李方園（1973-）

男，浙江舟山人，畢業(yè)于浙江大學(xué)電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事于變頻器等現(xiàn)代工控產(chǎn)品的應(yīng)用與研究工作。

摘要：變頻器過(guò)壓故障保護(hù)是變頻器中間直流電壓達(dá)到危險(xiǎn)程度后采取的保護(hù)措施，這是電壓型交-直-交變頻器設(shè)計(jì)上的一大缺陷，在變頻器實(shí)際運(yùn)行中引起此故障的原因較多。本文分析了變頻器過(guò)壓故障發(fā)生的原因，以及解決過(guò)壓?jiǎn)栴}的一些通用措施，并以“離心機(jī)變頻減速運(yùn)行過(guò)壓”案例闡述了過(guò)壓故障排除的步驟。

關(guān)鍵詞：變頻器；過(guò)壓故障；制動(dòng)單元；電動(dòng)與發(fā)電

Abstract: AC inverter overvoltage fault’s protection is protection measures to avoid the 
risk of the common DC voltage which is one of the design defects for VSI inverter with AC-
DCAC model.  There are many reasons for this malfunction during the actual operation. This 
paper analyzes the inverter overvoltage fault causes, and to resolve the issue of 
overvoltage by some common measures. Finnaly the example of “inverter overvoltage when slow down running of the centrifuges” is 
explained and the overvoltage troubleshooting steps are carried out.

Key words: AC inverter; Overvoltage fault; Brake Unit; Motor and Generator

1 前言

    變頻器過(guò)壓故障保護(hù)是變頻器中間直流電壓達(dá)到危險(xiǎn)程度后采取的保護(hù)措施，這是電壓型交-直-交變頻器設(shè)計(jì)上的一大缺陷，在變頻器實(shí)際運(yùn)行中引起此故障的原因較多，可以采取的措施也較多，在處理此類(lèi)故障時(shí)要分析清楚故障原因，有針對(duì)性的采取相應(yīng)的措施去處理。

2 變頻器過(guò)壓?jiǎn)栴}的提出

    通用變頻器大都為電壓型交-直-交變頻器，變頻器的基本結(jié)構(gòu)可以知道三相交流電首先通過(guò)二極管不控整流橋得到脈動(dòng)直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經(jīng)無(wú)源逆變輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電給電動(dòng)機(jī)供電。一般而言，負(fù)載的能量可以分為動(dòng)能和勢(shì)能兩種。動(dòng)能（由負(fù)載的速度和重量確定其大小）隨著物體的運(yùn)動(dòng)而累積，當(dāng)動(dòng)能減為零時(shí)，該物體就處在停止?fàn)顟B(tài)。圖1所示為電機(jī)傳動(dòng)的四種運(yùn)行方式，在本章中所涉及到負(fù)載的共同特點(diǎn)，就是要求電機(jī)不僅運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)（一、三象限），而且要運(yùn)行于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)（二、四象限）。

                               圖1   電機(jī)傳動(dòng)的四種運(yùn)行方式

    對(duì)于變頻器，如果輸出頻率降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速將跟隨頻率同樣降低，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)過(guò)程，由制動(dòng)產(chǎn)生的功率將返回到變頻器側(cè)，由于二極管不控整流器能量傳輸不可逆，產(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓；而以GTR、IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過(guò)高的泵升電壓有可能損壞開(kāi)關(guān)器件、電解電容，甚至?xí)茐碾姍C(jī)的絕緣，從而威脅系統(tǒng)安全工作，這就限制了通用變頻器的應(yīng)用范圍。因此，必須將這些功率消耗掉，如可以用電阻發(fā)熱消耗。在用于提升類(lèi)負(fù)載時(shí)，如負(fù)載下降，能量（勢(shì)能）也要返回到變頻器（或電源）側(cè)，這種操作方法被稱(chēng)作“再生制動(dòng)”。

