低压变频器防晃电方案研究
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
江苏国网自控科技股份有限公司的研究人员姜万东、周海涛等，在2017年第9期《电气技术》杂志上撰文指出，低压变频器对电网电压波动较为敏感，由于系统电压发生晃电事故造成变频器非计划停车时有发生。
本文深入的研究了变频器防晃电直流支撑方案和再启动方案，对常规解决方案存在的问题进行了分析，提出了相对应的解决方案。研究结果对选择低压变频器防晃电方案时具有一定借鉴意义。
低压变频器自20世纪50年代末问世以来，在主要工业化国家已经得到广泛应用。而在我国到20世纪90年代末低压变频器才逐渐得到广大用户的认可和使用。文献[1]指出一些企业由于电网电压不稳，导致变频器在使用中产生了新的问题，如变频器低压跳闸。每次由于电网晃电，关键电机变频器低压跳闸造成的非计划停机，都会给企业造成很大的经济损失。
文献[2]中指出由于电网电压的不稳定，导致变频器在使用中出现了新的问题：变频器低压保护跳闸（即低电压穿越）。低电压都是瞬时和短时的，对传统的控制系统影响较小，而对变频器则会产生低压保护跳闸导致电动机停机，影响安全和生产。
目前，解决低压变频器防晃电方案主要采用有变频器失压自复位、变频器动能缓冲、直流支撑和变频器再启。前两种方案是变频器自身提供的功能[3]，而后两种方案需要在变频器外部提供控制装置或电源。
其中，直流支撑方案由于需要采用蓄电池提供的后备电能，占地和投资较大适用于对变频器防晃电要求较高的情况，文献[4]列举了变频器直流支撑方案的一些实现方法。而变频器自带的失压自复位功能，由于在晃电时要保证变频器启动信号不丢失，对采用交流控制的回路很难实现限制了其应用。采用变频器动能缓冲功能，取决于负载的特性，并且只能起到一个短暂防晃电作用，效果较小。
文献[5-8]对变频器的防晃电技术应用方案进行了深入的研究，提出一些可行的技术方案。文献[9]提出了一种新型防晃电产品解决方案，文献[10]又提到了防晃电技术在化工行业的应用。
综上所述，低压变频器的防晃电问题，一直被业界所研究和探讨，低压变频器的防晃电解决方案主要以直流支撑和变频器再启为主，本文着重分析两种解决方案，对方案中存在的问题进行分析，提出相应的解决方案。
1 常规式直流支撑方案
常用的低压变频器都是采用交-直-交的电源型变频器，直流回路是通过三相交流整流得到，直流电压大约在510~620V之间。所以给变频器提供一路在510~620V之间的直流电源，就可以保证变频器的不间断运行。
低压变频器直流支撑方案如图1所示，图1（a）为单台变频器直流支撑方案，图1（b）为多台变频器直流支撑方案。监测单元负责对变频器的运行状态、交流母线电压、变频器直流母线电压以及蓄电池电压进行监测。
当变频器处于运行状态，交流母线电压降低时，监测单元检测到变频器的直流电压和蓄电池电压的直流电压差值达到设定值，控制执行单元的电子开关迅速导通，使储能蓄电池对变频器供电，保证变频器继续工作一段时间。当交流电压恢复正常或支撑时间达到设定时间，执行单元的电子开关关闭，变频器又工作在交流电源供电状态。
图1 低压变频器直流支撑原理
直流支撑方案的直流供电可能根据不同应用情况所有差异，如应用场合具有安保直流电源或其他后备电源，且容量满足只需要增加一个大容量的DC/DC升压电源；有些场合直接采用蓄电池充电到接近变频器直流电压，可不用DC/DC升压电源。
一般变频器的欠压跳闸设定值在70%~90%直流电压之间，因此，直流支撑的投入电压一定要高于变频器欠压跳闸设定值，一般差压设定值为5%直流电压。DC/DC升压输出电压或储能母线电压一般要达到95%直流电压，对400V的变频器而言，要求直流支撑后备的直流电压在510~540V。
对差压投切的时间上也有一定的要求，满足判断识别到电子元件动作时间Tqh一定要小于变频器欠压动作的时间，保证投切后变频器自身没有停机。
2 常规直流支撑方案的问题
虽然直流支撑较好的解决了低压变频器在交流电源晃电时欠压跳闸的问题，但是还有如下问题：
1）由于直流支撑只在变频器直流母线低于备用储能电压时投入，因此变频器在过压跳闸时，直流支撑不起作用，导致变频器在过压扰动时停车；
2）在交流电源发生晃电时，外部控制电路如果采用了交流回路电源，由于晃电时可导致交流回路中的启动中间继电器释放，从而变频器的启停控制信号丢失，导致变频器停车，因此采用直流支撑方案时必须在交流控制回路增加UPS或直流逆变电源增加了成本。
3 直流支撑改进方案
针对常规直流支撑方案存在的问题，本文对直流支撑的监测元件进行了改进如图2所示，提出了改进方案[1]。
图2 直流支撑改进方案图
图2中，监测元件采集的外部状态信号：EXT_S\T为外部变频器启停信号，可为就地信号和远方信号；VFD_RUN为变频器运行状态信号，由变频器输出；VFD_ERR为变频器的故障跳闸信号，由变频器输出；VFD_READY为变频器准备信号，由变频器输出。
