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：變頻器過載的基本特征是電流雖然超過了額定值，但超過的幅度不大，并與過流故障有嚴(yán)格區(qū)分。本文將主要探討變頻器過載形成的原因及其處理辦法，并以“水泵變頻器過載”和“離心風(fēng)機(jī)變頻器過載”兩個(gè)案例闡述了過載故障排除的步驟，最終得出電機(jī)與變頻器的選型規(guī)律。

關(guān)鍵詞：變頻器；過載故障；反時(shí)限曲線；電機(jī)參數(shù)

Abstract: The basic feature of AC Inverters overload fault is that the current is greater
 than the given value, but is only little greater. It has a strict difference from the 
overcurrent. This paper analyzes the causes of overload problem of the inverter , and some
 measurement to solve these problems. Finally, two examples of “pump inverter overload” 
and “centrifugal fan inverter overload” are given to describe the processing steps for the
 overload troubleshooting, and meanwhile we give the selection rules of the motor and AC 
inverter.

Key words: AC inverter; Overload fault; Inverse-time curve; Motor parameter

1 前言

    電動(dòng)機(jī)能夠旋轉(zhuǎn)，但運(yùn)行電流超過了額定值，稱為過載。過載的基本特征是：電流雖然超過了額定值，但超過的幅度不大，一般也不形成較大的沖擊電流（否則就變成過流故障），而且過載是有一個(gè)時(shí)間的積累，當(dāng)積累值達(dá)到時(shí)才報(bào)過載故障。

    本文將主要探討變頻器過載形成的原因及其處理辦法。

2 變頻器過載故障的原因及解決對(duì)策

    變頻器過載的工作機(jī)制如圖1所示。根據(jù)變頻器的結(jié)構(gòu)原理可以知道，變頻器過載發(fā)生的主要原因有以下幾點(diǎn)：

    （1）機(jī)械負(fù)荷過重，其主要特征是電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，可從變頻器顯示屏上讀取運(yùn)行電流來發(fā)現(xiàn)；

    （2）三相電壓不平衡，引起某相的運(yùn)行電流過大，導(dǎo)致過載跳閘，其特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)發(fā)熱不均衡，從顯示屏上讀取運(yùn)行電流時(shí)不一定能發(fā)現(xiàn)(因很多變頻器顯示屏只顯示一相電流)；

    （3）誤動(dòng)作，變頻器內(nèi)部的電流檢測(cè)部分發(fā)生故障，檢測(cè)出的電流信號(hào)偏大，導(dǎo)致過載跳閘。

                                       圖1   變頻器過載工作機(jī)制

    而對(duì)于變頻器過載故障的檢查方法和解決對(duì)策包括以下兩點(diǎn)：

    （1）檢查電動(dòng)機(jī)是否發(fā)熱，如果電動(dòng)機(jī)的溫升不高，則首先應(yīng)檢查變頻器的電子熱保護(hù)功能預(yù)置得是否合理，如變頻器尚有余量，則應(yīng)放寬電子熱保護(hù)功能的預(yù)置值。

    如果電動(dòng)機(jī)的溫升過高，而所出現(xiàn)的過載又屬于正常過載，則說明是電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷過重。這時(shí)，應(yīng)考慮能否適當(dāng)加大傳動(dòng)比，以減輕電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)荷。如能夠加大，則加大傳動(dòng)比。如果傳動(dòng)比無法加大，則應(yīng)加大電動(dòng)機(jī)的容量。

    （2）檢查電動(dòng)機(jī)側(cè)三相電壓是否平衡，如果電動(dòng)機(jī)側(cè)的三相電壓不平衡，則應(yīng)再檢查變頻器輸出端的三相電壓是否平衡，如也不平衡，則問題在變頻器內(nèi)部。如變頻器輸出端的電壓平衡，則問題在從變頻器到電動(dòng)機(jī)之間的線路上，應(yīng)檢查所有接線端的螺釘是否都已擰緊，如果在變頻器和電動(dòng)機(jī)之間有接觸器或其它電器，則還應(yīng)檢查有關(guān)電器的接線端是否都已擰緊，以及觸點(diǎn)的接觸狀況是否良好等。

    如果電動(dòng)機(jī)側(cè)三相電壓平衡，則應(yīng)了解跳閘時(shí)的工作頻率：如工作頻率較低，又未用矢量控制(或無矢量控制)，則首先降低U/f 比，如果降低后仍能帶動(dòng)負(fù)載，則說明原來預(yù)置的U/f 比過高，勵(lì)磁電流的峰值偏大，可通過降低U/f 比來減小電流；如果降低后帶不動(dòng)負(fù)載了，則應(yīng)考慮加大變頻器的容量；如果變頻器具有矢量控制功能，則應(yīng)采用矢量控制方式。

