楊育峰

（陜西有色天宏瑞科硅材料有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000）

0 引 言

變頻器的使用能夠及時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)備速度，滿(mǎn)足企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)調(diào)速控制的要求，但晃電等電能質(zhì)量問(wèn)題阻礙了變頻器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，影響企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的效率，甚至造成生產(chǎn)停止。在變頻器抗晃電措施中，直流支撐技術(shù)通過(guò)備用電源模塊輸出直流電壓，由此確保變頻器晃電時(shí)其直流母線(xiàn)電壓不會(huì)下降，保障生產(chǎn)線(xiàn)的平穩(wěn)運(yùn)行。變頻器抗晃電能夠?yàn)樯a(chǎn)活動(dòng)提供穩(wěn)定的電流，進(jìn)一步保障變頻器等電力設(shè)備的運(yùn)行安全性，減少電能質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，促進(jìn)生產(chǎn)企業(yè)的持續(xù)性發(fā)展。通過(guò)研究變頻器抗晃電的直流支撐技術(shù)方案，分析不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，推動(dòng)變頻器抗晃電改造的創(chuàng)新性發(fā)展。

1 變頻器的使用原理

變頻器作為能夠控制電機(jī)速度的電力設(shè)備，在連續(xù)型生產(chǎn)企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。它通過(guò)改變自身電源頻率來(lái)調(diào)節(jié)、控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，利用半導(dǎo)體器件的通斷作用將電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電。變頻器可通過(guò)電壓或電流進(jìn)行控制，通過(guò)改變輸出電壓大小調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，或者通過(guò)改變輸出電流大小調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)變頻器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與速度控制。

隨著工業(yè)自動(dòng)化和智能制造的不斷發(fā)展，變頻器的重要性日益凸顯。變頻器作為一種關(guān)鍵的調(diào)速控制設(shè)備，能夠精確控制機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行速度，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。變頻器的節(jié)能降耗作用還為企業(yè)節(jié)約能源成本、降低環(huán)境污染做出了積極的貢獻(xiàn)[1]。變頻器的保護(hù)功能可以延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，減少維修成本和停機(jī)時(shí)間。變頻器的電網(wǎng)優(yōu)化功能提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供了有力保障。

2 變頻器抗晃電的重要作用

2.1 為生產(chǎn)活動(dòng)提供穩(wěn)定的電流

變頻器抗晃電可以為生產(chǎn)活動(dòng)提供更加穩(wěn)定的電流。電網(wǎng)晃電是一種常見(jiàn)現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致電壓暫降或短時(shí)斷電，影響電機(jī)和變頻器的正常運(yùn)行。變頻器在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)電流的穩(wěn)定性要求很高，如果受到電網(wǎng)晃電的影響，可能會(huì)導(dǎo)致變頻器停機(jī)、設(shè)備故障或生產(chǎn)線(xiàn)停產(chǎn)等問(wèn)題。采用特殊的電子和電力電子技術(shù)如直流支撐技術(shù)，可以減小電網(wǎng)晃電對(duì)電機(jī)和變頻器的影響，從而為生產(chǎn)活動(dòng)提供更加穩(wěn)定的電流。通過(guò)充分發(fā)揮直流支撐技術(shù)的作用，即便出現(xiàn)晃電現(xiàn)象，也可保證變頻器的正常使用，避免出現(xiàn)生產(chǎn)中斷等重大問(wèn)題。

2.2 保障電力設(shè)備的安全性

變頻器抗晃電還可進(jìn)一步保障電力設(shè)備的安全性。電網(wǎng)晃電可能導(dǎo)致電壓暫降或短時(shí)斷電，對(duì)電力設(shè)備造成一定的沖擊和損害。尤其是對(duì)于變頻器等精密度較高的電力電子設(shè)備，電網(wǎng)晃電對(duì)其安全運(yùn)行的負(fù)面影響更顯著。變頻器抗晃電技術(shù)的應(yīng)用能夠有效減輕電網(wǎng)晃電對(duì)電力設(shè)備的影響，確保變頻器能夠在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓暫降或短時(shí)斷電時(shí)快速響應(yīng)，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，如快速重啟、故障檢測(cè)與處理等。這些措施可以降低設(shè)備受到的沖擊和損害，從而保障電力設(shè)備的安全運(yùn)行[2]。

