變頻器過電壓故障分析及處理與防護(hù)研究

喬宏琦　呂艷秋　李猛

摘 要：變頻器是電力系統(tǒng)中重要的電子設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響到電力工業(yè)設(shè)備的正常使用，并進(jìn)而影響到整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。盡管現(xiàn)有的變頻器自帶過流、過壓、過載保護(hù)等功能，但由于受到環(huán)境，使用年限以及使用不當(dāng)，操作有誤，維護(hù)不及時(shí)等因素的影響，仍會(huì)發(fā)生故障或停運(yùn)狀況。目前，變頻器在工業(yè)生產(chǎn)使用過程中，過電壓、過電流、過載、過熱等故障問題依然存在，這些故障給工業(yè)的穩(wěn)定、快速發(fā)展帶來了一定阻滯作用。過壓問題容易引起電動(dòng)機(jī)磁路飽和，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)溫度過高；降低電動(dòng)機(jī)絕緣性能，從而導(dǎo)致使用壽命縮短；過壓還會(huì)引起電容器超負(fù)荷破壞。文章針對(duì)變頻器過壓問題，通過研究變頻器的工作原理來對(duì)過壓故障產(chǎn)生的內(nèi)外機(jī)理進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的故障處理與防護(hù)，保障港口裝卸機(jī)械的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：變頻器；過壓；故障分析；故障處理

中圖分類號(hào)：TM921 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）03-0132-02

Abstract： The frequency converter is an important electronic device in the power system， and its operating state directly affects the normal use of the power industry equipment， thus affecting the stable operation of the entire industrial system. Although the existing inverters have functions such as overcurrent， overvoltage， and overload protection， they may still be in failure or outage due to environmental， service life， improper use， incorrect operation， and untimely maintenance . At present， in the process of industrial production and use， over-voltage， over-current， overload， over-heating and other faults still exist. These faults have brought certain retardation to the stable and rapid development of the industry. The overvoltage problem easily causes the motor magnetic circuit to saturate， which leads to the motor temperature being too high； it reduces the motor insulation performance， resulting in a shortened service life； overvoltage can also cause capacitor overload damage. In this paper， the inverter's overvoltage fault is studied. By studying the working principle of the inverter， the internal and external mechanisms generated by the overvoltage fault are analyzed， and the corresponding fault handling and protection are proposed to ensure the normal and stable operation of the port handling machinery.

Keywords： frequency converter； overvoltage； fault analysis； fault handling

1 概述

隨著電力、電子技術(shù)發(fā)展的日趨成熟，變頻器不僅調(diào)速平滑，運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)節(jié)范圍大，啟動(dòng)電流小，工作效率高，而且節(jié)能效果顯著，因此，變頻調(diào)速技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，大大推動(dòng)了我國工業(yè)的飛速發(fā)展。其運(yùn)行狀態(tài)直接影響到電力工業(yè)設(shè)備的正常使用，進(jìn)而影響到整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。盡管現(xiàn)有的變頻器自帶過流、過壓、過載保護(hù)等功能，但由于受到環(huán)境，使用年限以及使用不當(dāng)，操作有誤，維護(hù)不及時(shí)等因素的影響，仍會(huì)引發(fā)故障或停運(yùn)狀況，給工業(yè)快速發(fā)展帶來一定阻滯作用。

2 變頻器的工作原理

變頻器是變頻技術(shù)與微電子技術(shù)的完美結(jié)合。電力系統(tǒng)中，變頻器是通過電力半導(dǎo)體器件的通斷作用改變輸入電源的頻率以獲取電滿足電力所需要的輸出電源。為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的需要，人們利用變頻器改變輸入的工業(yè)電源的頻率來改變電機(jī)的輸入電源， 實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)，變頻調(diào)速，調(diào)節(jié)功率因數(shù)，提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度，以此達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)的目的。電力工業(yè)系統(tǒng)中常用的變頻器有交-交變頻及交-直-交變頻，而交-直-交變頻較為常用[1]。交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)弱電混合、機(jī)電一體的綜合性技術(shù)。其電路主要包括主電路、控制電路、保護(hù)電路及操作顯示電路，其技術(shù)主要分成主回路和控制系統(tǒng)兩大部分，通常分為四個(gè)主體部分：整流器、高容量儲(chǔ)能電容、逆變器和控制器[2]。整流器的作用是將固定工作頻率的三相交流電轉(zhuǎn)化為直流電，主要有晶體二極管構(gòu)成不可控全波整流橋或晶閘管構(gòu)成的可控全波整流橋的低壓整流電路。直流部分主要用作濾波、儲(chǔ)能、均壓以及吸收多余能量，因?yàn)檩敵龅闹绷麟娫礊槊}沖的直流電壓，必須經(jīng)過濾波。直流部分元件要防止用作吸收直-交環(huán)節(jié)的過流及過壓的不利能量的濾波和電解的高容量儲(chǔ)能電容不被燒壞。逆變環(huán)節(jié)又稱為負(fù)載側(cè)變流部分，主要用作直流到交流的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，逆變器的工作原理是先通過大功率晶體管陣列構(gòu)成電子開關(guān)獲取不同頻率、寬度、幅度的方波直流電源，然后通過電子元件構(gòu)成逆變回路獲取頻率和電壓都可調(diào)的交流電源?？刂茊卧饕z測(cè)單元、微處理單元、保護(hù)電路等，控制器的作用是通過設(shè)定好程序控制輸出方波的寬度和幅度，獲取近似正弦的交流電源，用以驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)。而所謂的控制器就包括檢測(cè)單元、微處理單元保護(hù)電路等，其作用主要是處理信息的收集、變換和傳輸[1，3]。

