變頻器過電壓故障原因分析及對策

1 引言

變頻器過電壓故障保護(hù)是變頻器中間直流電壓達(dá)到危險程度后采取的保護(hù)措施，這是變頻器設(shè)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(yīng)的措施去處理。

2 變頻器過電壓的危害

變頻器過電壓主要是指其中間直流回路過電壓，中間直流回路過電壓主要危害在于:

(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(dǎo)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(yán)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電壓值限定在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(hù)。

3 產(chǎn)生變頻器過電壓的原因

3.1 過電壓的原因

一般能引起中間直流回路過電壓的原因主要來自以下兩個方面:

(1) 來自電源輸入側(cè)的過電壓

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，一般電源電壓不會使變頻器因過電壓跳閘。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、補償電容在合閘或斷開時形成的過電壓等，主要特點是電壓變化率dv/dt和幅值都很大。

(2) 來自負(fù)載側(cè)的過電壓

主要是指由于某種原因使電動機處于再生發(fā)電狀態(tài)時，即電機處于實際轉(zhuǎn)速比變頻頻率決定的同步轉(zhuǎn)速高的狀態(tài)，負(fù)載的傳動系統(tǒng)中所儲存的機械能經(jīng)電動機轉(zhuǎn)換成電能，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。此時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，這些能量將會導(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。

3.2 從變頻器負(fù)載側(cè)可能引起過電壓的情況及主要原因

從變頻器負(fù)載側(cè)可能引起過電壓的情況及主要原因如下:

(1) 變頻器減速時間參數(shù)設(shè)定相對較小及未使用變頻器減速過電壓自處理功能。

當(dāng)變頻器拖動大慣性負(fù)載時，其減速時間設(shè)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(fù)載慣性比較大，靠本身阻力減速比較慢，使負(fù)載拖動電動機的轉(zhuǎn)速比變頻器輸出的頻率所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速還要高，電動機處于發(fā)電狀態(tài)，而變頻器沒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，就會出現(xiàn)過電壓跳閘故障。

大多數(shù)變頻器為了避免跳閘，專門設(shè)置了減速過電壓的自處理功能，如果在減速過程中，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，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)此類故障。

(2) 工藝要求在限定時間內(nèi)減速至規(guī)定頻率或停止運行

工藝流程限定了負(fù)載的減速時間，合理設(shè)定相關(guān)參數(shù)也不能減緩這一故障，系統(tǒng)也沒有采取處理多余能量的措施，必然會引發(fā)過壓跳閘故障。

(3) 當(dāng)電動機所傳動的位能負(fù)載下放時，電動機將處于再生發(fā)電制動狀態(tài)

位能負(fù)載下降過快，過多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，過電壓故障也會發(fā)生。

(4) 變頻器負(fù)載突降

變頻器負(fù)載突降會使負(fù)載的轉(zhuǎn)速明顯上升，使負(fù)載電機進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，從負(fù)載側(cè)向變頻器中間直流回路回饋能量，短時間內(nèi)能量的集中回饋，可能會中間直流回路及其能量處理單元的承受能力引發(fā)過電壓故障。

(5) 多個電機拖動同一個負(fù)載時，也可能出現(xiàn)這一故障，主要由于沒有負(fù)荷分配引起的。以兩臺電動機拖動一個負(fù)載為例，當(dāng)一臺電動機的實際轉(zhuǎn)速大于另一臺電動機的同步轉(zhuǎn)速時，則轉(zhuǎn)速高的電動機相當(dāng)于原動機，轉(zhuǎn)速低的處于發(fā)電狀態(tài)，引起了過電壓故障。處理時需加負(fù)荷分配控制?？梢园炎冾l器輸出特性曲線調(diào)節(jié)的軟一些。

(6) 變頻器中間直流回路電容容量下降

變頻器在運行多年后，中間直流回路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幾率會增大，這時需要對中間直流回路電容器容量下降情況進(jìn)行檢查。

4 過電壓故障處理對策

對于過電壓故障的處理，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，使其過電壓的程度限定在允許的限值之內(nèi)。下面是主要的對策:

(1) 在電源輸入側(cè)增加吸收裝置，減少過電壓因素

對于電源輸入側(cè)有沖擊過電壓、雷電引起的過電壓、補償電容在合閘或斷開時形成的過電壓可能發(fā)生的情況下，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

在變頻器可設(shè)定的參數(shù)中主要有兩點:

l 減速時間參數(shù)和變頻器減速過電壓自處理功能。在工藝流程中如不限定負(fù)載減速時間時，變頻器減速時間參數(shù)的設(shè)定不要太短，而使得負(fù)載動能釋放的太快，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)載慣性較大時該參數(shù)的設(shè)定。如果工藝流程對負(fù)載減速時間有限制，而在限定時間內(nèi)變頻器出現(xiàn)過電壓跳閘現(xiàn)象，就要設(shè)定變頻器失速自整定功能或先設(shè)定變頻器不過壓情況下可減至的頻率值，暫緩后減速至零，減緩頻率減少的速度。

