浅析变频器的防晃电设计

浅析变频器的防晃电设计浅析变频器的防晃电设计 2019/01/22 摘要：变频器在电机调速、节能上得到了广泛的应用，但它对电源要求较高，电源晃电时很容易使变频器直流母线电压跌落到非正常电压区域而跳停，这对连续运行的生产线造成了很大的影响，甚至引发事故的发生。针对不同负荷的特性及生产的要求，通过增加直流后备电能、利用负荷机械动能、减少变频器电能消耗等方法，使变频器在晃电期间能维持运转所需要的能量，等到电网复电后变频器再恢复到原来的运行参数，这样既维持了生产的连续性，又保护了变频器。关键词：变频器；晃电；方法1现状及问题变频器大量应用于各行各业，主要用于对电机的调速，对提高生产质量来说，起到了非常重要的作用。特别是对于流水线长、非恒速运转、生产中断会造成重大损失的企业生产线来说，提高变频器的可靠性成了一大难题。造成变频器故障的一大主因是供电电源晃电，哪怕是瞬间的晃电，都有可能使变频器跳停，从而造成生产的停机。在大型生产线中，可以采用直流支撑成套装置，依靠蓄电池强大的瞬间放电能力作为变频器的后备电源，保证晃电时变频器的电能供应，维持变频器晃电时继续按原速度运行。但是，随着变频器的大量应用，变频器分布在生产车间各个场所，很多场所难以使用直流支撑装置，在不外加后备电源的情况下，如何简单可靠地保证在晃电时变频器能继续运行，是我们在生产中急需解决的问题。2防晃电的方法通常电源晃电持续的时间很短，绝大部分在0.5s以内，最严重的晃电就是线路故障跳停后延时重合闸或备用电源延时投入，延时时间一般都是3s。晃电的原因有雷电、线路局部短路等。按照变频器的出厂默认设置，晃电时，变频器直流母线电压会随外电电压的下降而下降。当下降到欠压保护值ULU时，为避免输出电流过大而烧坏输出功率管，变频器发出欠压报警，停止运行。要使变频器晃电时不跳停，就必须保证晃电时直流母线电压不下降，或下降时输出电流不增加，来电后还要自动回到原来的频率。下面就针对不同的负荷探讨几种防晃电的方法。2.1单台平方转矩负荷的防晃电风机、泵类是最常见的变频机负荷，负荷特点是：负荷有较大的惯性动能，力矩与转速的平方成正比。对应使用的变频器类型为P型或叫轻负荷型1。变频器设置成欠压自动减速运行，且减速速度大于自由滑行的减速速度。当电压小于失压保护值ULU时，电机进入再生制动状态，回馈能量返回到直流母线上，使母线电压不降反升；外电恢复正常后，变频器母线电压迅速回升，按加速时间升速，转速又会升到晃电前的数值。为保证电机(含风机)减速速度尽量接近且略大于自由滑行的减速速度，需找出电机的转动惯性，可简单地进行测试。现用一台55kW风机来做试验。在变频器以50Hz恒速运行时，突然把变频器运行模式设置为自由滑行，在t0时刻，变频器运行频率由50Hz降为0Hz，让电机依靠惯性自由滑行，每隔10s测一个点，得到其惯性曲线，如图1所示。对于不同功率及不同转速的风机、水泵，曲线特性基本一样，只是惯性时间不同而已。图1中还标注了惯性时间非常短的55kW水泵的曲线，其惯性时间只有10s。该曲线为反比例函数，设曲线函数为：f=a/(t+b)+c(1)式中：f为运行频率；t为晃电时间；a、b、c为常数。利用插值法，将前三个点(0，50.0)，(10，37.5)，(20，28.2)代入公式，求解常数a、b、c，解得曲线方程近似为：f=4949.7/(t+58.1)-35.2(2)求导，得：f=-4949.7/(t+58.1)2(3)当f=50Hz、t=0时，频率下降率f=-4949.7/(0+58.1)2=-1.5Hz/s当f=40Hz、t=7.7s时，频率下降率f=-4949.7/(7.7+58.1)2=-1.1Hz/s当下降频率为1.5Hz/s时，可以保证电机运行频率不超过50Hz时，在晃电时不会消耗变频器内部的电能；在小于50Hz时，电机处于发电状态，直流母线电压不但不会下降，还会有所上升。