监测元件输出的控制信号：S\T信号为控制变频器的启停信号，输出到变频器的IO中；RESET信号为控制变频器复位故障信号，输出到变频器的IO中；DCS_RUN为输出给DCS信号的变频器运行指示信号；RESTART为再启动出口，负责再次启动变频器控制回路的启动中间继电器。
该改进方案的控制逻辑及实现原理如图3所示。该改进方案可分别判断过压变频器扰动停机和欠压晃电停机两种情况：
1）当系统电压过压时，监测单元的电压元件先识别到过压，并判断出变频器出现停机。待电压恢复后输出启动变频器控制信号使变频器重新启动，避免变频器因过压扰动停机。
2）当发生欠压晃电时，监测单元先识别到低压过程，检出变频器无故障信号，且外部启停信号丢失，则控制差压单元电子开关闭合，投入后备电源，再此过程中保持S\T信号一直输出，直至交流电源恢复（恢复时，先输出RESTART启动中间继电器，使EXT_S\T信号恢复）或支撑时间到，差压单元控制电子开关断开。
图3 直流支撑改进方案控制逻辑图
从上面的分析中可以看出改进方案，在变频器发生过压时可实现电压恢复后的变频器再启功能；在发生欠压晃电，直流支撑时无需配备UPS或逆变电源，也可保证控制信号不丢失使变频器停车。
4 常规变频器再启方案
当对变频器的防晃电要求不是很高的情况下，采用变频器再启方案即可满足要求并节省了对后备电源的投资，如图4所示。
工作原理简介如下：当再启装置ZQ-1通过模拟量接口10，3测到电压正常，并通过开关量接口6，7测到运行控制中间继电器KA1的状态为合，认为变频器处在运行状态。如系统发生晃电时，ZQ-1通过模拟量接口10，3测到电压降低，且KA1状态释放，认为发生晃电。
当晃电在设定的防晃电时间内恢复正常后，ZQ-1控制常开接点QD1和QD2同时闭合，使变频器重新启动。ZQ-1中的RUN信号为延时断开出口，晃电设定时间内闭合保证DCS的监控信号正常（模拟变频器还在运行）。如果电压未在设定时间内恢复，ZQ-1的QD1和QD2不再闭合，RUN信号也断开。
图4 常规变频器再启方案图
5 常规变频器再启方案的问题
常规再启变频器方案存在以下问题：
1）晃电检测信息不足，发生非对称晃电时如图4中的L1和L2相降低，L3相电压正常，而ZQ-1只检测了控制相L3，故无法识别晃电造成不能再启变频器。
2）一些变频器（如ABB的ACS800系列等）有故障闭锁功能，如果晃电时变频器欠压跳闸，如果不复位变频器的故障，如图4中的R1B，R1C是无法闭合的，此时即使QD1和QD2闭合，KA1线圈回路无法接通，导致启动变频器失败。
6 变频器再启改进方案
由于常规变频器再启方案的缺陷和不足，导致使用此方案时经常在晃电时出现再启变频器失败的情况。因此本文提出了一种改进方案[2]。
改进后的变频器再启动方案如图5所示，ZQ-2不仅通过电源接口3，14测了控制相电压，而且通过模拟量接口11，12，13测母线电压。同时开关量接口8，9和8，10别检测了变频器的启停中间继电器状态和变频器故障信号输出状态。控制输出部分1，2的QD出口用来再启动控制中间继电器KA1，控制输出部分4，5的FG用来复位变频器的故障。
图5 变频器再启改进方案图
改进后的方案原理说明如下：
1）当再启装置ZQ-2检测到母线电压正常，控制电压正常，并且检测到变频器启动信号KA1和无变频器故障信号KA2后，认为变频器处在运行状态，作为晃电再启变频器进行准备的条件。
2）当母线电压或控制电压发生突变或缓慢降低时，ZQ-2检测变频器的启动信号KA1是否消失，如果消失则认为发生了晃电，启动晃电再启逻辑；如果变频器KA1信号未丢失，则重新判断电压。
3）当判断出发生晃电且变频器停机后，ZQ-2检测母线电压和控制相电压是否在设定的防晃电时间内恢复，如果未恢复则放弃再启动变频器；如果恢复，则开始执行启动变频器逻辑。
4）ZQ-2启动变频器逻辑开始后，先检测变频器的故障信号KA2是否存在，如果存在将先闭合FG出口4，5使变频器先复位故障，待检测KA2消失后，ZQ-2再闭合QD出口1，2使启动中间继电器吸合，再启动变频器。
从上面的分析中可以看出改进方案，可以全面的检测交流回路的电压波动和变化情况，为准确的判断是否发生晃电提供可全面的依据。该方案还考虑了变频器在晃电时出现欠压跳闸如果具有故障锁定功能时，应先可靠的复位变频器故障然后再输出启动信号，保证再启变频器的可靠性。
7 结论
本文介绍了目前变频器防晃电的两种解决方案：直流支撑方案和再启动变频器方案。指出了其中存在的不足，提出了改进方案。
直流支撑改进方案，避免了在控制电源增加UPS和逆变电源的同时，也可满足在过电压变频器跳闸时再启变频器；再启动变频器改进方案，进行母线电压和控制相电压测量保证了晃电判断的全嶣面性，在启动变频器过程中，提出检测出有变频器故障信号应先复位变频故障信号，再输出启动变频器信号才能保证再启变频器的可靠性。
上述的两种改进方案在吉林石化和乌鲁木齐石化等防晃电隐患治理项目中投入运行后，有效的解决了常规解决方案中存在的问题和缺陷，可靠的保证了变频器的连续稳定运行。
本文所提的改进方案在实际使用过程中，证明了其可行性，因此对在选择变频器防晃电方案时，具有一定的借鉴意义和实用价值。