柴昭一，蒙智峰，湯小偉

（陜西建設(shè)機械股份有限公司，陜西 西安 7100032）

目前，隨著現(xiàn)代電力工業(yè)的快速發(fā)展和系統(tǒng)中用電負荷結(jié)構(gòu)的重大變化，暫態(tài)電能質(zhì)量問題引發(fā)的事故越來越多。它有可能引起計算機系統(tǒng)紊亂（若電壓幅值下降＞10%，持續(xù)時間超過0.1s）、調(diào)速設(shè)備跳閘（若電壓幅值下降＞15%，持續(xù)時間為半個工頻周期）以及機電設(shè)備誤動作等，從而導致較大的工業(yè)損傷和人身事故。比如，1998年香港由于暫態(tài)電能質(zhì)量問題，引起500套自動扶梯瞬時停止，造成多名顧客受傷，社會影響惡劣。暫態(tài)電能質(zhì)量問題中的電壓跌落（如凹陷、驟降）問題由于其發(fā)生的可能性遠大于電壓中斷，即使幾百公里以外的故障也有可能引起本地的電壓幅值跌落，因此電壓跌落已經(jīng)成為目前國際上電能質(zhì)量問題關(guān)注的焦點。在電壓跌落等系統(tǒng)電壓故障情況下，輸入電壓的不穩(wěn)定性很可能造成變頻器輸出轉(zhuǎn)矩的變化，在起重行業(yè)也就面臨著控制系統(tǒng)失控造成各種事故的發(fā)生。

1 電網(wǎng)跌落形成原因

電壓跌落是指在某一時刻電壓幅值突然偏離正常工作范圍，經(jīng)很短一段時間后又恢復正常水平的現(xiàn)象。由于一些非人力所能及因素的存在，電壓跌落現(xiàn)象是不可能從根本上加以消除的。因此，要想較好的解決電壓跌落問題，必須從系統(tǒng)和負荷兩方面考慮，一方面要防患于未然，抑制不利因素對系統(tǒng)的影響，盡可能降低系統(tǒng)電壓跌落發(fā)生的可能性，提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量；另一方面是當供電電壓跌落現(xiàn)象發(fā)生后積極采取補救措施，把電壓跌落的持續(xù)時間限制在幾個周期內(nèi)，避免或減少其對敏感電力用戶的干擾。

造成電網(wǎng)系統(tǒng)跌落的主要原因分為外因和內(nèi)因，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）負載劇烈變化引起的電源電壓波動。如大功率電動機啟動時，啟動電流可達到額定電流的4～7倍，甚至更高，造成系統(tǒng)壓降增大，引發(fā)快速、短暫的電壓跌落；還有其它一些大功率設(shè)備的啟停，尤其是對容量較小的電力系統(tǒng)影響更為嚴重；另外，頻繁的啟停設(shè)備也是引起電網(wǎng)電壓跌落的原因。

（2）供電系統(tǒng)短路電流引起電網(wǎng)電壓波動。如高、低壓線路或電氣設(shè)備發(fā)生短路時，跳閘保護動作不靈敏，造成故障的持續(xù)存在，引起電網(wǎng)電壓的跌落。

（3）電路系統(tǒng)中的倒閘操作引起的操作過電壓或短路，造成電網(wǎng)電壓跌落。

（4）雷電過電壓引起的電網(wǎng)電壓波動。當雷電電壓達到避雷器工作電壓時，避雷器導通，限制過電壓，使電網(wǎng)電壓瞬間降低，導致電網(wǎng)電壓跌落。

2 電網(wǎng)跌落對變頻器造成的影響

目前變頻系統(tǒng)廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)及民用等各行業(yè)中，系統(tǒng)運行的主要原理是把不可調(diào)的工頻頻率通過整流、逆變，變頻器輸出從0～400Hz（甚至更高）的可調(diào)頻率，滿足不同場合的控制需求，在節(jié)能、提高功率因數(shù)、低電壓穩(wěn)定輸出等方面上具有非常明顯的效果。