变频器通过升降频率来自动控制直流母线电压，直到复电，电压超过解除继续运转水平电压值时，变频器升频到原来设定值。测试：把变频器的继续运行水平电压设置为460V，欠压值ULU为350V，解除继续运行水平电压值为470V，变频器以最大值50Hz的频率恒速运行时，关停变频器的输入电源，可以看到变频器的输出频率慢慢下降，再送上电源，变频器的输出频率又慢慢上升到50Hz。整个过程中变频器保持着运行状态，直流母线电压维持在460V左右，没有发出故障信号。2.2单台恒转矩负荷的防晃电带有减速机的负荷的特点是：没有惯性，低速时力矩大。对应使用的变频器类型为G型或叫重负荷型1，其特点是变频器停止输出，电机会马上停止运转。由于负荷没有惯性动能，无法使用P型变频器的方法来防晃电，要防晃电，可使用以下两种办法。(1)对于对速度要求不高，允许短时间降速甚至停转的负荷，可利用变频器的重启动功能，晃电导致直流母线欠压时，电机快速减速，直到停止，但变频器不跳闸，在变频器容许停电时间内来电时，变频器自动运转回到停电前的运行速度。(2)对于对速度要求很高，不允许瞬间减速，更不允许停转的负荷，可利用外置储能补充的办法，保证在晃电期间，储存的电能足够维护几秒钟的运转，直流母线电压就不会下降。这需要很大的能量，变频器自配的直流母线电容一般只有110F/kW，维持时间不到0.02s，可外接储能元件。对于单台小于7.5kW的小变频器，可在直流母线上直接并入一定量的储能电解电容器，如安川变频器就有防晃电的电容器单元(Back-upCapacitorUnitforMomentaryLossOption)配件，其支撑时间可达2s2。如果电机功率较大，或要支撑更长的时间，则需要并接更大的电容器。这时，电解电容器的能量密度太小，受体积限制难以使用，需使用超级电容器模组，同时为限制充电电流，需在电容器上串接限流电阻R1。为保证放电电流，在R1上并接二极管D1，这样形成慢充快放电路，充电时间常数=R1C1，充满电的时间约为5倍R1C1。只要直流母线电压低于C1上的电压，C1上的能量就会从D1流向直流母线，无需切换控制电路，没有切换时间，保证变频器维持原来的速度无扰动运行3。电容器容量的计算：按晃电时间3s来计算，电容器放电3s，电压必须保持在母线电压在下限值以上，根据能量守恒定律，电容器储存电能的差值=电机消耗的电能：0.5C(U12-ULU2)=k1000Pt式中：U1为输入电源整流后得到的直流电压，当输入电源电压为交流400V时，ULU为变频器的欠压保护值，在这里设置为350V；k为电机负荷率，对于变频电机来说，一般取0.5；P为电机额定功率；t为电机晃电时间，在这里t=3s。即C/P=k1000t/0.5(U12-ULU2)=3000/(5402-3502)=0.018F/kW即每千瓦运行功率需要的电容容量为0.018F。R1可选用两个PTC加热器串联，选用PTC器件是为了防止其过热烧坏；D1的耐压为1000V，额定电流要大于变频器的额定电流；电容器C1的耐压须大于直流母线上的最大电压，并留有一定的余量，可选两个350V的串联。3结语(1)变频驱动发展至今，防晃电技术已得到普及，合理选配附件，设置好用户参数，就能达到很好的防晃电效果。但出于安全考虑，生产厂家在出厂时都没有设置此功能，需要用户根据现场实际情况，选用合适的参数。(2)对于风机、水泵，没有特殊要求，无需使用直流支撑装置，利用自身的机械能就足以应对晃电的影响。(3)随着储能技术的发展，超级电容器已大量应用到工业领域，为防晃电提供了充足的直流后备电源。参考文献1吴忠智，吴加林.变频器原理及应用指南M.北京:中国电力出版社,2007:264-269.3宋自用,金中英.变频器防晃电电路:中国,ZL201621401664.XP.2017-08-04.