鄭繼遠

（萬華化學集團股份有限公司）

AB變頻器應用中的問題及對策探討

鄭繼遠

（萬華化學集團股份有限公司）

在化工生產(chǎn)中，低壓異步電動機的調速控制普遍采用變頻器來完成。本文針對AB變頻器在現(xiàn)場應用中出現(xiàn)的調速運行不穩(wěn)定、掉電重起動失敗以及長線驅動電動機端過電壓等問題，通過不斷分析改進和試驗論證，提出具體的對策并予以實施，使變頻器能更加穩(wěn)定地運行。

AB變頻器；參數(shù)調整；邏輯優(yōu)化；電路改進；問題及對策

0 引言

近年來，隨著電力電子技術的快速發(fā)展，變頻器以其優(yōu)良的調速性能和運行效率，逐步替代傳統(tǒng)的調速控制裝置而得到廣泛應用。為便于工藝控制和實現(xiàn)節(jié)能降耗，某石化一體化裝置大量選用美國AB公司的PowerFlex 750系列低壓交流變頻器。該系列變頻器具有卓越的傳動控制性能和豐富的故障保護功能，可涵蓋現(xiàn)場絕大部分的應用需求。本文結合AB變頻器的特點，分析其在調試和運行中發(fā)生的實際問題，并提出具體的優(yōu)化及改造措施。

1 變頻器調速運行不穩(wěn)定問題

本工程中，AB變頻器是由DCS控制系統(tǒng)給定4～20mA電流信號進行調速的。試運行時，給定某一工作頻率后，變頻器在給定頻率的附近范圍內出現(xiàn)頻繁加、減速的問題。

1.1 原因分析

使用信號發(fā)生器直接對變頻器施加4～20mA調速信號，不會出現(xiàn)上述現(xiàn)象，排除變頻器自身存在缺陷的可能。調速信號從DCS控制柜傳輸至變頻器柜，通道距離較長容易受到干擾，測量變頻器接收到的4～20mA信號確實有較大波動。

同時，檢查發(fā)現(xiàn)調速信號電纜的屏蔽層未引至DCS控制柜的接地小銅排上，且DCS控制室的等電位地網(wǎng)也未與主接地網(wǎng)相連接，造成柜內所有信號及電源電纜屏蔽層均懸空，使得信號線上存在較高感應電壓而影響調速信號的傳輸。

1.2 采取的對策

1）使用截面積不小于100mm2的銅纜將DCS控制柜的等電位地網(wǎng)與主接地網(wǎng)相連接，并將信號電纜的屏蔽層進行單端接地，可以在一定程度上減小線路感應電壓對調速信號的干擾。

2）調整AB變頻器的模擬輸入濾波器參數(shù)，具體參數(shù)設置見表1。通過內部參數(shù)調整，增強變頻器對模擬輸入量的采樣處理能力，進一步消除調速信號中的擾動因素，使運行保持穩(wěn)定。

表1 AB變頻器模擬輸入濾波器參數(shù)表

2 變頻器掉電重起動失敗問題

為保證電機及其負載的連續(xù)運行，變頻器應具備掉電重起動功能。帶負荷進行掉電試驗時，發(fā)現(xiàn)變頻器不能重新起動，而是報“F10114-I1 Main PS Low”（I1主電源電壓過低）故障，且一直保持在“Stop asserted”（確認停機）狀態(tài)。

2.1 原因分析

前期調試得知，AB變頻器若先送控制電源、后送主電源，就會報F10114故障且不能自行復位，這是由其內部缺陷造成的。正常操作時，可以采取先送主電源、后送控制電源的方法予以避免。但因控制電源采用外部UPS直供，在變頻器掉電及其恢復過程中便無法防止F10114故障的報出。在這種故障狀態(tài)下，變頻器屏蔽起動指令。

AB變頻器的低電壓穿越能力較差，需依賴外部智能控制器根據(jù)輸入電源的電壓情況判斷和發(fā)出起動指令來完成。單獨對智能控制器做掉電試驗，變頻器均能收到重起動信號。經(jīng)多次試驗發(fā)現(xiàn)，當直流母線電壓跌落至75%以下時，若輸入電源恢復正常，變頻器將先進入預充電狀態(tài)。只有在預充電完成后，變頻器才進入Ready狀態(tài)，接受有效的起動信號，否則保持在停機狀態(tài)。因此，要實現(xiàn)變頻器重起動，最好從內部邏輯控制的角度優(yōu)化改進，一并解決故障及起動信號處理的不利問題。

2.2 采取的對策

AB變頻器配置DeviceLogix嵌入式組件，可用于編制應用程序和實現(xiàn)輔助控制功能。本例采用Logix控制邏輯實現(xiàn)變頻器掉電重起動，相關參數(shù)設置見表2。

表2 AB變頻器掉電重起動參數(shù)表

利用比較器NEQ邏輯，當變頻器報F10114故障時使DOP2置“0”，而報其他故障時使DOP2置“1”。將DOP2與原故障狀態(tài)DIP03相“與”，作為新故障狀態(tài)DOP3輸出，確保變頻器不因上電而報故障。當輸入電源恢復正常后，使用預充電過程信號DIP2和完成后的上升沿信號TONR_1.DN，均關聯(lián)輸出故障復位指令DOP4，可靠消除F10114故障。同時，將原起動指令DIP1和預充電完成信號（DIP2取“非”）相“與”，作為新起動指令DOP1輸出。以梯形圖的形式編寫變頻器故障及起動信號處理程序，如圖1所示。

