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變頻器過壓、欠壓故障的原因及處理方法

所謂變頻器的過電壓，是指由于各種原因造成變頻器的電壓超過額定電壓。變頻器的過電壓集中表現(xiàn)在直流母線的直流電壓上，正常情況下，變頻器的直流電壓為線電壓經(jīng)三相全波整流后的平均值。若以380V線電壓進(jìn)行計(jì)算，則平均直流電壓UD=1.35UAC=513V。當(dāng)發(fā)生過電壓時(shí)，直流母線的儲能電容將被充電，當(dāng)電壓上升至760V左右時(shí)，變頻器開啟過電壓保護(hù)動作。

1. 輸入交流電源過電壓

輸入交流電源過電壓表示變頻器的輸入電壓超過了正常范圍。它一般發(fā)生在供電系統(tǒng)負(fù)載較輕時(shí)，會使供電系統(tǒng)的電壓升高，對此采用有載調(diào)壓電力變壓器是有效的解決措施。而對由于電力系統(tǒng)故障引起的電壓升高，如電力系統(tǒng)的電壓由于諧振而升高，應(yīng)斷開變頻器電源，檢查電力系統(tǒng)的故障，待故障排除后再閉合變頻器的電源開關(guān)。

正常情況下，對于電源電壓為380V的變頻器，其允許誤差為-5%～+10%，經(jīng)三相橋式全波整流后中間直流的峰值為591V，個別情況下電源線電壓可達(dá)到450V，其峰值電壓也只有636V，因此一般不會使變頻器的過電壓保護(hù)動作。電源輸入側(cè)的過電壓主要是指電源側(cè)的沖擊過電壓，如雷電引起的過電壓、補(bǔ)償電容在合閘或斷開時(shí)形成的過電壓等，其主要特點(diǎn)是電壓變化率dudt和幅值都很大。例如，由于雷電串入變頻器的電源中，使變頻器直流側(cè)的電壓檢測器動作而跳閘，在這種情況下，通常只需斷開變頻器電源1min左右，再合上電源，即可復(fù)位。

2. 再生過電壓

再生過電壓主要分為三種：加速時(shí)過電壓、減速時(shí)過電壓、恒速時(shí)過電壓。由于某種原因使電動機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，即電動機(jī)處于實(shí)際轉(zhuǎn)速比由變頻器頻率決定的同步轉(zhuǎn)速高的狀態(tài)時(shí)，負(fù)載的傳動系統(tǒng)中所儲存的機(jī)械能經(jīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，再通過逆變器的6個續(xù)流二極管回饋到變頻器的中間直流回路中，由于此時(shí)的逆變器處于整流狀態(tài)，如果變頻器中沒采取消耗這些能量的措施，則這些能量將會導(dǎo)致中間直流回路電容器的電壓上升，當(dāng)電壓達(dá)到過電壓限值時(shí)就會使過電壓保護(hù)動作。產(chǎn)生再生過電壓的原因主要有以下幾種。

[1] 當(dāng)變頻器拖動大慣性負(fù)載時(shí)，其減速時(shí)間設(shè)置得比較小。在這種情況下，變頻器的減速停止屬于再生制動。在停止過程中，變頻器的輸出頻率線性下降，負(fù)載電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并被變頻器直流側(cè)的平波電容吸收，當(dāng)這種能量足夠大時(shí)，就會產(chǎn)生所謂的“泵升現(xiàn)象"，則變頻器直流側(cè)的電壓會超過直流母線的最大允許電壓而使過電壓保護(hù)動作。對于這種故障，若工藝條件允許，可將減速時(shí)間參數(shù)設(shè)置長一些或?qū)⒆冾l器的停止方式設(shè)置為自由停車，并在系統(tǒng)中按負(fù)載特性增加制動單元，而對已設(shè)置制動單元的系統(tǒng)可增大制動電阻的能耗容量。

[2] 電動機(jī)受外力影響（如風(fēng)扇、牽伸機(jī)）或由位能負(fù)載（如電梯、起重機(jī)）引起的過電壓。當(dāng)位能負(fù)載下放時(shí)下降過快，使電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速高于變頻器的給定指令轉(zhuǎn)速，即電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過了同步轉(zhuǎn)速時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率為負(fù)，轉(zhuǎn)子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場的方向與電動機(jī)狀態(tài)相反，其產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為阻礙旋轉(zhuǎn)方向的制動轉(zhuǎn)矩，因此電動機(jī)實(shí)際上處于發(fā)電狀態(tài)，負(fù)載的動能被“再生"為電能。再生能量經(jīng)逆變器的續(xù)流二極管對變頻器的直流儲能電容器充電，使直流母線電壓上升，回饋能量超過中間直流回路及其能量處理單元的承受能力，過電壓保護(hù)將動作。因?yàn)樵偕^電壓的過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與原轉(zhuǎn)矩相反，為制動轉(zhuǎn)矩，所以再生過電壓的過程也就是再生制動過程。如果再生能量不大，因變頻器與電動機(jī)本身具有20%的再生制動能力，則這部分電能將被變頻器及電動機(jī)消耗掉。若這部分能量超過了變頻器與電動機(jī)的消耗能力，則直流回路的電容將被過充電，變頻器的過電壓保護(hù)功能便會動作，使運(yùn)行停止。處理這種過電壓故障時(shí)，可在系統(tǒng)中按負(fù)載特性增加制動單元，而對已設(shè)置制動單元的系統(tǒng)可增大制動電阻的吸收容量。還可以修改變頻器的參數(shù)，如把變頻器的減速時(shí)間設(shè)置長一些。