變頻系統(tǒng)運行的優(yōu)點雖然很多，但對電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求也很高。國家標準對電網(wǎng)電壓等級允許波動的范圍規(guī)定：A級波動范圍≤±5%，B級波動范圍≤±7%，C級波動范圍≤±10%。在重要的工作場所，過低的電壓會造成變頻器輸出轉(zhuǎn)矩大幅度降低，影響系統(tǒng)控制的可靠性。

很多起升負載工況下，在變頻器進線電壓大幅降低時，例如下降20%時，仍需要電機輸出額定轉(zhuǎn)矩，采用傳統(tǒng)的恒轉(zhuǎn)矩（Te=const）與恒功率（Te·ωr=const）調(diào)速區(qū)間劃分的變頻器在該工況下運行會導致電機輸出轉(zhuǎn)矩不足以及過電流等問題。

3 解決方式

對于塔機行業(yè)來說，起升負載工況是重點關(guān)注的對象之一。電網(wǎng)電壓的跌落造成變頻器進線電壓大幅降低，此時很有可能影響電機的輸出轉(zhuǎn)矩嚴重不足，甚至更嚴重的會導致電機過流等問題，這些不止增加機械設(shè)備的損耗，也帶來運行當中的一些安全隱患問題。

對此我們做出了深入的研究，希望在此工況下能夠找出一些解決方案。前面提到了解決電壓跌落問題主要從兩方面考慮，一個是系統(tǒng)，一個是負荷。關(guān)于系統(tǒng)的影響因素太多，不可能從源頭上完全杜絕電壓跌落現(xiàn)象的發(fā)生。所以只有從負荷方面著手解決。當電壓跌落（下降額定電壓的20%）發(fā)生時，通過優(yōu)化變頻器的控制來達到目的。我們提出了根據(jù)母線電壓動態(tài)調(diào)整弱磁區(qū)的控制方法，如圖1所示，其中磁鏈給定的值ψS_gvn會根據(jù)母線電壓Vdc及當前轉(zhuǎn)速ωr來共同決定。當母線電壓降低時，也動態(tài)調(diào)整磁鏈給定的弱磁區(qū)范圍，從而達到使電流中的轉(zhuǎn)矩分量最大化的目的。在低進線電壓（下降額定電壓的20%時）的工況下仍能使電機輸出恒定的額定轉(zhuǎn)矩，當然這種輸出額定轉(zhuǎn)矩的能力是有下限范圍的。不過，在進線電壓下降20%時仍能帶動額定轉(zhuǎn)矩啟動到額定轉(zhuǎn)速已經(jīng)可以滿足起重工況的絕大多數(shù)要求。

圖1 磁鏈、母線電壓、轉(zhuǎn)速的關(guān)系

3.1 試驗原理

經(jīng)測試在電網(wǎng)電壓為408V時帶100%額定負載啟動，測試裝置圖如圖2所示。采用電阻模擬長距離供電線路，調(diào)整變頻器的加速時間，使得當加速時產(chǎn)生的較大電流在電阻上產(chǎn)生相應的壓降，加在變頻器進線端的電壓最低低至308V（為額定380V電壓向下波動20%）。此時，變頻器仍能在不過流的情況下輸出足夠的轉(zhuǎn)矩進行啟動、運行、停止等一系列動作。

圖2 試驗原理圖

我們通過在電網(wǎng)的后端、變頻器的前端加入1個電阻箱，保證每相接入的電阻值均為0.75Ω。變頻器控制三相交流異步電機工作。負載端采用1臺直流電機（調(diào)速性能好、過載能力強、能耗低、性能優(yōu)越、振動小、受電磁干擾影響?。┳鳛槲覀兊呢撦d，通過1臺西門子（6RA7075-6DV62-0-Z）直流調(diào)速器對其進行控制。當三相交流異步電機帶100%額定負載啟動時，進線會產(chǎn)生大電流，在電阻箱上產(chǎn)生一個電壓降，母線電壓會大幅降低，在此條件下測試變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩是否會有大幅度的降低或者因為電流過大而保護。