此外，變頻器抗晃電技術(shù)的使用可以降低維修和更換設(shè)備的成本。由電網(wǎng)晃電引起的設(shè)備故障和損壞需要維修或更換，給企業(yè)帶來(lái)額外的成本，而變頻器抗晃電可以降低這類(lèi)故障的發(fā)生率，從而降低維修和更換設(shè)備的成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3 變頻器抗晃電的解決方案

3.1 動(dòng)能緩沖技術(shù)

變頻器的動(dòng)能緩沖技術(shù)能夠有效應(yīng)對(duì)電壓瞬間降低的問(wèn)題。在電網(wǎng)電壓瞬間降低時(shí)，為了抵抗變頻器直流電壓的降低，可利用負(fù)載電機(jī)中的動(dòng)能，將這部分動(dòng)能反饋到變頻器的直流母線(xiàn)。但這種方法也存在一定的缺陷，其抗擊低電壓的時(shí)間相對(duì)較短，且與負(fù)載的特性有很大關(guān)聯(lián)。動(dòng)能緩沖技術(shù)只能在一定限度內(nèi)盡量保障變頻器母線(xiàn)電壓值平穩(wěn)，當(dāng)電壓值下降過(guò)多且超出動(dòng)能緩沖功能的最大范圍時(shí)，則無(wú)法維持變頻器的有序運(yùn)轉(zhuǎn)，使變頻器報(bào)欠壓故障停機(jī)。待變頻器母線(xiàn)電壓值恢復(fù)正常后，才能重新啟動(dòng)變頻器。因此，動(dòng)能緩沖技術(shù)存在較大的局限性，無(wú)法切實(shí)有效地實(shí)現(xiàn)變頻器抗晃電，給生產(chǎn)活動(dòng)的持續(xù)性發(fā)展造成了一定阻礙。

3.2 直流支撐技術(shù)

變頻器直流支撐技術(shù)通過(guò)在變頻器直流母線(xiàn)中增加支撐電容，使變頻器在電壓暫降時(shí)能夠保持穩(wěn)定的直流電壓。當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)暫降時(shí)，支撐電容可以向變頻器提供所需的能量，從而保證變頻器輸出電壓和頻率的穩(wěn)定性。由于變頻器直流支撐技術(shù)較為復(fù)雜，對(duì)維護(hù)人員的技術(shù)水平要求較高，企業(yè)需要聘請(qǐng)具備專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能的維護(hù)人員，確保變頻器系統(tǒng)的高效維護(hù)[3]。此外，變頻器直流支撐技術(shù)可能會(huì)與一些特定的設(shè)備或系統(tǒng)存在兼容性問(wèn)題，需要進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試和調(diào)整。

4 變頻器抗晃電的直流支撐技術(shù)路線(xiàn)

4.1 Boost 技術(shù)

基于Boost 技術(shù)的蓄電池組輸出處理模塊主要包括電池組、充電器、Boost 升壓模塊以及監(jiān)控單元。當(dāng)變頻器出現(xiàn)晃電時(shí)，蓄電池組可通過(guò)Boost 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)直流升壓，將電壓傳輸?shù)阶冾l器中，避免因晃電出現(xiàn)電壓下降的問(wèn)題，影響變頻器的正常運(yùn)行。雖然使用多節(jié)蓄電池串聯(lián)也可實(shí)現(xiàn)變頻器支撐，但是Boost技術(shù)方案能夠通過(guò)Boost升壓模塊直接引入電流，因此對(duì)于大多數(shù)不需要持續(xù)性支撐的場(chǎng)合，可以?xún)H采用少量的蓄電池組來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻器抗晃電，保證變頻器的正常使用，達(dá)到節(jié)約成本的目的[4]。

Boost 技術(shù)方案易于實(shí)施，并且在實(shí)現(xiàn)變壓的過(guò)程中不使用常規(guī)的工頻變壓器，可以縮小系統(tǒng)的體積。然而，由于電路的拓?fù)涮匦?，?fù)載無(wú)法將電能反饋給電源，因此電能只能實(shí)現(xiàn)單向流動(dòng)，存在一定的局限性。需要注意，在變頻器的并聯(lián)方式下，由于直流波紋較大，容易造成變頻器的環(huán)流，難以充分發(fā)揮Boost 技術(shù)方案的使用效率。

4.2 高頻變壓技術(shù)

