杜聞捷

上海申能臨港燃機發(fā)電有限公司

0 引言

變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備。大型電動機在變頻運行方式下具有節(jié)能效果明顯、啟動平滑穩(wěn)定等特點，同時還配置了不同的功能供用戶選擇，因而在電力、石化等不同的工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。其中，變頻器瞬停再啟動功能可以在輸入電源電壓暫降時，變頻器停止輸出，當(dāng)電源電壓恢復(fù)正常時，變頻器將重新啟動，根據(jù)負(fù)載的不同，停電再啟動時間一般要求在3~10 s之間，防止電網(wǎng)電壓暫降引起的生產(chǎn)停頓。

1 變頻器調(diào)速的基本原理及控制方式簡介

電動機的轉(zhuǎn)子是依靠電磁感應(yīng)而得到能量的，把能量從定子繞組傳遞給轉(zhuǎn)子的是主磁通φm，而主磁通φm在電路中通過反電動勢E來體現(xiàn)，在額定電源頻率時，定子繞組的反電動勢E的大小是和電源頻率f與磁通φm的乘積成正比。而變頻器調(diào)速的基本原理就是通過改變旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)整。根據(jù)電動機轉(zhuǎn)速與電源頻率的關(guān)系，改變電源頻率f，就能改變電動機的轉(zhuǎn)速n。

在調(diào)速的過程中，若電源電壓V保持不變，則磁通φm與電源頻率f成反比，當(dāng)電源頻率f改變，就會導(dǎo)致磁通φm的減小或增大，當(dāng)產(chǎn)生低勵磁（弱勵磁）現(xiàn)象時，引起電動機轉(zhuǎn)矩不足；當(dāng)產(chǎn)生過勵磁或者勵磁飽和時，鐵耗急劇增加使電機發(fā)熱，甚至可能燒壞電機。因此調(diào)速過程中保持磁通φm不變，就要保證變頻器的輸出電壓和輸出頻率成正比關(guān)系即V/f比值為定值，它是變頻器調(diào)速的最基本控制方式[2]。

變頻器調(diào)速的控制方法除了恒壓頻比控制還有矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制等。恒壓頻比控制結(jié)構(gòu)簡單、成本低、控制方便，廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)場合，其他控制方法雖然調(diào)速性能高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、控制也復(fù)雜。通常V/f變化過程是一條曲線（一般為直線居多，其比值通常以工頻為基準(zhǔn)），對應(yīng)不同場合的V/f曲線也是有差異的，這個曲線的設(shè)置根據(jù)變頻器驅(qū)動的負(fù)載性質(zhì)來設(shè)定，從而改善變頻器的頻率—扭矩特性，以滿足配套設(shè)備的需求[3]。

2 電動機的機械特性

工頻電動機的機械特性（即電動機的轉(zhuǎn)速與電動機的轉(zhuǎn)矩關(guān)系）如圖1所示：當(dāng)電動機工頻啟動后，其電動機的轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速先上升再下降，A點為電動機啟動轉(zhuǎn)矩點，B點為電動機最大轉(zhuǎn)矩點，C點為額定轉(zhuǎn)矩點即電動機額定轉(zhuǎn)速點。變頻電動機的機械特性（控制方式為恒壓頻比）是每一個頻率點對應(yīng)一條像圖1形狀的曲線，用Simulink軟件對電動機幾個頻率段的啟動過程進(jìn)行仿真如圖2b、2c所示，由于扭矩振蕩的原因，在電動機低速時其機械轉(zhuǎn)矩是振蕩的[4]，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后可以得到圖2a系列曲線簇[5]。

