变频驱动：克服电力质量下降带来的困扰

作者：Steve Kuehn

欢迎访问e展厅 展厅 6 配电输电设备展厅 电力电缆, 电气控制柜, 配电箱, 电抗器, 断路器, ... 电力质量正在下降—幸运地是，应用变频驱动技术可以帮助处理器来应对电力质量的下降。 虽然发电能力能够继续跟上需求，但是对输电资产的投资没有跟上需求。事实上，多年以来，因为对输电资产投资的逐步下降，正在破坏着电网的稳定性。供电可靠性的降低有可能影响电力质量。 但机械设备如何才能正常工作？更明确地说，设备工程师应如何选定或维护过程系统中的电动机和驱动器，以应对电力质量的降低？ 最近访问了ABB电力系统咨询集团的Robert Glickman先生和ABB公司低压驱动事业部的主任工程师Tom Bernhardt先生，在低压驱动事业部对电力质量问题的调查中发现 ：脉宽调制 (PWM)的交流电动机控制驱动技术用户可能遇到这个问题，而且这个技术的设计特色能让它的影响降低到最小。按照Bernhardt先生所说，任何电力质量问题都是以电压、电流或者频率偏移的形式出现，都可能引起潜在的设备故障，这是加工机械所关心的。 电压骤降：Bernhardt说，公用事业系统的故障常常是配电线路不对称和单相接地的故障，这些故障会产生电压骤降。电压骤降是供电电压有效值的瞬时下降，有代表性的数值是0.5-30周波或者8ms-500ms。这些电压骤降通常用它们的大小和持续时间来描述。但是它们也需要按照电压不平衡、非正弦曲线的波形和相位角变换来理解。交流驱动器有相当好的性能来缓冲一个电压骤降，因为它们在其直流线路电容器上贮备能源，并且能利用贮备在负荷惯量的能源。驱动器的线路电压可以在直流线路上监控。通过控制逻辑和它的风扇散热来减小那个线路。因此，只要直流线路维持，驱动器就不受线路电压骤降的限制。典型的直流线路将缓冲额定电压的65-51%的等同线路电压。 星形—三角形变压器：Bernhardt先生和Glickman先生同时指出：在一个不对称的故障期间，变压器连接对负载的最终线路电压有重要的影响。大多数交流驱动器是三线输送而没有零线。因此，输入整流器时期仅为相间的电压。在故障位置，单相接地的故障将产生一个零电压，但是其它的两相在本质上是不受影响的。如果星形 — 三角形变压器在故障和负载之间，那么被故障影响的三角形一侧的两个相位电压变为零，但是相间的电压没有变为零。驱动器的两个线路电压将经历一个电压骤降。同样地，相间的故障将引起相位漂移，在变压器的次级线圈能产生一个零电压情况。 相位不平衡：相位不平衡与电压骤降有关，它是由于电源的感抗与阻抗之比（X/R）和错误的供电差别引起的，以及通过一个变压器由于单相接地故障引起的电压骤降的传播。 在正常运转期间，一个驱动器的输入电压是平衡的，桥式整流器的二极管是对称性的正向偏置。相位不平衡可减弱的一个或者多个相间电压数值，可把一个或者多个相位的电压降低到额定电容器电压的峰值电压以下。这引起整流二极管不是正向偏压。在这个状态下，从交流电源到电容器没有能量流动。这个电容器将继续放电，直到有一个输入电压峰值，这个峰值足够高到正向偏压二极管。 Bernhardt说，因为这个电容器放的电已经多于它的常规总额，所以从交流电源对其再充电到最高峰值点电压引起的电流将是相当的高。事实上，在一些相位上的额定输入电流（rms）可能超过规定额定值的200%，并且有关的高电流相位的峰值电流可能是常规电流的4倍。 Glickman解释说，在这些情况下，因为线路电流太高，交流驱动器常常伴随着过电流；或者是因为直流线路的电压下降至极限值以下而产生的欠压。 