l 是中間直流回路過電壓倍數(shù)。

(3) 分析工藝流程，在工藝流程中尋找解決辦法

如氫氧化鋁撈取浮游物項目袋濾機系統(tǒng)，有8臺50kW進(jìn)料泵、4臺30kW回流泵采用富士變頻器調(diào)速，在袋濾機工作流程中每隔20～30min需要將吸附在濾布上的濾餅除去，除去濾餅的方法是使濾布的出料側(cè)壓力高于進(jìn)料側(cè)壓力，形成較高的壓差使料漿倒流來實現(xiàn)的。在蓄能階段，進(jìn)料泵閉環(huán)于流量參數(shù)，為了保持恒定流量，變頻器的頻率一直在提升，到了回流階段，進(jìn)料閥門突然關(guān)閉，進(jìn)料泵變頻器負(fù)載突降，電機進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，引發(fā)過電壓故障。我們分析在蓄能階段后期只要在袋濾機內(nèi)形成滿足去除濾餅所要求的壓力即可，沒有必要形成過高的壓力，而使變頻器運行于過高的頻率段，對于此故障可以在蓄能階段引入袋濾機內(nèi)部壓力值，達(dá)到所需壓力即停止頻率的上升?；蚩梢栽谛钅艿恼麄€階段停止頻率的上升，這樣就可以大幅減少回流階段負(fù)載側(cè)能量向中間直流回路的回饋。這一點在DCS集散控制系統(tǒng)中是可以辦到的。

如袋濾機系統(tǒng)中回流泵因2～3臺袋濾機對濾布反沖洗時，循環(huán)卸料，時間短,流量大，料漿中混有空氣，引起回流泵打空轉(zhuǎn)，負(fù)載突減，使電動機處于再生制動工況，導(dǎo)致變頻器中間直流回路過電壓，變頻器保護(hù)跳閘，對于這一故障，可以從工藝方面入手，在每臺袋濾機的回流出口至回流槽處加緩沖槽，改變回流流量突變狀況，減小流量變化對變頻器的影響，解決過電壓問題。

(4) 采用增加泄放電阻的方法

一般小于7.5kW的變頻器在出廠時內(nèi)部中間直流回路均裝有控制單元和泄放電阻，大于7.5kW的變頻器需根據(jù)實際情況外加控制單元和泄放電阻，為中間直流回路多余能量釋放提供通道，是一種常用的泄放能量的方法。其不足之處是能耗高，可能出現(xiàn)頻繁投切或長時間投運，致使電阻溫度升高、設(shè)備損壞。

(5) 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能量最好的方法就是在輸入側(cè)增加逆變電路，可以將多余的能量回饋給電網(wǎng)。但逆變橋價格昂貴，技術(shù)要求復(fù)雜，不是較經(jīng)濟的方法。這樣在實際中就限制了它的應(yīng)用，只有在較高級的場合才使用。

(6) 采用在中間直流回路上增加適當(dāng)電容的方法

中間直流回路電容對其電壓穩(wěn)定、提高回路承受過電壓的能力起著非常重要的作用。適當(dāng)增大回路的電容量或及時更換運行時間過長且容量下降的電容器是解決變頻器過電壓的有效方法。這里還包括在設(shè)計階段選用較大容量的變頻器的方法，是以增大變頻器容量的方法來換取過電壓能力的提高。

(7) 在條件允許的情況下適當(dāng)降低工頻電源電壓

目前變頻器電源側(cè)一般采用不可控整流橋，電源電壓高，中間直流回路電壓也高，電源電壓為380V、400V、450V時，直流回路電壓分別為537V、565V、636V。有的變頻器距離變壓器很近，變頻器輸入電壓高達(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)放置在低壓檔，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。

(8) 多臺變頻器共用直流母線的方法

至少兩臺同時運行的變頻器共用直流母線可以很好的解決變頻器中間直流回路過電壓問題，因為任何一臺變頻器從直流母線上取用的電流一般均大于同時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。使用共用直流母線存在的最大的問題應(yīng)是共用直流母線保護(hù)上的問題，在利用共用直流母線解決過電壓的問題時應(yīng)注意這一點。

(9) 通過控制系統(tǒng)功能優(yōu)勢解決變頻器過電壓問題

在很多工藝流程中，變頻器的減速和負(fù)載的突降是受控制系統(tǒng)支配的，可以利用控制系統(tǒng)的一些功能，在變頻器的減速和負(fù)載的突降前進(jìn)行控制，減少過多的能量饋入變頻器中間直流回路。如對于規(guī)律性減速過電壓故障，可將變頻器輸入側(cè)的不可控整流橋換成半可控或全控整流橋，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，避免產(chǎn)生過電壓故障。而對于規(guī)律性負(fù)載突降過電壓故障，可利用控制系統(tǒng)如FOXBORO的DCS集散系統(tǒng)的控制功能，在負(fù)載突降前，將變頻器的頻率作適當(dāng)提升，減少負(fù)載側(cè)過多的能量饋入中間直流回路，以減少其引起的過電壓故障。

5 結(jié)束語

變頻器中間直流過電壓故障是變頻器的一個弱點，關(guān)鍵是要分清原因，結(jié)合變頻器本身參數(shù)、控制系統(tǒng)狀況和工藝流程等情況，才能制定相應(yīng)的對策，只要認(rèn)真對待，該過電壓故障是不難解決的。