圖1 工頻電動機的機械特性曲線

圖2b 電動機在30 Hz及45 Hz啟動的機械特性曲線

需要注意的是圖2a中各個不同頻率段的電動機機械特性曲線，其電壓與頻率的比值是定值，可以看到隨著頻率的降低，其啟動轉(zhuǎn)矩及最大轉(zhuǎn)矩也在降低，這主要因為電動機在低頻運行時，定子壓降不能忽略，故V/f的比值偏小，導(dǎo)致此時的磁通也偏小最終使轉(zhuǎn)矩降低，為了能使磁通得到補充，必須采取適當(dāng)補償定子電壓的方式，來抵消阻抗壓降份額的影響，這稱之為轉(zhuǎn)矩提升法，如圖3所示，經(jīng)過補償之后的變頻電動機機械特性曲線在低頻時可以得到轉(zhuǎn)矩的提升。

圖2a 變頻電動機的機械特性曲線

圖3 補償定子電壓V/f曲線

圖2c 電動機在35 Hz、40 Hz、45 Hz及50 Hz啟動的機械特性曲線

電動機變頻啟動的過程如圖4所示，變頻器輸出頻率逐步升至設(shè)定頻率的過程中，當(dāng)A點頻率對應(yīng)的啟動轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時（圖中為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載），電動機就開始啟動升速，到達(dá)K點時其機械轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，電動機轉(zhuǎn)速不再增加達(dá)到平衡。隨后輸出頻率再增加（輸出電壓隨頻率也增加），于是K點移動到L點，電動機轉(zhuǎn)速上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)M點時，電動機再次達(dá)到平衡轉(zhuǎn)速不再增加，以此類推，電動機就沿著圖中折線MNOPQR，最后穩(wěn)定運行于所設(shè)定頻率線上的S點。當(dāng)然電動機啟動過程也可以不經(jīng)過這些平衡點，即機械轉(zhuǎn)矩始終大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩讓電動機一直處于升速的過程，直到S點達(dá)到設(shè)定頻率的平衡。當(dāng)負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時，其特點是各個穩(wěn)定點為恒轉(zhuǎn)矩的，只有在升速或者降速的過程中轉(zhuǎn)矩是變動的；當(dāng)負(fù)載為風(fēng)機水泵類負(fù)載時，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電動機轉(zhuǎn)速的平方成正比，所以電動機轉(zhuǎn)速升高，其機械轉(zhuǎn)矩也是上升的，這可以從變頻器輸出電流的大小來判斷。

圖4 電動機變頻啟動的過程

3 變頻器瞬停再啟動功能簡介及失敗案例分析

3.1 變頻器瞬停再啟動功能

如今大多數(shù)變頻器都具備瞬停再啟動功能，當(dāng)變頻器輸入電源電壓暫降時，變頻器將停止輸出(與變頻器功能及設(shè)置有關(guān)，本文只討論瞬時失電不輸出)，當(dāng)電源電壓恢復(fù)正常時，變頻器將重新啟動，根據(jù)負(fù)載的不同，停電再啟動時間一般要求在3~10 s之間（與變頻器設(shè)置有關(guān)），該功能作為標(biāo)準(zhǔn)配置提供給用戶，防止電網(wǎng)電壓暫降引起的生產(chǎn)停頓[6]。

需要注意變頻器瞬停再啟動與變頻器正常啟動的區(qū)別，前者的啟動方式特點為：當(dāng)變頻器瞬時失電不再輸出時，電動機仍處于轉(zhuǎn)動的狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速是隨機的，當(dāng)變頻器重新啟動時，其輸出的頻率必須與當(dāng)前電動機轉(zhuǎn)速相近，若輸出頻率遠(yuǎn)大于電動機轉(zhuǎn)速則變頻器過流而跳閘，若輸出頻率遠(yuǎn)小于電動機轉(zhuǎn)速則變頻器因電容電壓過高而跳閘。對于無速度傳感器的恒V/f控制方式可采取輸入恒定電流的V/f曲線電壓比較法、直流母線最小電流法、基于定子轉(zhuǎn)矩電流矢量的轉(zhuǎn)速估算法等來確定電動機的轉(zhuǎn)速，從而輸出與當(dāng)前轉(zhuǎn)速相近的頻率電壓。