Glickman说，当单相电力负载不均衡的分布在一个加工机械的3相电力系统上时，将产生类似的影响。解决方法是更均匀的平衡这些所有三个相位上的负载，或者是在产生问题的交流驱动器上安装一个交流线路的电抗器。这个电抗器应该适合于携带驱动器的全部负载电流，无论在何处它都应该有一个从2%至6%的额定阻抗。 线路电阻：Bernhardt说，有效阻抗对一个驱动器运转的影响如何，在于是高阻抗电路或者是低阻抗电路。额定值(即 ：%Z = 1%)，短路电流的额定值设定为驱动器额定值的100倍，高阻抗线路(即：%Z>10%)，短路额定值是驱动器额定值的10倍；低阻抗线路(即：%Z<0.1%)，短路额定值是驱动器额定值的1000倍。 Bernhardt和Glickman说，系统设计人员可以使用许多设计方法，将线路阻抗的管制影响降低到最小：比如，避免应用多重变压器来达到合适的负载电压；选择低阻抗或者特大型的变压器；在较高的电压运转时设计长电缆；增大由于散热设计所需的最小载流容量的导线尺寸。 瞬时电压：Glickman和Bernhardt谈到：在大多数的应用系统中，电容器切换是常有的事情。在输电系统中应用并联电容器，在变电站中应用配电反馈电线。这些装置能调整白天和夜晚时间负载差别的线路电压，也可能进行日常切换。给与这些电容器的电压会在电容器和电力系统内阻抗之间产生瞬时的电压。 过电压：Bernahrdt和Glickman解释说，电压源PWM驱动器应用直流电容器来消除整流的线路电压，并作为驱动器的逆变器部件的能源。驱动器的线路电压在直流电容器或者线路上可以监控。过电压的错误点常常设定为额定电压的130%-135%。发生过电压错误时禁止驱动器运转，但是不能把驱动器从线路上除掉。Bernhardt说，通过PWM调制来调节电动机的电压，编写驱动器自动重启功能的程序，一旦恢复正常的线路状态时，可以恢复一个过电压错误。 接地布置：Glickman和Bernahrdt说，除了金属氧化物突波吸收器(MOV)和电磁干扰/无线电干扰(EMI/RFI)滤波器以外，对于接地的驱动器电力电路常常是浮动的。他们解释说 ：EMI滤波器应该应用在对称的中性点接地系统中。Glickman注释说，许多出版的有关电力质量的文献里提出 ：事实上，大部分的电力品质问题涉及到的是用户设备的配线问题，特别是关于接地和连接。 Glickman和Bernhardt都特别提到输电线的干扰不能完全被避免。现有的几种解决方法都是减少由电力应用系统产生的电压、电流和频率的偏差。现在的许多低压装置都有能力完全的或者部分的处理一定范围的电力质量情况，但是站在他们的立场，按照他们的交流驱动器来说，应该被作为一个电力条件作用的技术。他们解释的这个技术能进行电力质量的校正，在很大程度上是驱动器的设计作用和它附加半导体元件的作用。 当选定驱动元件时，Berhanrdt和Glickman有如下建议： 设定驱动元件具有高电压等级： (1) 1600峰值反向电压(PIV)整流二极管； (2) 相间的和相对地的金属氧化物突波吸收器(MOV)的瞬时额定保护值是120-370焦耳，其通流耐量最大值为8000安培，并且在整流器额定电压范围的1-2毫秒内提供160,000瓦特吸收。 Glickman和Bernhardt指出：由于MOV相间的额定功率仅仅有1-2瓦特，必须注意避免让MOV承受连续的瞬时现象。Glickman说：消除有害波峰的一个有效方法是应用串联感应器(扼流圈或者线路电抗器)把驱动器和电力系统隔开。扼流圈或者线路电抗器的额外串联电感可以减少瞬时电压的大小。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (1/24/2005)