    如果在負(fù)載減速期間或者長(zhǎng)期被倒拖時(shí)，由電機(jī)側(cè)流到變頻器直流母線側(cè)產(chǎn)生的功率如果不通過(guò)熱消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到變頻器電源側(cè)或者通過(guò)直流母線并聯(lián)的方式由其他電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)消耗的方法叫做回饋制動(dòng)。顯然，如需要將能量直接返回到電源側(cè)還需要一種特殊的裝置，即能量回饋單元。

    總而言之，為了改善制動(dòng)能力，不能單純期望靠增加變頻器的容量來(lái)解決問(wèn)題，而必須采用處理再生能量的方法：電阻能耗制動(dòng)和回饋制動(dòng)。

    從上可以知道，變頻器過(guò)壓主要是指其中間直流回路過(guò)壓，而中間直流回路過(guò)壓主要危害有以下幾點(diǎn)：

    (1) 引起電動(dòng)機(jī)磁路飽和。對(duì)于電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，電壓主過(guò)高必然使電機(jī)鐵芯磁通增加，可能導(dǎo)致磁路飽和，勵(lì)磁電流過(guò)大，從面引起電機(jī)溫升過(guò)高。

    (2) 損害電動(dòng)機(jī)絕緣。中間直流回路電壓升高后，變頻器輸出電壓的脈沖幅度過(guò)大，對(duì)電機(jī)絕緣壽命有很大的影響。

    (3) 對(duì)中間直流回路濾波電容器壽命有直接影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電容器爆裂。因而變頻器廠家一般將中間直流回路過(guò)壓值限定在DC800V左右，一旦其電壓超過(guò)限定值，變頻器將按限定要求跳閘保護(hù)。

    正是基于過(guò)壓的嚴(yán)重危害性，在以下變頻器應(yīng)用場(chǎng)合，用戶必須考慮配套使用制動(dòng)方式：電機(jī)拖動(dòng)大慣量負(fù)載（如離心機(jī)、龍門(mén)刨、巷道車(chē)、行車(chē)的大小車(chē)等）并要求急劇減速或停車(chē)；電機(jī)拖動(dòng)位能負(fù)載（如電梯，起重機(jī)，礦井提升機(jī)等）；電機(jī)經(jīng)常處于被拖動(dòng)狀態(tài)（如離心機(jī)副機(jī)、造紙機(jī)導(dǎo)紙輥電機(jī)、化纖機(jī)械牽伸機(jī)等）。

3 產(chǎn)生變頻器過(guò)壓的原因

    一般能引起中間直流回路過(guò)壓的原因主要來(lái)自以下兩個(gè)方面：

    (1) 來(lái)自電源輸入側(cè)的過(guò)壓

    正常情況下的電源電壓為380V，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(gè)別情況下電源線電壓達(dá)到450V，其峰值電壓也只有636V，并不算很高，一般電源電壓不會(huì)使變頻器因過(guò)壓跳閘。電源輸入側(cè)的過(guò)壓主要是指電源側(cè)的沖擊過(guò)壓，如雷電引起的過(guò)壓、補(bǔ)償電容在合閘或斷開(kāi)時(shí)形成的過(guò)壓等，主要特點(diǎn)是電壓變化率dv/dt和幅值都很大。

    (2) 來(lái)自負(fù)載側(cè)的過(guò)壓

    主要是指由于某種原因使電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，即電機(jī)處于實(shí)際轉(zhuǎn)速比變頻頻率決定的同步轉(zhuǎn)速高的狀態(tài)，負(fù)載的傳動(dòng)系統(tǒng)中所儲(chǔ)存的機(jī)械能經(jīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，通過(guò)逆變器的6個(gè)續(xù)流二極管回饋到變頻器的中間直流回路中。此時(shí)的逆變器處于整流狀態(tài)，如果變頻器中沒(méi)采取消耗這些能量的措施，這些能量將會(huì)導(dǎo)致中間直流回路的電容器的電壓上升，達(dá)到限值即行跳閘。