高頻變壓技術(shù)方案與Boost 技術(shù)方案類(lèi)似，只是將Boost 升壓模塊更換為高頻變壓模塊。通過(guò)全橋脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）逆變器將蓄電池的輸出轉(zhuǎn)換為高頻交流電，然后經(jīng)過(guò)變壓器整流后再進(jìn)行整流輸出。該方案采用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)了一次電源和二次電源的電氣隔離，使其能夠穩(wěn)定運(yùn)行。全橋變換器中的變壓器在正負(fù)半周內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)移。其整流電路有全波整流電路、全橋整流電路以及雙相整流電路等。

此外，高頻鏈逆變器具有電路拓?fù)淇烧{(diào)、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高、效率高以及響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)特殊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)能量雙向流通。高頻變壓技術(shù)方案濾波比較簡(jiǎn)單，能夠有效滿(mǎn)足變頻器的調(diào)速和運(yùn)行需要。

4.3 晶閘管技術(shù)

晶閘管技術(shù)方案中，系統(tǒng)主要由電池組、充電器、壓差控制器以及電子開(kāi)關(guān)等構(gòu)成。技術(shù)人員無(wú)須對(duì)蓄電池組的輸出電壓進(jìn)行處理，而是直接將多個(gè)蓄電池直接串聯(lián)，以加大蓄電池的輸出，使其達(dá)到變頻器直流母線(xiàn)所需的電壓。晶閘管技術(shù)方案具有更簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此在理論上具有更高的可靠性與可實(shí)施性。在控制系統(tǒng)中，利用壓差控制器來(lái)監(jiān)測(cè)變頻器母線(xiàn)電壓的變化，能夠更加及時(shí)地切換電池組。直流壓差控制器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控變頻器母線(xiàn)電壓的變化，并將其與給定的電壓值進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)壓力差達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，便可自動(dòng)識(shí)別出現(xiàn)變頻器晃電現(xiàn)象，并且控制裝置將一個(gè)信號(hào)發(fā)送給電子開(kāi)關(guān)組件，從而使該開(kāi)關(guān)接通。然而晶閘管技術(shù)方案中的電池組是將多個(gè)蓄電池串聯(lián)，以獲得一定的電壓，該特點(diǎn)在低功耗變頻調(diào)速裝置防晃電改造中體現(xiàn)得更為突出。在使用晶閘管技術(shù)方案時(shí)，可通過(guò)優(yōu)化控制算法，加快變頻器的響應(yīng)速度，減小電壓波動(dòng)和電流沖擊，還可利用預(yù)測(cè)算法預(yù)測(cè)電壓和電流的變化趨勢(shì)，提前調(diào)整控制策略，降低晃電對(duì)變頻器的影響。在設(shè)計(jì)晶閘管技術(shù)方案時(shí)，需要將晶閘管安裝于散熱性能良好的位置，并采取風(fēng)冷、液冷等冷卻措施，確保晶閘管在工作過(guò)程中保持較低的溫度，以此來(lái)保證晶閘管技術(shù)的抗晃電效果。

此外，技術(shù)人員還可將晶閘管與其他電路元件合理集成，確保整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性，并通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)和控制策略，提高變頻器的抗晃電能力和整體性能。

在應(yīng)用晶閘管技術(shù)方案時(shí)，還應(yīng)做好安全防護(hù)措施，采取電磁兼容設(shè)計(jì)措施，有效降低外界電磁干擾對(duì)變頻器的影響，并在關(guān)鍵部位設(shè)置安全防護(hù)裝置，如防護(hù)罩、安全開(kāi)關(guān)等，確保設(shè)備和人員的安全。通過(guò)晶閘管技術(shù)方案的實(shí)施，可有效提高變頻器的抗晃電能力，確保其在各種惡劣環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

此方案對(duì)蓄電池的消耗較多，在一定程度上會(huì)增加變頻器抗晃電成本，降低企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。蓄電池?cái)?shù)量的增加會(huì)導(dǎo)致蓄電池組的故障概率變大，難以保證變頻器抗晃電技術(shù)的穩(wěn)定性與可靠性。對(duì)于應(yīng)用這種設(shè)計(jì)方法的變頻調(diào)速系統(tǒng)，其直流紋波很大，多個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)容易產(chǎn)生環(huán)流，影響變頻器的有序使用。

5 結(jié) 論

文章通過(guò)分析變頻器抗晃電的3 種直流支撐技術(shù)方案，發(fā)現(xiàn)高頻變壓技術(shù)在變頻器抗晃電中應(yīng)用具有優(yōu)良的使用功能，能夠有效為企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)提供穩(wěn)定的電流，保障電力設(shè)備的安全性，推動(dòng)變頻器抗晃電改造質(zhì)量的進(jìn)一步提升。