喬俊生

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團公司機電處)

淺談變頻器的保護及應用

喬俊生①

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團公司機電處)

圍繞變頻器闡述了電動機的允許持續(xù)電流和工作頻率的關系,分析了電子熱保護器的反時保護功能、過電流、過電壓、欠電壓產(chǎn)生的原因,提出變頻器過電流、過電壓、欠電壓保護措施。并分析了過熱保護、負載側接地保護等變頻器的其它保護功能。

變頻器;過電流;過電壓;保護功能

1 過 載

在變頻器內(nèi),由于能夠方便而準確地檢測電流,并可通過精密的計算來實現(xiàn)反時限的保護特性,大大提高了保護的可靠性和準確性。由于它能實現(xiàn)和熱繼電器類似的保護功能,故稱為電子熱保護器或電子熱繼電器。

1)電動機的允許持續(xù)電流和工作頻率的關系。電動機在低速運行時,由于散熱條件變差,允許持續(xù)電流將減小。

圖1 允許持續(xù)電流和工作頻率的關系示意圖

電動機的允許持續(xù)電流IMa和工作頻率fX的關系曲線圖見圖1。

由于同一容量的變頻器配用的電動機容量并不是一定的。例如,一臺55 kVA的變頻器,當用于不變負載時,可配用37 kW的電動機,而用于變動負載或斷續(xù)負載時,由于允許電動機短時過載,故只能配用22 kW甚至15 kW的電動機。為此,變頻器提供了由用戶根據(jù)配用電動機的額定電流來設定IMa=f (fX)曲線的功能。用戶在設定時,應先求出配用電動機的額定電流與變頻器額定電流之比:IM%=( IMN/IN)×100%。

IM%是電動機向變頻器取用電流的百分比,簡稱電流取用比。

例如:有1臺電動機,PMN=3 kW,UMN=380 V, IMN=6.2 A。所選變頻器的額定容量SN=6 kVA,額定電流IN=8.5 A。則IM%=(IMN/IN)×100% =(6.2/8.5)×100%=73%。可設定為IM%= 75%。

2)電子熱保護器的反時限保護功能。根據(jù)電動機在過載后的發(fā)熱情況,要求過載保護能夠做到,過載越多,保護動作時間越短。這就是所謂的反時限保護特性。

2 過電流

變頻器中,過電流主要指帶有突變性質(zhì)的、電流的峰值超過了變頻器的容許值的情形。

2.1 過電流的原因

1)工作中過電流,即拖動系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)過電流。其原因大致來自以下幾個方面:

a)電動機遇到?jīng)_擊負載,或傳動機構出現(xiàn)“卡住”現(xiàn)象,引起電動機電流的突然增加。

b)變頻器的輸出側短路,如輸出端到電動機之間的連接線發(fā)生相互短路,或電動機內(nèi)部發(fā)生短路等。

c)變頻器自身工作的不正常。如逆變橋中同一橋臂的兩個逆變器件在不斷交替導通的工作過程中出現(xiàn)異常。例如由于環(huán)境溫度過高,或逆變器件本身老化等原因,使逆變器件的參數(shù)發(fā)生變化,導致在交替過程中,一個器件已經(jīng)導通,而另一個器件卻還未來得及關斷,引起同一橋臂的上、下兩個器件間的“直通”,使直流電壓的正、負極間處于短路狀態(tài),見圖2。

圖2 逆變橋的直通示意圖

2)升速中的過電流。當負載的慣性較大,而升速時間又設定的太短時,將產(chǎn)生過電流。因為升速時間太短,意味著在升速過程中,變頻器的工作頻率上升太快,電動機的同步轉(zhuǎn)速no迅速上升,而電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速nM則因負載慣性較大而跟不上去,導致轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線的速度太快(等于轉(zhuǎn)差太大),結果是升速電流太大。

3)降速中的過電流。當負載的慣性較大,而降速時間設定得太短時,也會引起過電流。因為,降速時間太短,同步轉(zhuǎn)速迅速下降,而電動機轉(zhuǎn)子因負載的慣性大,仍維持較高的轉(zhuǎn)速,這也同樣使轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線的速度太快而產(chǎn)生過電流。

2.2 變頻器對過電流的處理

對變頻器過電流的處理原則,盡量不跳閘,為此而配置了防止跳閘的自處理功能(也稱防止失速功能);只有當沖擊電流的峰值太大,或防止跳閘措施不能解決問題時,才迅速跳閘。

1)工作過程中過載。由用戶根據(jù)電動機的額定電流和負載的具體情況設定一個電流限值Iset,當工作電流超過此限值時,變頻器將自動地適當降低其工作頻率,當工作電流下降到限值以下時,工作頻率也逐漸恢復,見圖3。

