍵器件的配置下，能夠提高無故障時(shí)間，減少修復(fù)器件的時(shí)間，具有著可操作性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)且交互性良好的特點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)研究表明，防低電壓穿越裝置能夠滿足企業(yè)的需求，契合企業(yè)生產(chǎn)的基本要求[8]。

4.2 從技術(shù)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(jiān)控模塊、保護(hù)模塊、直流配電回路、儲(chǔ)能系統(tǒng)、柜體以及分析儀等構(gòu)成。顯示模塊主要作用是電壓的反饋，監(jiān)控模塊的主要功能是監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電系統(tǒng)的基本情況、電池的相關(guān)情況以及低電壓穿越的具體實(shí)踐情況等，進(jìn)而為系統(tǒng)的運(yùn)行提供參考和指示。配電回路在線實(shí)時(shí)控制電能的質(zhì)量，維系電能的安全運(yùn)輸和電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，主要作用集中在保護(hù)和隔離上。分析儀模塊的主要功能是監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的特殊情況，實(shí)時(shí)監(jiān)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(fā)生故障點(diǎn)，通過測(cè)試的方式找尋故障的起點(diǎn)，并在預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上防止問題的擴(kuò)大，及時(shí)進(jìn)行止損，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電能的相關(guān)質(zhì)量，準(zhǔn)確評(píng)估電機(jī)的運(yùn)行情況。在屏幕顯示模塊的作用下，可以及時(shí)有效地獲取第一時(shí)間的具體情況，并做好問題的記錄，進(jìn)而為后續(xù)診斷故障奠定基礎(chǔ)。

4.3 從原理方面展開研究

防低壓穿越裝置的設(shè)計(jì)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(duì)內(nèi)部進(jìn)行維修和檢測(cè)。與此同時(shí)，電池組會(huì)向VSP模塊供電，在信號(hào)采集的情況下，通過主監(jiān)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(shè)計(jì)原理[9]。

4.4 從設(shè)計(jì)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(jìn)行連接設(shè)計(jì)。選擇變頻器的正常工作狀態(tài)，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(guī)定的時(shí)間內(nèi)持續(xù)性運(yùn)行電機(jī)，變頻機(jī)的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)處于繼續(xù)工作的狀態(tài)。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(huì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，防低電壓穿越裝置處在備用的狀態(tài)下。而當(dāng)電壓出現(xiàn)防低電壓穿越時(shí)，變頻器的電壓就會(huì)出現(xiàn)異常，整體出現(xiàn)欠電壓的現(xiàn)象。在這種狀態(tài)下，防低電壓穿越裝置自動(dòng)運(yùn)行，并在運(yùn)行時(shí)保障各模塊電壓的正常工作。在變頻器的作用下，電壓恢復(fù)正常，防低電壓穿越裝置退出，變頻器正常供電，設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)[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(jié) 論

對(duì)于電網(wǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)和企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)而言，設(shè)置和分析防低電壓穿越裝置很有必要，具有較高的價(jià)值和意義。因此，在實(shí)際的企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，相關(guān)人員和相應(yīng)部門應(yīng)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(chǔ)上，通過合理分析與精準(zhǔn)定位的方式，找尋防低電壓穿越裝置設(shè)置的最優(yōu)解，為企業(yè)的穩(wěn)定運(yùn)行和國家電力事業(yè)的發(fā)展提供行之有效的道路。