    比如當(dāng)變頻器拖動(dòng)大慣性負(fù)載時(shí)，其減速時(shí)間設(shè)定的比較小，在減速過(guò)程中，變頻器輸出頻率下降的速度比較快，而負(fù)載慣性比較大，靠本身阻力減速比較慢，使負(fù)載拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比變頻器輸出的頻率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速還要高，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，而變頻器沒(méi)有能量處理單元或其作用有限，因而導(dǎo)致變頻器中間直流回路電壓升高，超出保護(hù)值，就會(huì)出現(xiàn)過(guò)壓跳閘故障。

4 案例分析：離心機(jī)變頻減速運(yùn)行過(guò)壓

    (1) 故障現(xiàn)象

    某離心機(jī)廠的離心機(jī)選用艾默生變頻器EV2000-4T0015G變頻器（如圖2所示），在調(diào)試時(shí)，變頻器總是在減速過(guò)程中報(bào)E005故障（減速過(guò)壓）。

                                圖2   離心機(jī)外觀

    (2) 分析處理

    查找故障原因，并根據(jù)說(shuō)明書(shū)進(jìn)行定位（如圖3所示）。

                               圖3   E004/E005/E006過(guò)壓故障定位

    在定位過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)檢查該變頻器時(shí)，發(fā)現(xiàn)在從最高頻率減速到34Hz時(shí)，制動(dòng)單元受自身使用率的影響，已經(jīng)自動(dòng)停止工作，制動(dòng)單元出現(xiàn)黃燈警告，放電工作停止，而此時(shí)離心機(jī)還在回饋能量給變頻器的直流母線，結(jié)果導(dǎo)致直流母線電壓超過(guò)變頻器允許值，從而報(bào)E005故障。將制動(dòng)單元的撥碼開(kāi)關(guān)S1的第四位選擇為ON（表1所示），即使用率改為100%，故障解除。

                                表1   制動(dòng)單元S1選擇開(kāi)關(guān)

    出現(xiàn)上述問(wèn)題的原因在于離心設(shè)備是個(gè)大慣性負(fù)載，在停車(chē)減速時(shí)，減速時(shí)間才150多秒。

    (3) 案例歸納

    由于制動(dòng)單元是變頻器的外設(shè)，因此遇到變頻器過(guò)壓故障必須查看制動(dòng)單元的顯示狀態(tài)，并根據(jù)提示進(jìn)行故障排除。表2所示為本案例使用的艾默生制動(dòng)單元的待機(jī)顯示、動(dòng)作指示、故障指示、工作超時(shí)指示等狀態(tài)。

                               表2   艾默生制動(dòng)單元顯示舉例

    除了本案例的制動(dòng)率之外，還必須注意制動(dòng)單元的選擇情況。在進(jìn)行制動(dòng)單元的選擇時(shí)，制動(dòng)單元工作時(shí)流過(guò)開(kāi)關(guān)管的最大瞬時(shí)電流要小于該器件的額定電流是選擇的唯一依據(jù)，通過(guò)計(jì)算出最大電流值，就可以選擇合適的制動(dòng)單元，計(jì)算公式如下：

    式中，UC為制動(dòng)單元直流母線電壓值，在交流380V進(jìn)線電源時(shí)取800V；RB為制動(dòng)電阻阻值（Ω）；IC為制動(dòng)電流瞬時(shí)值（A）。

    一般變頻器的硬件過(guò)壓保護(hù)值為760V，考慮其動(dòng)作的滯后，將其適當(dāng)加大，但不會(huì)超過(guò)800V，因此在計(jì)算IC時(shí)適當(dāng)加大了UC。

    (4) 經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)