改進完成后，分別設定掉電時間為2s、10s和30s，再次進行試驗，變頻器均能重新起動并帶負荷正常運行。

3 變頻器長線驅動電動機端過電壓問題

為了降低線損和節(jié)約投資，動力供電系統(tǒng)選用660V電壓等級。在變頻器投運一段時間后，陸續(xù)發(fā)生多起電機繞組擊穿燒毀故障，給工藝生產(chǎn)帶來極大風險。

圖1 AB變頻器掉電重起動控制邏輯

3.1 原因分析

檢查燒毀電機的定子繞組，發(fā)現(xiàn)擊穿點均位于線圈的第一匝上，說明該處絕緣更易老化受損。根據(jù)GB/T 22720.1—2008/IEC 60034-18-41：2006附錄A中的標準，變頻電機的定子繞組絕緣在不同位置上所能承受的最大電壓值見表3。

本工程中，變頻器統(tǒng)一安裝在配電室內，與生產(chǎn)裝置約有幾百米不等的距離，致使連接電動機的動力電纜較長。按表3所給公式計算，660V變頻電機相間允許承受的最大峰值電壓應不超過1.78kV。然而，當AB變頻器工作在40Hz時，現(xiàn)場實測電動機端的線電壓，最大脈沖電壓峰值達到1.96kV，且上升時間在1μs左右，如圖2所示。

表3 不同供電條件下散嵌繞組星形接法電機其定子繞組絕緣在不同位置上承受的最大電壓（1級、2電平變頻器）

圖2 AB變頻器40Hz時線電壓群脈沖

電壓型變頻器經(jīng)逆變輸出的是一系列PWM電壓波，隨著功率器件開關頻率的逐步提高，使得變頻器輸出脈沖電壓的上升時間大大縮短，帶來一些顯著的負面影響。當變頻器經(jīng)長線電纜驅動電動機時，由于電纜和電動機特性阻抗不匹配，將在電動機端發(fā)生脈沖電壓反射而產(chǎn)生過電壓以及高阻尼振蕩，加劇電機繞組的絕緣壓力。此外，當變頻器輸出PWM脈沖電壓的脈寬很小時，會在電纜線上發(fā)生雙脈沖效應和極性反轉現(xiàn)象，使電動機端產(chǎn)生更為嚴重的過電壓，縮短電動機的使用壽命。

3.2 采取的對策

1）調整AB變頻器的電機控制參數(shù)，具體參數(shù)設置見表4。根據(jù)變頻電機運行工況，適當降低PWM開關頻率，可以減小脈沖電壓變化率。將變頻器“電機選項配置”中位5（位從0起算）置“1”，啟用長距離電機電纜的反射波電壓保護。

表4 AB變頻器模擬輸入濾波器參數(shù)表

2）當變頻器與電動機安裝的距離超過300m時，要考慮在兩者之間加裝出線電抗器或正弦濾波器，其作用是延長脈沖上升時間，從而有效抑制電動機端過電壓幅值，使負載接收到波形較好的交流電。關于出線電抗器或正弦濾波器的配置，主要根據(jù)動力電纜長度、額定電流和電壓等來確定。以某160kW變頻器為例，額定電流一般按長期工作電流計算，電壓降取3%左右，具體選型見表5。

表5 輸出電抗器或正弦濾波器選型表

改進主電路后，再次現(xiàn)場實測電動機端的線電壓，最大脈沖電壓峰值僅到1.62kV，上升時間也展寬為3μs以上，如圖3所示。

實踐證明，適當選配出線電抗器或正弦濾波器與變頻器配套使用，可以有效地防止因輸出過電壓對負載電動機的沖擊。

圖3 改進后AB變頻器40Hz時線電壓群脈沖

3）GB/T 22720.1—2008《電壓型變頻器供電的旋轉電機Ⅰ型電氣絕緣結構的鑒別和型式試驗》指出：在短時上升時間沖擊下，高電壓應力分布在第一個線圈或單個繞組為一相的線圈上。因此，要求制造廠必須使用變頻專用漆包線制作電機繞組，加強槽口、層間、相間和引線絕緣，同時在定子線圈首匝上設計絕緣套管，如圖4所示。

4 結束語

通過以上問題的分析及解決，改善了AB變頻器的控制調節(jié)性能品質，提高了變頻調速系統(tǒng)的整體可靠性，取得很好的應用效果。同時，對AB變頻器及相關設備進行優(yōu)化改進，可大大減少因電氣故障原因造成的非計劃停機次數(shù)，有效保障了化工裝置生產(chǎn)運行的安全性、連續(xù)性和穩(wěn)定性。

圖4 變頻電機繞組絕緣改進示例

[1] 孫剛, 張濤. AB變頻器及其控制技術[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社, 2012.

[2] 陳伯時, 陳敏遜. 交流調速系統(tǒng)[M]. 3版. 北京： 機械工業(yè)出版社, 2013.

[3] 薛高飛, 胡安, 潘啟軍. PWM脈波傳輸電壓反射抑制策略在大功率感應電機驅動中的應用[J]. 電工技術學報, 2013, 28(10)： 249-256.

[4] 吳廣寧, 周凱, 高波. 變頻電機絕緣老化機理及表征[M]. 北京： 科學出版社, 2009.

2017-01-19）