3 過電壓故障分析

變頻器的過壓主要來自電源輸入側(cè)的過電壓和負(fù)載側(cè)的過電壓兩個(gè)方面，主要發(fā)生在直流母線上，變頻器過電壓故障具體表現(xiàn)形式主要有輸入電源引起的過電壓、雷電導(dǎo)致的過電壓、減速或制動(dòng)的時(shí)間過短引起的過電壓等。過電壓故障主要發(fā)生在中間回路，與制動(dòng)有較大關(guān)系[1，4，5]，一般發(fā)生在制動(dòng)過程。過電壓問題來源有：（1）來自電源輸入側(cè)的過電壓。變頻器有一個(gè)正常工作的電壓適應(yīng)范圍，因此，通常情況下電源輸入側(cè)不易發(fā)生過壓。但在電源輸入側(cè)有雷電以及大的電磁干擾時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電壓沖擊，此時(shí)也會(huì)導(dǎo)致過電壓。雷電情況不可避免，但其發(fā)生概率相對(duì)較小。（2）來自負(fù)載側(cè)的過電壓。過電壓問題主要發(fā)生在逆變階段，即負(fù)載側(cè)過壓故障。逆變環(huán)節(jié)的過電壓主要是指由于受到環(huán)境，使用年限以及使用不當(dāng)，操作有誤，維護(hù)不及時(shí)等因素導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)再生發(fā)電現(xiàn)象，而這部分電能將通過逆變器的續(xù)流二極管單元回饋到直流回路。當(dāng)工作中的逆變器處于整流狀態(tài)時(shí)，如果變頻器中沒有采取能耗措施，這些電能將給直流回路中的電容器元件充電，同時(shí)由于電容的放電會(huì)使直流母線電壓上升，當(dāng)充電電壓上升達(dá)到限值就會(huì)因保護(hù)電路的自我保護(hù)功能自動(dòng)跳閘，嚴(yán)重的會(huì)引起電容損壞。

負(fù)載側(cè)的過電壓原因主要是當(dāng)電機(jī)在制動(dòng)或減速時(shí)，因變頻器設(shè)置的減速時(shí)間參數(shù)過小，或者因?yàn)楣に囈蟮南拗票仨氃谙薅ǖ臅r(shí)間內(nèi)減速至規(guī)定頻率或停止運(yùn)行時(shí)，變頻器的輸出頻率減小的速度較快，而工作負(fù)載由于自身慣性難以根據(jù)輸出頻率作出相對(duì)應(yīng)的調(diào)速反應(yīng)，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將超過變頻器同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子切割旋轉(zhuǎn)磁場，也就是電機(jī)發(fā)電。這部分電能將通過逆變回路直流回路中的儲(chǔ)能電容器元件充電，進(jìn)而會(huì)使直流母線電壓上升，即再生過電壓。這些再生電能的部分電能會(huì)因變頻器與電機(jī)自身的耗能能力被變頻器及電機(jī)消耗出去。剩余的部分再生能量會(huì)通過直流回路給儲(chǔ)能電容充電，當(dāng)充電電壓上升達(dá)到限值就會(huì)因保護(hù)電路的自我保護(hù)功能自動(dòng)跳閘，嚴(yán)重的會(huì)引起電容損壞。

4 過電壓故障處理與防護(hù)[1，4-7]