[3] 多個電動機(jī)拖動同一個負(fù)載時(shí)也會出現(xiàn)再生過電壓故障，這主要是由于負(fù)載匹配不佳引起的。以兩臺電動機(jī)拖動一個負(fù)載為例，當(dāng)一臺電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速大于另一臺電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速高的電動機(jī)相當(dāng)于原動機(jī)，轉(zhuǎn)速低的電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，從而會引起再生類過電壓故障。處理此類故障時(shí)，需要在傳動系統(tǒng)中增加負(fù)荷分配控制裝置。還可以把處于傳動速度鏈分支的變頻器的特性調(diào)節(jié)軟一些。

引起變頻器過電壓保護(hù)動作的原因還有以下幾個。

[1] 未使用變頻器的減速過電壓自處理功能。大多數(shù)變頻器為了避免過電壓保護(hù)動作，專門設(shè)置了減速過電壓自處理功能。例如，在減速過程中，如果直流電壓超過了設(shè)定的電壓上限值，變頻器的輸出頻率將不再下降，并暫緩減速，待直流電壓下降到設(shè)定值以下后再繼續(xù)減速；如果減速時(shí)間設(shè)定不合適，又沒有利用減速過電壓的自處理功能，就可能出現(xiàn)過電壓保護(hù)動作故障。

[2] 變頻器負(fù)載突降會使負(fù)載的轉(zhuǎn)速明顯上升，使負(fù)載電動機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，并從負(fù)載側(cè)向變頻器的中間直流回路回饋能量。短時(shí)間內(nèi)能量的集中回饋，可能會超過中間直流回路及其能量處理單元的承受能力而引發(fā)過電壓故障。

[3] 工藝流程限定了負(fù)載的減速時(shí)間。若合理設(shè)定相關(guān)參數(shù)也不能排除這一故障，而且系統(tǒng)也沒有采取處理多余能量的措施，則必然會引發(fā)過壓跳閘故障。

[4] 變頻器在運(yùn)行長時(shí)間后，中間直流回路的電容容量下降將不可避免，中間直流回路對直流電壓的調(diào)節(jié)程度也將減弱，在工藝狀況和設(shè)定參數(shù)未曾改變的情況下，發(fā)生變頻器過電壓跳閘的概率會增大，這時(shí)需要對中間直流回路的電容容量下降情況進(jìn)行檢查。

[5] 制動電阻值過大，無法及時(shí)釋放回饋的能量而造成過電壓。降速過程中的制動單元沒有工作或制動單元放電太慢，即制動電阻太大，會使變頻器內(nèi)部的過壓保護(hù)電路出現(xiàn)故障，未能泄放再生能量。

3. 過電壓的危害

[1] 變頻器的過電壓主要是指其中間直流回路的過電壓。中間直流回路的過電壓的主要危害在于造成電動機(jī)的磁路飽和。具體來說，對于電動機(jī)，電壓過高必然使電動機(jī)鐵芯中的磁通增加，則有可能導(dǎo)致磁路飽和，使勵磁電流過大，從而使電動機(jī)的溫升過高。

[2] 損害電動機(jī)的絕緣。當(dāng)中間直流回路的電壓升高后，變頻器輸出電壓的脈沖幅度過大，對電動機(jī)的絕緣壽命會有很大的影響。

[3] 過電壓對中間直流回路的濾波電容器壽命有直接影響，嚴(yán)重時(shí)會造成電容器爆裂。

因此，一般將變頻器的中間直流回路的過電壓值限定在一定的允許范圍內(nèi)，一旦其電壓超過限定值，變頻器將按限定要求跳閘保護(hù)。

4. 過電壓的防止措施

由于過電壓產(chǎn)生的原因不同，因而采取的對策也不相同。在處理過電壓時(shí)，首先要排除由于參數(shù)問題而導(dǎo)致的故障，如減速時(shí)間過短，以及由于再生負(fù)載而導(dǎo)致的過壓等。然后檢測輸入側(cè)電壓是否有問題，最后再檢查電壓檢測電路是否出現(xiàn)了故障。一般而言，電壓檢測電路的電壓采樣點(diǎn)都是中間直流回路的電壓。以三肯SVF303為例，它由直流回路取樣后（530V左右的直流）通過阻值較大的電阻降壓后再由光耦進(jìn)行隔離，當(dāng)電壓超過一定值時(shí)，它會顯示過壓信息，對此可以檢查其降壓電阻是否氧化變值，光耦是否有短路現(xiàn)象等。