3 案例分析1：水泵變頻器過載

    （1）故障現(xiàn)象

    某供水單位使用艾默生TD2000-4T0300P（30kW）變頻器拖動(dòng)水泵負(fù)載如圖2所示，使用過程中變頻器經(jīng)常報(bào)E013故障，檢查故障電流記錄58A，變頻器額定電流60A，經(jīng)查說明書：風(fēng)機(jī)、水泵變頻器過載能力110％額定電流1分鐘，是否與上述現(xiàn)象發(fā)生沖突？

                                         圖2   水泵變頻控制

    （2）分析處理

    經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)了解和查看，發(fā)現(xiàn)水泵負(fù)載長(zhǎng)期工作在48Hz，電流長(zhǎng)期在58A左右，E013的原因?yàn)樽冾l器帶載能力不夠，需要更換更高一級(jí)的變頻器，即TD2000-4T0370P或EV2000-4T0370P（37kW）。

    變頻器運(yùn)行過程輸出電流大于等于變頻器額定電流，但達(dá)不到變頻器過流點(diǎn)，在運(yùn)行一段時(shí)間后產(chǎn)生過載保護(hù)，變頻器過載保護(hù)按反時(shí)限曲線不同分為G型和P型。反時(shí)限曲線i2t即指動(dòng)作時(shí)限與通入電流大小的平方成反比，通入電流越大，則動(dòng)作時(shí)限越短，該曲線在出廠時(shí)由機(jī)型參數(shù)唯一確定，用戶不能改。

    本例機(jī)型分為P型機(jī)，其P型反時(shí)限曲線（圖3所示）說明當(dāng)變頻器輸出電流達(dá)到95％持續(xù)時(shí)間達(dá)到1小時(shí)則報(bào)E013，當(dāng)變頻器輸出電流達(dá)到110％持續(xù)時(shí)間達(dá)到1分鐘也同時(shí)報(bào)E013。

                                       圖3   變頻器P型機(jī)反時(shí)限曲線

    本案例可以選擇高一檔的EV2000-4T0370P變頻器，在更換完變頻器之后，還必須設(shè)置以下參數(shù)。

    F0.08：變頻器機(jī)型選擇為P型。

    0：G型（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)型）；1：P型（風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載機(jī)型）

    由于變頻器出廠參數(shù)設(shè)置為G型，本案例中選擇P型機(jī)，需要將F0.08功能碼設(shè)置為1。

    FH.00～FH.02：電機(jī)參數(shù)按照實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。

    為了保證控制水泵的性能，務(wù)必按照電機(jī)的銘牌參數(shù)進(jìn)行正確設(shè)置電機(jī)極數(shù)、額定功率和額定電流。

    （3）案例歸納

    很多品牌的變頻器在45kW及以下機(jī)型都采用G/P合一方式，即用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載G型適配電機(jī)功率比用于風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載P型時(shí)小一檔。G/P合一方式是考慮到風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載基本不過載的實(shí)際情況，但是由于G/P合一的變頻器本質(zhì)上并沒有擴(kuò)大容量，只是變頻器的軟件發(fā)生變化，實(shí)際上就是反時(shí)限i2t曲線發(fā)生了變化，但使用中往往容易遭到誤解，尤其是當(dāng)用戶的工藝過程發(fā)生變化，比如水泵流量增加、濃度增大、風(fēng)量增大等等，電機(jī)的實(shí)際電流往往會(huì)上升，從而導(dǎo)致變頻器過載保護(hù)。

4 案例分析2：離心風(fēng)機(jī)變頻器過載

    （1）故障現(xiàn)象

    某化工廠離心風(fēng)機(jī)15kW，如圖4所示，采用EV2000-4T0150P帶動(dòng)，2極，額定轉(zhuǎn)速2950轉(zhuǎn)/分。變頻器帶電機(jī)空載運(yùn)行，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行到12Hz左右時(shí)，輸出頻率在此附近振蕩，振蕩幾次后有時(shí)頻率會(huì)繼續(xù)上升，有時(shí)就報(bào)E013過載故障，但有時(shí)啟動(dòng)又能正常。

                                       圖4   離心風(fēng)機(jī)變頻控制

    （2）分析處理

    觀察在12Hz附近振蕩時(shí)的變頻器狀態(tài)，電流很大，基本上達(dá)到額定電流，在電流振蕩的情況下出現(xiàn)限流，因此造成頻率上不去。測(cè)量此時(shí)的波形，如圖5所示。

                                       圖5   12Hz時(shí)的振蕩電流波形

    做電機(jī)辨識(shí)，辨識(shí)出來的電機(jī)參數(shù)與默認(rèn)值基本一致，重新運(yùn)行，變頻器仍然會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，而且是基本在同一頻率段12Hz附近，懷疑是軟件PWM調(diào)制問題，因?yàn)樵擃l段剛好是EV2000的三相調(diào)制SVPWM到改進(jìn)的兩相SVPWM調(diào)制的切換點(diǎn)，如圖6所示。