對(duì)來自電源輸入側(cè)引起的過電壓，正常情況下變頻器有一個(gè)正常工作的電壓范圍，因此通常情況下電源輸入側(cè)不會(huì)引起過壓。雷電產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電壓沖擊引起過電壓。雷電產(chǎn)生的情況不可避免，但其發(fā)生概率相對(duì)較小。因此，變頻器在使用過程中產(chǎn)生的過電壓主要是考慮由負(fù)載側(cè)引起的再生過電壓。綜上所述，過電壓故障的防護(hù)處理總體上就是在確保電源電壓在變頻器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)電壓范圍內(nèi)，進(jìn)行定期檢修，同時(shí)檢查變頻器頻器的減速時(shí)間是否設(shè)置正確，若發(fā)現(xiàn)設(shè)置過短，應(yīng)根據(jù)反復(fù)調(diào)試適當(dāng)延長減速時(shí)間。防治的處理措施就是要將過多的再生電能耗散掉，常用的有如下方法：（1）耗能裝置。a.在電源輸入側(cè)加設(shè)耗能裝置，消耗對(duì)電路系統(tǒng)不利的過電壓。對(duì)于電源輸入側(cè)，如果有雷電引起的過電壓、沖擊過電壓，有補(bǔ)償電容的電路在開關(guān)啟、閉時(shí)產(chǎn)生的過電壓現(xiàn)象，可以在電源輸入側(cè)并聯(lián)耗能裝置或串聯(lián)電阻抗元件，以此抑制過電壓的發(fā)生。b.增加泄放電阻。變頻器內(nèi)部直流回路一般都裝有控制單元和泄放電阻，釋放中間直流回路上的多余電能。c.在直流回路上給原有電容并聯(lián)儲(chǔ)能電容。電容可以通過充放電達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的，以此提高回路承受過電壓的能力。同時(shí)，適度加大回路的電容并更換容量耗損明顯的電容器。d.在變頻器的直流回路中并聯(lián)制動(dòng)電阻，并定期檢查直流母線上的電壓，并根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置合理的閾值來控制功率管的通、斷。功率管的工作原理是當(dāng)直流母線上的電壓上升到設(shè)定的閾值時(shí)，功率管就會(huì)接通，并將再生能量釋放到制動(dòng)電阻上，制動(dòng)電阻放熱將不利的過電壓耗散掉，以此達(dá)到避免直流電壓增大。同時(shí)，因?yàn)槟芰吭谥苿?dòng)電阻上耗散，因此不會(huì)導(dǎo)致電機(jī)嚴(yán)重發(fā)熱。具體應(yīng)用有：西門子S120系列變頻器在BLM型整流單元上加設(shè)并聯(lián)制動(dòng)電阻。（2）能量回饋。能量回饋的工作原理是針對(duì)電源輸入側(cè)變流器可逆的整流單元，可以將再生發(fā)電產(chǎn)生電壓通過電源輸入側(cè)線路回饋給電路系統(tǒng)，從而利用再生電能?？衫每刂茊卧目刂乒δ?，避免規(guī)律性負(fù)載突降導(dǎo)致的過壓問題。在負(fù)載突降前，適當(dāng)增大頻率，減少負(fù)載側(cè)過多的能量流入直流回路，以防止過電壓故障發(fā)生。如西門子S120系列SLM模塊，當(dāng)制動(dòng)導(dǎo)致直流母線電壓升高時(shí)，SLM模塊將多余的能量自動(dòng)回饋給電源輸入側(cè)，從而保證直流母線上電壓相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)于規(guī)律性減速引起的過電壓故障，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。減速前，在保證直流電壓控制在允許范圍內(nèi)的前提下，相對(duì)提高直流回路承受饋入能量的能力，從而避免過電壓問題。（3）激活直流母線控制器。針對(duì)直流側(cè)過電壓的問題，變頻器控制單元能通過內(nèi)部PID算法，系統(tǒng)自行調(diào)設(shè)頻率。具體應(yīng)用如S120變頻器將參數(shù)P1200設(shè)置為1，以此激活母線上電壓的控制器。

總體防治原則就是在條件允許的情況下適當(dāng)降低工頻電源電壓。對(duì)沒有特定工藝限制的負(fù)載減速，要合理設(shè)置變頻器減速時(shí)間參數(shù)，不宜設(shè)置過短。時(shí)間參數(shù)的設(shè)定要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，以不引起回路過電壓為基準(zhǔn)，尤其要考慮負(fù)載慣性的影響。對(duì)工藝要求有特殊限制的負(fù)載減速問題，盡可能避免因時(shí)間設(shè)置不合理，變頻器因自我保護(hù)功能出現(xiàn)自動(dòng)跳閘。

5 結(jié)束語

變頻器是電力系統(tǒng)中重要的電子設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響到電力工業(yè)設(shè)備的正常使用，并進(jìn)而影響到整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。但如果使用不當(dāng)，操作有誤，維護(hù)不及時(shí)，就會(huì)縮短變頻器的使用壽命，甚至發(fā)生故障或停運(yùn)狀況。因此，日常維護(hù)與檢修工作至關(guān)重要。通過研究變頻器的工作原理來分析過電壓故障產(chǎn)生的內(nèi)外機(jī)理，給出相應(yīng)的故障處理與防護(hù)，對(duì)保障港口裝卸機(jī)械的正常穩(wěn)定運(yùn)行以及其他行業(yè)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]魯慧春.淺談變頻器常見故障的處理[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011（11）：204.

[2]孫凱，趙彥偉，劉愛榮，等.變頻器的常見故障、處理措施及日常維護(hù)[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2015（6）：74.

[3]李方圓.變頻器行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐[M].中國電力出版社，2006.

[4]管振欣.變頻器故障原因及預(yù)防措施[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012（8）：118.

[5]鄧希順.變頻器過電壓故障的原因和解決方案[J].電子技術(shù)與軟件工程，2013（20）：132.

[6]牛鐵龍，張康民.變頻器過電壓故障原因分析及對(duì)策[J].變頻器世界，2005（7）：116-118.

[7]張國軍，張偉.變頻器過電壓故障原因分析及對(duì)策[J].河南科技，2012（2）：41.