变频器抗晃电改造方案

王建

摘 要：在XXXX有限公司工厂经常发生电网晃电事故，在实际运行中经常因晃电而导致连续运行系统停车事故，项目二期空分装置关键设备液氧泵变频器应对晃电能力差，低电压保护启动导致跳车。该文考虑采取适当的方法进行改造以提高变频器的抗晃电能力。

关键词：变频器 抗晃电 直流支撑

中图分类号：TM762 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）09（b）-0036-02

1 晃电对变频器的影响

据统计晋开近一年来发生的10 kV母线晃电或停电次数大约有8次，多次造成关键设备的非计划停机，影响生产连续性。如果接收后仍存在此类情况，可能给我们造成损失，为了避免不必要的损失，提高生产的稳定性，所以致力于解决变频器低电压跳车的办法。

DC-BANK系统要为变频设备提供稳定的直流电压（450～540 V），在交流电压晃动时保证变频设备持续运行。

2 DC-BANK系统简介

长期以来，在连续性较强的工艺生产中，当电网发生晃电（甚至毫秒级的断电）等供电故障时，均有可能使电机驱动的动力设备受到较大的扰动甚至停机。造成连续性生产中断，设备损坏，产生大量的次品、废品，造成严重的经济损失。

DC-BANK是专门用于电动机负载的、输出电压和输出频率可变的交流不间断电源，是低压电机群专用不间断电源系统，特别适用于多负载连续生产的石油化工、化纤钢铁、玻璃等行业。

DC-BANK系统的作用就是：当企业的电气系统发生故障（晃电、甚至停电）之后，保障电机连续、稳定、安全运行，避免电机输出波动或跳闸所造成的事故，从而大幅度减少電气故障给生产带来的损失和危险。

3 DC-BANK组成

DC-BANK组成：电池组、充电器、静态开关、控制器等。

蓄电池：蓄电池采用免维护阀控式全密封铅酸电池。

整流器：整流器的功率逆变管采用进口快速IGBT，其余元件采用进口工业等级器件，输出电压和电流均可连续调节且具有强大的保护功能。

静态开关：静态开关是采用大功率器件组成的直流电子开关，能准确地控制变频器由交流供电和由电池组供电的瞬时转换。

智能控制系统：用单片机CPU控制器和HMI（触摸屏）组成带有人机操作界面的监控系统 。其功能为：充电模块输出电压设定，充电电流限值设定，该系统的起停操作，运行参数显示，变频器工作状态显示，故障报警存储以及按需要和上位机通讯实现四遥功能。

4 DC-BANK特点

（1）结构简单可靠。当用于变频器调速回路时，系统未用常规UPS向VVVF提供交流电源，而是采用DC-BANK向VVVF提供直流电源。从而减少了AC/DC、DC/AC两次变换，可靠性提高，降低了系统功耗。

常规UPS整流充电器既要对电池充电，还须向逆变器提供额定直流功率，而DC-BANK充电器只对电池充电，其功率仅为常规UPS的10%左右，运行成本低。

（2）该系统包含接入系统中的所有电动机的启动控制和保护元件。

（3）多台变频器可同时接入一套系统，无环流，互相无干扰。

（4）电动机具备接地故障、短路和过载等保护特性，并且有调速和VVVF软启动的功能。

（5）充电器具有限流、稳定电压和浮充温度等补偿功能。

（6）采用美国ATMEL公司CPU及触摸人机界面作为控制核心。全部参数数字化设定及监视，可显示各种电压电流参数。PLC 的编程对每台电动机的启动、停止和蓄电池定期向假负载放电实施监控。

（7）采用方便检修维护的模块化结构，可并联使用。

（8）系统各回路完全独立，检修某回路VVVF及其控制保护电路等，不影响其他回路工作。

（9）采用IGBT逆变功率器件和微处理器控制。

（10）静态开关采用在线跟踪和电压自动监控，保证主电源失电时，系统瞬时切换到电池供电，变频器的输出没有任何扰动。

（11）采用隔离变压器和浪涌保护，提高设备的可靠性。

5 DC-BANK工作原理

主回路供电在市电正常情况下，经交流配电系统、VVVF（在这里，电动机受电端=驱动电机），当市电发生故障时，系统在控制系统（CPU）、直流静态开关（SS）协同作用下，DC-BANK自动切入VVVF的DC-BUS，保证电机在直流电源的支撑下不间断运行。

