变频器接入电源系统方案选择的重要性分析

薄宏岩，吴志忠

（中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古鄂尔多斯017209）

变频器接入电源系统方案选择的重要性分析

薄宏岩，吴志忠

（中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古鄂尔多斯017209）

低压、高压变频器本身具有通过检测输入电源系统电压、电流来判断接地故障的功能，如果变频器接入电源系统没有隔离变压器，由于输入电源系统发生单相接地故障，变频器保护就会动作跳闸。以某大型煤化工项目高压变频器选型为例，论述了6kV系统单相接地故障引起同一段母线上多台高压变频器跳闸的原因。主要对变频器接入电源系统类型进行了分析，最后阐明了在工程实际中做好变频调速系统方案选择的前提和必要性。

电源系统；接地故障；隔离变压器；变频器

1 引言

国内某大型煤化工项目气化炉水煤浆泵高压变频器选择的是输入电源没有隔离变压器的方案，运行中电源系统发生单相接地故障时，同一母线段上的高压变频器跳闸停机。在我国电网大电流接地系统发生单相接地故障时，保护装置动作跳闸切除故障点。6kV小电流接地系统发生单相接地故障时，电网系统及电气设备可以继续运行2小时。接在6kV不接地系统上的高压变频器跳闸，会给装置平稳生产带来较大的经济损失。本文结合工程实例及电网系统的状况，研究选择变频器接入电源系统的方案。文中对典型变频器输入电源隔离方案类型进行了分析论述，给工程技术人员提供在工程实际中的参考借鉴。下面首先从低压变频器接入电网系统的方式进行分析，然后主要论述高压变频器电源接入方案的类型和选择。

2 低压变频器接地故障

低压变频器一般接入380V、600V大电流接地电源系统，出现单相接地故障电流很大，必须将故障回路和供电电源切除，电源被切断，变频器自然就停止运行，在输入侧安装仅起隔离作用的变压器没有实际意义。不管低压变频器交流输入电源侧，还是变频器输出侧单相接地，变频器自身都会检测出故障后停机。下面以低压变频器ACS500为例分析接地故障。

2.1 变频器输入电源侧接地

（1）如果低压母线、馈线断路器、电源馈线电缆等部位发生单相接地短路故障，低压母线进线断路器、馈线断路器电流保护元件动作跳闸，变频器输入电源被切断，变频器会失电，停止运行。

（2）系统接地的同时，变频器本身也会检测出故障，表1是ACS500变频器接地故障信息。当低压输入电源接地时，变频器自身检测供电电源输入及直流环节欠压故障，故障代码6表示直流欠压，相电压一相接地，中间回路因直流（DC）电压不足而停机。

表1 ACS500变频器接地故障信息

2.2 变频器输出侧接地故障

当变频器输出侧单相接地出现故障，比如变频器馈线电缆、电动机等部位接地短路故障，变频器本身也会检测出故障。如表1所示，变频器报出故障代码16表示接地故障停机。

3 高压变频器接入方案

按高压变频器与供电电源接入方案划分，分为带有隔离变压器和没有隔离变压器的两种方式。以典型高压变频器为例，可以细分为变频器通过电抗器接入，变频器通过独立隔离变压器接入，以及变频器通过移相整流隔离变压器接入电网系统的三种方式。第一种方式采用能量回馈有源前端（AFE）整流技术，比如PowerFlex7000变频器、ACS2000变频器等。第二种方式独立隔离变压器为两组绕组，不管一次侧是三角形接线或星形接线，当6kV小电流系统发生单相接地时，变压器二次侧线电压不变，变频器继续运行机组不停机。比如PowerFlex7000、ACS2000变频器等，可以在有源前端输入侧设计独立的隔离变压器。第三种方式是变频器输入侧带有移相整流隔离变压器，比如带有18脉波整流变频器，ACS1000带有△／△－6（Y－11）接线方式移相变压器的12脉波整流变频器等。无谐波NBH系列高压变频器，MegaVert高压变频器，国产高压变频器等均可，输入侧设计带有移相整流隔离变压器。

4 高压变频器接入方式的区别

下面针对高压变频器接入电网系统不同方式的特点进行分析，以便选择合适的变频器调速系统方案，更好地满足驱动设备运行要求。

4.1 电抗器接入电网方式

（1）首先以PowerFlex7000变频器为例，不带输入隔离变压器的6脉波整流变频器，但输入端带有电抗器（DILR）与电力网相连接，图1报示是Power－Flex7000变频器电抗器连接方式框图。图中采用有源前端PWM整流，SGCT开关器件电流源（CSI）型变频器，应用的是“直接连接到变频器Direct－to－Drive”技术，输入端电抗器作为选件可有可无。该变频器的特点是：不需要隔离变压器；变频器与电动机之间不需要滤波电抗器。有源前端技术使用半导体开关减少系统谐波电流，能够限制谐波在标准范围内，并且基本不会对电动机产生共模电压等。有源前端技术解决了能量回馈问题，实现了电动机四象限运行，特别适用于电动机驱动的惯性负荷工况。变频器没有输入隔离变压器相对优点是：降低了变频器系统的投资，节省了安装空间，提高了变频器系统整机效率。缺点是系统接地时变频器故障跳闸。

