李方園（1973-）

男，浙江舟山人，畢業于浙江大學電氣自動化專業，高級工程師，長期從事于變頻器等現代工控產品的應用與研究工作。

摘要：變頻器過壓故障保護是變頻器中間直流電壓達到危險程度后采取的保護措施，這是電壓型交-直-交變頻器設計上的一大缺陷，在變頻器實際運行中引起此故障的原因較多。本文分析了變頻器過壓故障發生的原因，以及解決過壓問題的一些通用措施，并以“離心機變頻減速運行過壓”案例闡述了過壓故障排除的步驟。

關鍵詞：變頻器；過壓故障；制動單元；電動與發電

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

    變頻器過壓故障保護是變頻器中間直流電壓達到危險程度后采取的保護措施，這是電壓型交-直-交變頻器設計上的一大缺陷，在變頻器實際運行中引起此故障的原因較多，可以采取的措施也較多，在處理此類故障時要分析清楚故障原因，有針對性的采取相應的措施去處理。

2 變頻器過壓問題的提出

    通用變頻器大都為電壓型交-直-交變頻器，變頻器的基本結構可以知道三相交流電首先通過二極管不控整流橋得到脈動直流電，再經電解電容濾波穩壓，最后經無源逆變輸出電壓、頻率可調的交流電給電動機供電。一般而言，負載的能量可以分為動能和勢能兩種。動能（由負載的速度和重量確定其大小）隨著物體的運動而累積，當動能減為零時，該物體就處在停止狀態。圖1所示為電機傳動的四種運行方式，在本章中所涉及到負載的共同特點，就是要求電機不僅運行于電動狀態（一、三象限），而且要運行于發電制動狀態（二、四象限）。

                               圖1   電機傳動的四種運行方式

    對于變頻器，如果輸出頻率降低，電機轉速將跟隨頻率同樣降低，這時會產生制動過程，由制動產生的功率將返回到變頻器側，由于二極管不控整流器能量傳輸不可逆，產生的再生電能傳輸到直流側濾波電容上，產生泵升電壓；而以GTR、IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過高的泵升電壓有可能損壞開關器件、電解電容，甚至會破壞電機的絕緣，從而威脅系統安全工作，這就限制了通用變頻器的應用范圍。因此，必須將這些功率消耗掉，如可以用電阻發熱消耗。在用于提升類負載時，如負載下降，能量（勢能）也要返回到變頻器（或電源）側，這種操作方法被稱作“再生制動”。

    如果在負載減速期間或者長期被倒拖時，由電機側流到變頻器直流母線側產生的功率如果不通過熱消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到變頻器電源側或者通過直流母線并聯的方式由其他電動狀態的電機消耗的方法叫做回饋制動。顯然，如需要將能量直接返回到電源側還需要一種特殊的裝置，即能量回饋單元。

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

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

    (1) 引起電動機磁路飽和。對于電動機來說，電壓主過高必然使電機鐵芯磁通增加，可能導致磁路飽和，勵磁電流過大，從面引起電機溫升過高。

    (2) 損害電動機絕緣。中間直流回路電壓升高后，變頻器輸出電壓的脈沖幅度過大，對電機絕緣壽命有很大的影響。

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

    正是基于過壓的嚴重危害性，在以下變頻器應用場合，用戶必須考慮配套使用制動方式：電機拖動大慣量負載（如離心機、龍門刨、巷道車、行車的大小車等）并要求急劇減速或停車；電機拖動位能負載（如電梯，起重機，礦井提升機等）；電機經常處于被拖動狀態（如離心機副機、造紙機導紙輥電機、化纖機械牽伸機等）。

3 產生變頻器過壓的原因

    一般能引起中間直流回路過壓的原因主要來自以下兩個方面：

    (1) 來自電源輸入側的過壓

    正常情況下的電源電壓為380V，允許誤差為-5%～+10%，經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達到450V，其峰值電壓也只有636V，并不算很高，一般電源電壓不會使變頻器因過壓跳閘。電源輸入側的過壓主要是指電源側的沖擊過壓，如雷電引起的過壓、補償電容在合閘或斷開時形成的過壓等，主要特點是電壓變化率dv/dt和幅值都很大。

    (2) 來自負載側的過壓

    主要是指由于某種原因使電動機處于再生發電狀態時，即電機處于實際轉速比變頻頻率決定的同步轉速高的狀態，負載的傳動系統中所儲存的機械能經電動機轉換成電能，通過逆變器的6個續流二極管回饋到變頻器的中間直流回路中。此時的逆變器處于整流狀態，如果變頻器中沒采取消耗這些能量的措施，這些能量將會導致中間直流回路的電容器的電壓上升，達到限值即行跳閘。