当市电恢复正常供电，系统在控制系统（CPU）、直流静态开关（SS）协同作用下，迅速切断DC-BANK，系统在市电支撑下恢复正常工作，完成一次失电保护。在上述过程中，电动机输入电压无任何扰动。

6 DC-BANK容量计算

该方案采用DC-BANK系统，输出2路直流控制，由DC-BANK装置提供直流支撑。

变频设备总容量P=580 kW；DC-BANK提供的直流额定电压UDC=500 V，放电电流 I=P/UDC=580000/500=1 160 A，电池支撑时间为5 min，根据电池放电曲线计算，按4C（C表示电池容量）放电倍率可得电池容量：300 Ah，放电按4C放电可支撑5 min（一般情况下只要支撑几秒就可以满足要求），保证变频器直流侧电压不低于460 V，变频器直流电压下限为450 V。

电池只数为42×2=84只，每只额定电压12 V，150 Ah、42只为一组2组并联使用。

7 DC-BANK主要组成单元性能

（1）充电单元。

由高频开关模块组成，采用N+1冗余设计，任一模块故障时，不需其他模块停电，其余模块仍应带负荷继续运行，模块并联提高可靠性。模块主要作用为电池充电，浮充/均充自动转换；整流模块满足电池组充电、浮充电特性的要求，能承受2Ie 以上的短时冲击电流，并具有软启动特性。在充电状态运行时，应按限流（稳流）一恒压方式自动完成对电池组的充电、补充充电或均衡充电。 充电单元输出：DC600V/10A×2。

（2）电池单元。

采用合资电池，容量为150 Ah/12V 84只。 电池设计寿命为 10年，铅酸免维护电池。

（3）电池管理单元。

电池为DC-BANK系统中主要的部分，所以要有完善的电池管理单元。 蓄电池管理单元的主要功能是：检测各单体电池运行工况，对蓄电池充、放电进行动态管理，并应具备对蓄电池温度进行补偿的功能。该单元功能分别由微机总监控单元和电源模块来完成。

（4）直流电子开关。

实现变频器由交流供电到直流供电的切换，切换时间为 5 ms，功率1 200 V/2 000 A，满足变频器在电网晃电的情况下持续运行。

（5）微机监控单元。

微机总监控单元MK-V2A是DC-BANK装置的监控、测量、信号和管理系统的核心部分。装置能根据交流/直流系统运行状态，综合分析各种数据和信息，对整个系统实施控制和管理。装置能适应直流系统各种运行方式。具备人机对话功能，与成套装置中各子系统通信，并可与上位机通信。界面采用7英寸液晶显示触摸屏，作为直流屏的人机界面，所有的系统参数设定。充电模块和交流的电压及电流调整与监控、电池巡检、对地电压的测量、电池充放电曲线等均通过触摸屏各画面进行。 系统工作时，在触摸屏上进行操作，通过多幅画面切换，在触摸屏上实施动态显示DC-BANK中各部分的工况（放电次数、触点、电流、电压、温度、故障等）。

（6）直流絕缘检测装置。

检测直流母线正负对地电压，显示出对地是否绝缘良好。

（7）输出单元。

采用ABB断路器和接触器，馈出2路/1套，对应相应的变频器。

（8）二次不间断电源：为变频器提供二次控制电源，采用进口 UPS。

8 结语

通过以上方案的改造，可在一定程度上增加变频器及液氧泵自身抗晃电能力，降低变频调速电机跳车事故发生的概率。

参考文献

[1] 于建明.变频器谐波干扰与预防[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2005（1）：53-54.

[2] 彭伟.电力变压器差动保护误动的非故障原因分析[J].安徽水利水电职业技术学院学报，2002（2）：13-16.