對于在停車過程中產(chǎn)生的過電壓，如果對停車時(shí)間或位置無特殊要求，則可以采用延長變頻器的減速時(shí)間或自由停車的方法來解決。所謂自由停車，即指變頻器將主開關(guān)器件斷開，讓電動機(jī)自由滑行停止。如果對停車時(shí)間或停車位置有一定的要求，則可以采用制動功能。

對于過電壓故障的處理，關(guān)鍵是如何及時(shí)處理中間直流回路的多余能量，以及如何避免或減少多余能量向中間直流回路的饋送，使其過電壓的程度被限定在允許的限值之內(nèi)。應(yīng)采取的主要對策有如下幾個。

[1] 在電源輸入側(cè)增加吸收裝置，減少過電壓因素。針對電源輸入側(cè)的沖擊過電壓、雷電引起的過電壓、補(bǔ)償電容在合閘或斷開時(shí)形成的過電壓，可以采用在輸入側(cè)并聯(lián)浪涌吸收裝置或串聯(lián)電抗器等方法加以解決。

[2] 從變頻器已設(shè)定的參數(shù)中尋找解決辦法。在工藝流程中，如果不限定負(fù)載的減速時(shí)間，則變頻器減速時(shí)間參數(shù)的設(shè)定值不要太小，以免負(fù)載的動能釋放得太快。該參數(shù)的設(shè)定要以不引起中間回路過電壓為限，特別要注意負(fù)載慣性較大時(shí)該參數(shù)的設(shè)定。如果工藝流程對負(fù)載的減速時(shí)間有限制，而在限定時(shí)間內(nèi)變頻器出現(xiàn)過電壓跳閘現(xiàn)象，則需要設(shè)定變頻器的失速自整定功能或先設(shè)定變頻器在不過壓情況下可減至的頻率值。

[3] 采用增加泄放電阻的方法。一般小于7.5kW的變頻器在出廠時(shí)，其內(nèi)部的中間直流回路均裝有制動單元和泄放電阻；大于7.5kW的變頻器需根據(jù)實(shí)際情況外加制動單元和泄放電阻，以為中間直流回路多余能量的釋放提供通道。這是一種常用的泄放能量的方法。其不足之處是能耗高，可能會出現(xiàn)頻繁投切或長時(shí)間投運(yùn)的現(xiàn)象，會使電阻的溫度升高、設(shè)備損壞。

[4] 采用在輸入側(cè)增加逆變電路的方法。處理變頻器中間直流回路的能量好的方法就是在輸入側(cè)增加逆變電路，以將多余的能量回饋給電網(wǎng)。但逆變橋技術(shù)要求復(fù)雜，因此在實(shí)際中其應(yīng)用受到了限制。

[5] 采用在中間直流回路上增加適當(dāng)電容的方法。中間直流回路的電容對穩(wěn)定電壓、提高回路承受過電壓的能力起著非常重要的作用。適當(dāng)增大中間直流回路的電容量或及時(shí)更換運(yùn)行時(shí)間過長且容量下降的電容是解決變頻器過電壓的有效方法。

[6] 適當(dāng)降低工頻電源電壓。目前，變頻器的電源側(cè)一般采用了不可控整流模塊，則當(dāng)電源電壓高時(shí)，中間直流回路的電壓也高，如當(dāng)電源電壓為380V、400V、450V時(shí)，中間直流回路的電壓分別為537V、565V、636V。另外，有的變頻器距離變壓器很近，變頻器的輸入電壓高達(dá)400V以上，對變頻器中間直流回路承受過電壓的能力影響很大。在這種情況下，如果條件允許可以將變壓器的分接開關(guān)放置在低壓擋，通過適當(dāng)降低電源電壓的方式，達(dá)到相對提高變頻器過電壓能力的目的。

[7] 采用多臺變頻器共用直流母線的方法。至少兩臺同時(shí)運(yùn)行的變頻器共用直流母線可以很好解決變頻器中間直流回路過電壓的問題，這是因?yàn)槿魏我慌_變頻器從直流母線上取用的電流一般均大于同時(shí)間從外部饋入的多余電流，這樣就可以基本上保持共用直流母線的電壓了。

[8] 通過控制系統(tǒng)的優(yōu)化功能解決變頻器的過電壓問題。在很多工藝流程中，變頻器的減速和負(fù)載的突降是由控制系統(tǒng)控制的，因此可以利用控制系統(tǒng)的一些功能，在變頻器減速和負(fù)載突降前進(jìn)行控制，以避免過多的能量饋入變頻器的中間直流回路，如對于規(guī)律性減速過電壓故障，可將變頻器輸入側(cè)的不可控整流模塊換成半可控或全控整流模塊，在減速前將中間直流電壓控制在允許的較低值，相對加大中間直流回路承受饋入能量的能力，從而避免產(chǎn)生過電壓故障。而對于規(guī)律性負(fù)載突降的過電壓故障，可利用控制系統(tǒng)的控制功能，在負(fù)載突降前對變頻器的頻率進(jìn)行適當(dāng)提升，避免負(fù)載側(cè)過多的能量饋入中間直流回路，從而減少由其引起的過電壓故障。

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