圖3 工作中的防跳閘示意圖

2)升、降速時的過電流。逆變橋的直通在升速和降速過程中,當電流超過Iset時,變頻器將暫停升速(或降速),待電流下降到Iset以下時,再繼續(xù)升速(或降速)。這樣處理后,實際上自動地延長了升速(或降速)的時間。

3 過電壓

1)產(chǎn)生過電壓的原因。

a)電源過電壓。

b)降速時因反饋能量來不及釋放而形成的再生過電壓。

c)在SPWM調(diào)制方式中,電路是以系列脈沖的方式工作的。由于電路中存在著繞組電感和線路分布電感,所以在每一個脈沖的上升和下降過程中,可能產(chǎn)生峰值很大的脈沖電壓。這個脈沖電壓將疊加到直流電壓上去,形成具有破壞作用的脈沖高壓。

2)過電壓的保護措施。

a)電源過電壓。對于電源電壓的上限,一般規(guī)定不能超過額定電壓的10%,當電源線電壓為380 V時,其上限值為420 V。某些國外進口的變頻器的最高工作電壓可達460 V,這對于國內(nèi)用戶來說,是十分有利的。

由于電源電壓過高,將直接反應在整流后的直流電壓上;同時,再生過電壓也直接反映在直流電壓上,所以,進行電壓保護的“取樣電壓”總是從主電路的直流電路中取出。

b)再生制動時的防止跳閘功能。和升速過程中過電流時的防止跳閘功能一樣,在降速過程中出現(xiàn)的過電壓,也可以采取暫緩降速的方法來防止它跳閘。即由用戶設定一個電壓的限值Uset(通常由變頻器自行設定),如在降速過程中,UD>Uset時,則暫停降速,當UD降至Uset以下時,再繼續(xù)降速,降速時防止防跳閘功能見圖4。

圖4 降速時防止跳閘示意圖

c)脈沖過電壓的保護。對于由線路電感引起的脈沖過電壓,采用常規(guī)的“檢測—判斷—保護”的方式是來不及保護的,通常采用吸收的方法來解決。常見的吸收裝置有壓敏電阻吸收和阻容吸收電路等。

4 欠電壓保護

1)產(chǎn)生欠電壓的原因。

a)電源方面的原因有:電源電壓過低和電源缺相。b)電路方面的原因有:(1)整流器件損壞,如果六個整流二極管中有部分因損壞而斷路,則整流后的電壓將下降。(2)限流電阻RL未“切出”電路。

2)變頻器對欠電壓的處理。

a)對于電源方面引起的欠電壓,變頻器設定的動作電壓一般都較低,顯得不嚴格。這是因為:(1)欠電壓的后果之一,是電動機的轉(zhuǎn)矩下降,而新系列的變頻器都有各種補償功能,使電動機能夠繼續(xù)運行。(2)欠電壓的另一個后果是電動機的電流增大,而變頻器又具有完善的過載保護功能。

b)對于整流器件和晶閘管的損壞,應注意檢修及時更換。

5 其他保護功能

1)過熱保護。

a)風扇運轉(zhuǎn)保護。變頻器的內(nèi)裝風扇是箱體內(nèi)部散熱的主要手段,它將保證逆變器件和控制電路的正常工作。所以,如果風扇運轉(zhuǎn)不正常,應立即進行保護。

b)逆變模塊散熱板的過熱保護。逆變模塊是變頻器內(nèi)產(chǎn)生熱量的主要部件,也是變頻器中最重要而又最脆弱的部件。所以,各變頻器都在散熱板上配置了過熱保護器件。

c)制動電阻過熱保護。制動電阻的標稱功率是按短時運行選定的,所以一旦通電時間過長,就會過熱,這時,應暫停使用,待冷卻后再用。

2)負載側接地保護。當電動機的繞組或變頻器到電動機之間的傳輸線中有一相開路或有一相接地時,將導致三相電流的不平衡(兩相以上同時接地時則形成短路,屬于過電流保護的對象)。因此,當變頻器檢測出三相電流不平衡時,將立即進行保護。

Discussion on Protection and Application of Converter

Qiao Jun-sheng

Around the converter elaborates the relationship of allowed continuous current and operating frequency of the motor,analyzes the inverse time protection function of electronic thermal protection device, the causes of over-current,over-voltage,under voltage,proposes protection measures of over-current, over-voltage,under voltage of converter.And analyze other protection functions of converter,such as thermal protection,load side grounding protection and so on.

Converter;Over-current;Over-voltage;Protection function

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TD611.5

A

1672-0652(2010)04-0023-03

2010-03-17

喬俊生 男 1964年出生 2009年畢業(yè)于中央電視大學 工程師 介休 032000