    比如當變頻器拖動大慣性負載時，其減速時間設定的比較小，在減速過程中，變頻器輸出頻率下降的速度比較快，而負載慣性比較大，靠本身阻力減速比較慢，使負載拖動電動機的轉速比變頻器輸出的頻率所對應的轉速還要高，電動機處于發電狀態，而變頻器沒有能量處理單元或其作用有限，因而導致變頻器中間直流回路電壓升高，超出保護值，就會出現過壓跳閘故障。

4 案例分析：離心機變頻減速運行過壓

    (1) 故障現象

    某離心機廠的離心機選用艾默生變頻器EV2000-4T0015G變頻器（如圖2所示），在調試時，變頻器總是在減速過程中報E005故障（減速過壓）。

                                圖2   離心機外觀

    (2) 分析處理

    查找故障原因，并根據說明書進行定位（如圖3所示）。

                               圖3   E004/E005/E006過壓故障定位

    在定位過程中，現場檢查該變頻器時，發現在從最高頻率減速到34Hz時，制動單元受自身使用率的影響，已經自動停止工作，制動單元出現黃燈警告，放電工作停止，而此時離心機還在回饋能量給變頻器的直流母線，結果導致直流母線電壓超過變頻器允許值，從而報E005故障。將制動單元的撥碼開關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   制動單元S1選擇開關

    出現上述問題的原因在于離心設備是個大慣性負載，在停車減速時，減速時間才150多秒。

    (3) 案例歸納

    由于制動單元是變頻器的外設，因此遇到變頻器過壓故障必須查看制動單元的顯示狀態，并根據提示進行故障排除。表2所示為本案例使用的艾默生制動單元的待機顯示、動作指示、故障指示、工作超時指示等狀態。

                               表2   艾默生制動單元顯示舉例

    除了本案例的制動率之外，還必須注意制動單元的選擇情況。在進行制動單元的選擇時，制動單元工作時流過開關管的最大瞬時電流要小于該器件的額定電流是選擇的唯一依據，通過計算出最大電流值，就可以選擇合適的制動單元，計算公式如下：

    式中，UC為制動單元直流母線電壓值，在交流380V進線電源時取800V；RB為制動電阻阻值（Ω）；IC為制動電流瞬時值（A）。

    一般變頻器的硬件過壓保護值為760V，考慮其動作的滯后，將其適當加大，但不會超過800V，因此在計算IC時適當加大了UC。

    (4) 經驗點

    能耗制動的基本應用就是變頻器、制動單元和制動電阻，且是一一對應的。由于制動單元一般具有通用性，制動電阻又可以自由選配功率和阻值，所以一對一的單機應用型能耗制動方案對品牌并無特殊要求。

    能耗制動的基本應用方案一般都以下三種：

    無保護型

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

                                圖4   無保護型制動單元配線

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

    接觸器保護型

    通過進線接觸器來保證變頻器與制動單元的電氣安全，也就是說當制動單元發生故障或者制動電阻熱保護，立即切斷接觸器，變頻器和制動單元就處于安全保護狀態。采用接觸器保護型的接線方式必須確保制動單元的動作觸點和制動電阻的熱觸點處于有效的狀態內，否則容易導致接觸器不動作或頻繁動作，反而造成系統損壞。

    控制端子保護型

    通過定義控制端子為變頻器的保護功能時封鎖變頻器的電壓輸出，也就是說當制動單元發生故障或者制動電阻熱保護，變頻器的控制端子就處于有效接通的狀態，變頻器就認為外部設備故障，顯示故障報警代碼并停止輸出。這種功能是利用變頻器特有的對輸入外部設備的故障監視功能。

5 結束語

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

    因此，可以歸納為下面主要的對策：在電源輸入側增加吸收裝置，減少過壓因素；從變頻器已設定的參數中尋找解決辦法；分析工藝流程，在工藝流程中尋找解決辦法；采用增加制動電阻的方法；在輸入側增加逆變電路的方法；采用在中間直流回路上增加適當電容的方法；在條件允許的情況下適當降低工頻電源電壓；多臺變頻器共用直流母線的方法；通過控制系統功能優勢解決變頻器過壓問題。



參考文獻

[1] 李方園. 變頻器行業應用實踐[M]. 2006.5中國電力出版社. 北京.

[2] 李方園. 變頻器自動化工程實踐[M]. 2007.4電子工業出版社. 北京.

[3] 李方園. 變頻器故障排除[M]. 2009.01化學工業出版社. 北京.