3.2 測試條件

變頻器參數(shù)

額定功率/kW 55

額定電流/A 115

輸入：三相交流380-460V 50/60Hz

輸出：三相交流0-460V 0～300Hz

電機參數(shù)

額定功率/kW 37

額定電壓/V 380

額定電流/A 68.3

額定頻率/Hz 50

額定轉(zhuǎn)速/（r/min） 1465

額定極數(shù) 4

同步轉(zhuǎn)速/（r/min） 1500

控制方式 開環(huán)矢量（不帶編碼器）

3.3 測試波形及數(shù)據(jù)分析

加速段：3.5～8.5s（持續(xù)5s）；50Hz滿載段：8.5～12.5s（持續(xù)4s）；減速段：12.5～17.5s（持續(xù)5s）。

觀察圖3—8波形圖，橫坐標3.5s時開始，優(yōu)化后變頻器控制交流異步電機開閘帶滿載啟動運行，從0Hz開始，加速時間5s，期間輸出功率逐漸增大，輸入電流隨之增大。達到50Hz時，輸出功率和輸入電流均達到最大值，此時在電阻箱上產(chǎn)生的壓降也達到最大，變頻器的輸入電壓達到最?。s308V），母線電壓最低（約425V）。穩(wěn)定后，母線電壓有少許回升，但仍舊很低。在橫坐標8.5～12.5s時間段，變頻器始終保持輸入電壓偏低的狀態(tài)，但負載轉(zhuǎn)矩卻看不出明顯變化，仍然能夠保持100%輸出。在12.5～17.5s時間段，變頻器從50Hz減速到0Hz，輸出功率和輸入電流逐漸下降，輸入電壓穩(wěn)固回升，母線電壓恢復正常。從優(yōu)化后的變頻器控制交流異步電機帶滿載啟動、開閘、加速、50Hz恒定、減速、抱閘、停止整個過程來看，輸出轉(zhuǎn)矩絲毫沒有受到整個“電網(wǎng)跌落”的影響，這是絕大多數(shù)變頻系統(tǒng)辦不到的。

圖3 Vdc

圖4 電流幅值（標量）

圖5 給定轉(zhuǎn)速（標量）

圖6 實際轉(zhuǎn)速（標量）

圖7 電磁轉(zhuǎn)矩（標量）

圖8 負載轉(zhuǎn)矩（標量）

變頻系統(tǒng)對電網(wǎng)供電質(zhì)量的要求非常高，電網(wǎng)電壓跌落對電動機運行的各個參數(shù)都會有不同程度的影響。當電網(wǎng)電壓下降時，使負載電流增高而引起電動機過熱，傳速和輸出功率都會相應減小，并易使電動機因啟動轉(zhuǎn)矩減小而行動困難，甚至無法啟動。電壓下降越大，上述現(xiàn)象越嚴重。但從我們測試的波形及數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化后的變頻器在開環(huán)矢量的控制方式下，低電壓帶滿載啟動沒有任何問題，輸出的轉(zhuǎn)矩保證百分百恒定，絲毫沒有受到影響。

4 結(jié)束語

通過以上理論分析和測試試驗不難看出，在電網(wǎng)出現(xiàn)跌落的情形下，通過我們優(yōu)化后的變頻器仍然可以正常運行。

總之，電網(wǎng)的跌落對變頻器造成的影響極大，尤其是低電壓時，很有可能造成母線電壓過低而輸出轉(zhuǎn)矩不夠，釀成嚴重后果。然而通過我們根據(jù)母線電壓動態(tài)調(diào)整弱磁區(qū)的控制方法保證在電網(wǎng)電壓跌落時仍然能夠滿載輸出，從而避免了許多事故的發(fā)生。