                                        圖6   調(diào)制及其切換

    從波形上確認(rèn)后，決定修改電機(jī)穩(wěn)定因子FH.10，變頻器啟動(dòng)正常，再?zèng)]有發(fā)生過載問題。

    本例中設(shè)置參數(shù)如下。

    FH.10：電機(jī)穩(wěn)定因子

    電機(jī)穩(wěn)定因子用于抑止變頻器與電機(jī)配合時(shí)所產(chǎn)生的固有振蕩。本例中恒定負(fù)載運(yùn)行時(shí)輸出電流反復(fù)變化，在出廠參數(shù)（穩(wěn)定因子為10）的基礎(chǔ)上調(diào)整為40，完全消除振蕩，使電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，其波形如圖7所示。

                              圖7   電機(jī)穩(wěn)定因子調(diào)整后的12Hz輸出電流波形

    （3）案例歸納

    艾默生EV2000系列變頻器綜合考慮了變頻器運(yùn)行損耗、電機(jī)運(yùn)行噪音和穩(wěn)定性等多方面的要求，將經(jīng)典的三相SVPWM（任意開關(guān)周期內(nèi)又三相開關(guān)）與改進(jìn)的兩相調(diào)制SVPWM（任意開關(guān)周期內(nèi)僅有兩相開關(guān)）完美得結(jié)合在一起。低頻時(shí)采用三相調(diào)制，有效地改善輸出波形；高速時(shí)采用兩相調(diào)制，有效地減少開關(guān)次數(shù)，降低開關(guān)損耗，減少死區(qū)的影響。但是12Hz附近剛好是三相調(diào)制與兩相調(diào)制的切換點(diǎn)，在電機(jī)空載、輕載時(shí)易發(fā)生振蕩。

    為了彌補(bǔ)切換點(diǎn)的問題，EV2000采用獨(dú)特的控制方式，通過調(diào)整電機(jī)穩(wěn)定因子，可以抑制變頻器與電機(jī)配合時(shí)的固有振蕩以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，確保輕載運(yùn)行的穩(wěn)定性，從而最終消除E013過載故障。

5 結(jié)束語

    綜上所述，變頻器過載故障說明了電機(jī)與變頻器的選型存在嚴(yán)格的關(guān)系。

    電機(jī)選型首先應(yīng)該根據(jù)負(fù)載運(yùn)動(dòng)時(shí)所需要的平均功率、最高功率，折算到電機(jī)軸側(cè)（可能有減速機(jī)、皮帶輪等減速裝置）選擇電機(jī)的功率，同時(shí)也要考慮電機(jī)的過載能力。電機(jī)廠商可以提供電機(jī)的力矩特性曲線，不同溫度下電機(jī)特性會(huì)變化。順便說，選型的順序當(dāng)然是先選電機(jī)再根據(jù)電機(jī)選擇變頻器，因?yàn)榭刂频淖罱K目的不是變頻器也不是電機(jī)，而是機(jī)械負(fù)載。

    而變頻器的選型第一應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是根據(jù)電流選型。對(duì)于一般負(fù)載，可以根據(jù)電機(jī)的額定電流選擇變頻器，即變頻器額定電流（即常規(guī)環(huán)境下的最大持續(xù)工作電流）大于電機(jī)額定電流即可。但是必須要考慮極限狀況的出現(xiàn)。因此變頻器還需要可以提供短時(shí)間的過載電流。（注意：電機(jī)的電流是由機(jī)械負(fù)載決定的）

    變頻器有一條過載電流曲線，是一條反時(shí)限曲線，描述了過載電流和時(shí)間的關(guān)系。這就是變頻器說明書上經(jīng)常說到的過載能力可以達(dá)到150％額定電流2秒、180％額定電流2秒等，實(shí)際上是一條曲線。因此，只要電機(jī)的電流曲線在變頻器的過載電流曲線之內(nèi)，就是正確的選型。這就是為什么有時(shí)候變頻器功率要大于電機(jī)功率1檔或2檔（比如起重應(yīng)用），有時(shí)候小功率變頻器仍然可以驅(qū)動(dòng)大功率電機(jī)（比如輸送帶）的原因。

    另一個(gè)必須注意的，在非正常環(huán)境下，比如高海拔、高環(huán)境溫度（例如大于50度小于60度環(huán)境）、并排安裝方式（有些變頻器并排安裝不降容，有些要降容，根據(jù)變頻器設(shè)計(jì)決定）等情況下，要考慮變頻器的降容。因此，變頻器的額定功率可能大于電機(jī)功率，也可以小于電機(jī)功率，事實(shí)上變頻器的選型也是根據(jù)機(jī)械負(fù)載決定的。

    總之，變頻器選型的最終依據(jù)，是變頻器的電流曲線包括機(jī)械負(fù)載的電流曲線。


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