    能耗制動(dòng)的基本應(yīng)用就是變頻器、制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，且是一一對(duì)應(yīng)的。由于制動(dòng)單元一般具有通用性，制動(dòng)電阻又可以自由選配功率和阻值，所以一對(duì)一的單機(jī)應(yīng)用型能耗制動(dòng)方案對(duì)品牌并無(wú)特殊要求。

    能耗制動(dòng)的基本應(yīng)用方案一般都以下三種：

    無(wú)保護(hù)型

    圖4所示就是適用于用戶選用的普通制動(dòng)電阻。只要確保制動(dòng)電阻的功率和散熱條件良好，并不至于發(fā)生火災(zāi)隱患的情況下，就可以選用無(wú)保護(hù)型接線。

                                圖4   無(wú)保護(hù)型制動(dòng)單元配線

    圖4中，制動(dòng)單元以艾默生TDB系列為例，其端子說(shuō)明如下：P為直流母線正端，N為直流母線負(fù)端，可以輸入的電壓規(guī)格為DC600V/40A；PB為制動(dòng)電阻的一端，另外一端為P，接輸出制動(dòng)電阻；G為制動(dòng)單元接地；TA/TB/TC為故障繼電器的公共點(diǎn)、常閉點(diǎn)和常開(kāi)點(diǎn)，可以接交流220V/10A或直流30V/1A以下的控制回路。

    接觸器保護(hù)型

    通過(guò)進(jìn)線接觸器來(lái)保證變頻器與制動(dòng)單元的電氣安全，也就是說(shuō)當(dāng)制動(dòng)單元發(fā)生故障或者制動(dòng)電阻熱保護(hù)，立即切斷接觸器，變頻器和制動(dòng)單元就處于安全保護(hù)狀態(tài)。采用接觸器保護(hù)型的接線方式必須確保制動(dòng)單元的動(dòng)作觸點(diǎn)和制動(dòng)電阻的熱觸點(diǎn)處于有效的狀態(tài)內(nèi)，否則容易導(dǎo)致接觸器不動(dòng)作或頻繁動(dòng)作，反而造成系統(tǒng)損壞。

    控制端子保護(hù)型

    通過(guò)定義控制端子為變頻器的保護(hù)功能時(shí)封鎖變頻器的電壓輸出，也就是說(shuō)當(dāng)制動(dòng)單元發(fā)生故障或者制動(dòng)電阻熱保護(hù)，變頻器的控制端子就處于有效接通的狀態(tài)，變頻器就認(rèn)為外部設(shè)備故障，顯示故障報(bào)警代碼并停止輸出。這種功能是利用變頻器特有的對(duì)輸入外部設(shè)備的故障監(jiān)視功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

    對(duì)于過(guò)壓故障的處理，關(guān)鍵一是中間直流回路多余能量如何及時(shí)處理；二是如何避免或減少多余能量向中間直流回路饋送，使其過(guò)壓的程度限定在允許的限值之內(nèi)。

    因此，可以歸納為下面主要的對(duì)策：在電源輸入側(cè)增加吸收裝置，減少過(guò)壓因素；從變頻器已設(shè)定的參數(shù)中尋找解決辦法；分析工藝流程，在工藝流程中尋找解決辦法；采用增加制動(dòng)電阻的方法；在輸入側(cè)增加逆變電路的方法；采用在中間直流回路上增加適當(dāng)電容的方法；在條件允許的情況下適當(dāng)降低工頻電源電壓；多臺(tái)變頻器共用直流母線的方法；通過(guò)控制系統(tǒng)功能優(yōu)勢(shì)解決變頻器過(guò)壓?jiǎn)栴}。



參考文獻(xiàn)

[1] 李方園. 變頻器行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐[M]. 2006.5中國(guó)電力出版社. 北京.

[2] 李方園. 變頻器自動(dòng)化工程實(shí)踐[M]. 2007.4電子工業(yè)出版社. 北京.

[3] 李方園. 變頻器故障排除[M]. 2009.01化學(xué)工業(yè)出版社. 北京.