3.2 變頻器瞬停再啟動失敗案例分析

某日電網(wǎng)電壓波動，運行人員監(jiān)盤發(fā)現(xiàn)循環(huán)水母管壓力低報警，但畫面上2號、4號循泵處于運行狀態(tài)，其中2號循泵的變頻器輸出頻率、輸出電壓基本為零，2號循泵出口蝶閥為開啟狀態(tài)，而4號循泵各運行參數(shù)均正常，初判2號循泵異常運行導(dǎo)致循環(huán)水母管壓力低。此時為了保證兩臺運行機組的循環(huán)水供應(yīng)，立刻手動投運1號循泵，同時關(guān)閉2號循泵出口蝶閥，停運2號循泵，防止循環(huán)水從2號循泵出口蝶閥倒流，由1號、4號循泵來維持循環(huán)水系統(tǒng)母管的壓力。

以下為2號循泵異常運行的數(shù)據(jù)調(diào)查及分析：當(dāng)2號循泵變頻器收到瞬時失電報警信號時，從圖5中可看到變頻器的輸出電壓、頻率、電流基本為0〔這里的頻率是指變頻器的輸出頻率，不是電動機的頻率（轉(zhuǎn)速）反饋〕，此時由于2號循泵出口蝶閥處于開啟狀態(tài)，循環(huán)水會經(jīng)過此閥門倒流回循泵致使循環(huán)水母管壓力降低且使循泵的轉(zhuǎn)速快速下降甚至倒轉(zhuǎn)。經(jīng)過10 s左右（電網(wǎng)電壓已在0.1 s內(nèi)恢復(fù)正常），變頻器將重新啟動，輸出電流在200 A左右，但輸出電壓及輸出頻率基本無數(shù)值，此過程維持了6 s左右，直到變頻器輸出電流為0 A。

圖5 2號循泵變頻器瞬停再啟動電源輸出曲線

循泵正常啟動的過程是這樣的（如圖6所示）：變頻器接收到指令先進(jìn)行充電，充電完成之后，輸出電壓隨著輸出頻率增加而升高，當(dāng)頻率達(dá)到25 Hz時，循泵出口蝶閥以一定速率開啟直至開足，變頻器輸出電流隨著頻率的增加而慢慢變大。表1是各個頻率階段變頻器輸出電壓的數(shù)值及它們的比值，可以看出V/f比值基本維持為定值，低頻階段偏低。

圖6 循泵正常啟動時變頻器電源輸出曲線

表1 循泵正常啟動時變頻器輸出電壓、頻率數(shù)值

當(dāng)日1號機閉冷泵變頻器也收到瞬時失電報警信號，從圖7中可以看到變頻器的輸出電壓及頻率跌落幅度較大，輸出電流基本為0，經(jīng)過5 s左右（電網(wǎng)電壓已在0.1 s內(nèi)恢復(fù)正常）變頻器將重新啟動，輸出電壓隨著輸出頻率的增加而慢慢升高，輸出電流隨著頻率的增加也慢慢變大。