图1 PowerFlex7000变频器电抗器连接

当小电流接地电源系统出现单相接地短路时，假设接地相金属性接地对地电压为0，其它两相对地电压升为线电压。表2所示是PowerFlex7000变频器线路接地故障信息表。从表中可以看出，变频器没有输入隔离变压器时，母线系统发生单相接地，变频器故障跳闸，机组停机。

表2 PowerFlex7000变频器线路接地故障信息表

（2）下面再对比有源前端ACS2000变频器，图2所示是ACS2000变频器电抗器连接方式框图，要求输入端必须带有电抗器（LR）与电力网相连接，IGCT开关器件电压源（VSI）型变频器。

图2 ACS2000变频器电抗器连接

对于ACS2000直接连接方式变频器，在选型时必须要明确变频器接入系统是大电流接地系统，还是小电流接地系统。变频器出厂前从技术上解决系统单相接地是否跳闸的问题，否则会发生系统单相接地时变频器跳闸停机。文中的某大型煤化工项目选择高压变频器采用的是有源前端技术，没有输入隔离变压器，系统单相接地时存在多台变频器跳闸的问题。

4.2 带有独立隔离变压器方式

如图3所示是ACS2000带有独立隔离变压器的变频器框图，同样是采用有源前端技术，IFU是滤波器，隔离变压器只有一二次两组绕组。选择该型变频器接入电网系统的优点是母线系统出现单相接地短路，变频器可以继续正常运行。由于隔离变压器在起作用，隔离变压器一次侧系统单相接地时二次绕组三相线电压不变，对变频器没有影响保持继续运行；缺点是存在投资和变压器功率消耗增加的问题。对于关键机组为提升可靠性安全性，选择带有输入隔离变压器的变频器是非常必要的。

图3 ACS2000变频器带有隔离变压器连接

4.3 带有移相整流隔离变压器方式

图4所示是6kV完美无谐波36脉波变频器框图，与图3中隔离变压器结构不同，该变频器隔离变压器二次带有18个绕组，二次绕组为延边三角形结构，分成不同6个相位组，相互差10°电角度。是先进的移相整流隔离变压器多重化技术，优点是二次绕组起到均压作用，防止功率器件受压不均损坏，6组功率单元电压降为630V组成串联结构。极大地降低了谐波污染，输入的谐波得到了有效治理。输入输出可以不用滤波器，输入功率因数能够达到0.95，输出波形接近正弦波。

图4 6kV完美无谐波36脉波变频器

ACS1000输出电压3.3kV变频器，变频器输入侧为三绕组移相整流隔离变压器，为了获得12脉波整流，变压器二次两组绕组有30°相位差，其中一个绕组为星形连接，另外一个绕组为三角形连接。对于多台变频器在一段母线上，为降低谐波污染，也可以选择24脉波的移相整流隔离变压器，变压器二次为12个绕组，分成不同4个相位组，相互差15°电角度。

5 结束语

6kV小电流接地系统发生单相接地故障时，系统母线和电气设备可以继续运行一段时间，高压变频器本身具有判断接地故障功能，如果变频器接入母线系统没有隔离措施，变频器保护会动作跳闸。为此，选择好变频器接入系统方案是非常必要的。

工艺流程上要求连续运行关键机组驱动，或者母线上有多台高压变频器的情况下，在选择高压变频器接入电网方案时，有必要选择独立隔离变压器，或者带有移相整流隔离变压器的变频器。

对于驱动惯性负荷，以节约能源为主，要求控制投资。系统发生单相接地故障率极低，在机组停机无大碍的情况下，可以优先考虑选择有源前端直接连接变频器技术方案。如果情况允许，建议给变频器加装自动工频旁路功能。

在工程设计阶段做好高压变频器方案的比对，工程前期论证非常必要。最好与制造商专业工程师充分对接，了解掌握变频器性能、保护配置、参数设置等，避免出现变频器方案选择不当的问题。

［1］吴忠志.没有高压隔离变压器的高压变频器不能正常运行［J］.变频技术应用，2014，（2）.

［2］李登峰.高压变频装置配套用移相整流变压器［J］.变频器世界，2006，（10）.

［3］张 亮，蔡 旭，陈国栋，张建文.高压变频器研究和应用现状［J］.第四届中国高校电力电子与电力传动学术年会论文集，2010.

作者介绍：

薄宏岩（1964－），男，副高职，主要从事石油化工、煤制油化工电力系统及电气设备运行与维护管理工作。

Analysis of importance of scheme selection for converter power supply system

BO Hong－yan
（Ordos Coal－derived Oil Branch，China Shenhua Coal－derived Oil Chemical Co.，Ltd.，Ordos 017209，China）

The low－voltage and high－voltage converters themselves have the judging function for the grounding faults by detecting the input voltage and the input current of the input power supply.If the inverter connected into the power supply system without isolating transformer，it may cause the converter protection action and the input power switching－off in case of the single－phase grounding faults happen in the input power supply system.Taking a large coal chemical project of high－voltage inverter as a selection model，the reasons of one single－phase grounding fault causing multiple high－voltage converters tripping on the same bus in the 6kV system are discussed.The types of the converter power supply system are analyzed.The necessity and the premise of the scheme selection for the frequency control systems are also given.

power supply system；grounding fault；isolating transformer；frequency converter

M344.6

：B

1005—7277（2017）01—0050—04

2016－09－05