圖7 1號閉冷泵變頻器瞬停再啟動電源輸出曲線

綜上所述，當(dāng)日的電網(wǎng)電壓波動影響了電廠部分變頻設(shè)備，其中2號循泵變頻器瞬停再啟動失敗，1號閉冷泵變頻器瞬停再啟動成功，其主要原因如下：當(dāng)2號循泵變頻器瞬時失電，便不再輸出電壓、頻率及電流，但不會觸發(fā)跳泵（2號循泵高壓側(cè)6 kV開關(guān)分閘），電網(wǎng)電壓一旦恢復(fù)正常時，變頻器會在幾秒內(nèi)（瞬停再啟動時間與變頻器的設(shè)置有關(guān)）重新啟動。由圖5可以看出重新啟動后的變頻器輸出電流能保持一定數(shù)值，但輸出電壓及輸出頻率基本沒有數(shù)值，電機啟動失敗；數(shù)秒后，變頻器再次重新啟動，但仍然失敗。由于循泵的出口蝶閥開關(guān)邏輯與循泵的停運信號有關(guān)，變頻器瞬時失電不會觸發(fā)跳泵，所以循泵出口蝶閥也不會自動關(guān)閉（只有在循泵正常停運，保護(hù)動作以及啟動程序超時才會自動關(guān)閉循泵出口蝶閥），這就導(dǎo)致循環(huán)水從蝶閥倒流，循泵會立刻從當(dāng)前轉(zhuǎn)速下降甚至倒轉(zhuǎn)，當(dāng)變頻器重新啟動后，由于循泵低頻時的轉(zhuǎn)矩（定子壓降不能忽略，此時的磁通偏小，轉(zhuǎn)矩也偏低）遠(yuǎn)小于此時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，所以循泵無法正常啟動。循泵正常的變頻啟動是變頻器輸出頻率在25 Hz之前，循泵出口蝶閥是關(guān)閉的，循環(huán)水母管雖然有壓但不會倒流回至循泵，所以此時的機械轉(zhuǎn)矩是大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的，循泵很容易轉(zhuǎn)動起來。而閉冷泵變頻器瞬停再啟動成功是因為閉冷泵出口有逆止門，當(dāng)閉冷水母管壓力低時，聯(lián)鎖啟動工頻泵，變頻泵出口逆止門回座，此時由工頻泵維持母管壓力，當(dāng)變頻器重新啟動時，其機械轉(zhuǎn)矩是大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的，所以電動機很容易轉(zhuǎn)動起來，最終恢復(fù)到正常運行狀態(tài)。

4 采取措施及建議

對于此次電網(wǎng)電壓波動導(dǎo)致2號循泵瞬停再啟動失敗的案例分析可以得出，若要循泵再啟動成功可以通過以下兩種方式：

1)縮短變頻器瞬停再啟動時間。電網(wǎng)電壓波動往往是短暫的，但不排除特殊情況，如果不修改循泵出口蝶閥邏輯即當(dāng)變頻器瞬停時仍處于開啟狀態(tài)，縮短再啟動時間可以讓循泵轉(zhuǎn)速未跌落太多重新轉(zhuǎn)動起來即再啟動成功，但這需要試驗來論證，其關(guān)鍵點在于再啟動時間的設(shè)置以及當(dāng)前循環(huán)水系統(tǒng)運行的狀態(tài)。

2)修改循泵出口蝶閥相關(guān)邏輯。不更改再啟動時間，循泵有可能因循環(huán)水倒流而導(dǎo)致電動機停止轉(zhuǎn)動或者倒轉(zhuǎn)，如需再啟動成功必須先將循泵出口蝶閥關(guān)閉，但原邏輯中循泵出口蝶閥只有在循泵正常停運，保護(hù)動作以及啟動程序超時才會自動關(guān)閉循泵出口蝶閥，為能再啟動成功必須修改此邏輯及相關(guān)設(shè)備邏輯，這也需要試驗來論證。

針對上述兩種方式的復(fù)雜性及不可靠性，經(jīng)相關(guān)部門討論，增設(shè)當(dāng)循泵變頻器在低電壓時，延時0.5 s觸發(fā)跳泵（2號循泵高壓側(cè)6 kV開關(guān)分閘）的保護(hù)，這樣既可以聯(lián)鎖啟動工頻備用泵，又可以使因保護(hù)動作的循泵其出口蝶閥自動關(guān)閉。當(dāng)然也可采取不選用循泵變頻器瞬停再啟動功能，即當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓波動導(dǎo)致變頻器瞬時失電時重故障直接跳泵。

5 結(jié)語

針對不同的設(shè)備及運行方式來說，要根據(jù)實際情況來選擇變頻器的配置功能，雖然變頻器瞬停再啟動功能能夠使設(shè)備盡快地重新運行起來，避免了復(fù)位操作，保證整個系統(tǒng)的連續(xù)運行，但要考慮再啟動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩以及低頻時電動機的機械轉(zhuǎn)矩，防止電動機再啟動失敗。