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，其運行狀態(tài)直接影響到電力工業(yè)設(shè)備的正常使用，并進而影響到整個工業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。盡管現(xiàn)有的變頻器自帶過流、過壓、過載保護等功能，但由于受到環(huán)境，使用年限以及使用不當，操作有誤，維護不及時等因素的影響，仍會發(fā)生故障或停運狀況。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機磁路飽和，從而導致電動機溫度過高；降低電動機絕緣性能，從而導致使用壽命縮短；過壓還會引起電容器超負荷破壞。文章針對變頻器過壓問題，通過研究變頻器的工作原理來對過壓故障產(chǎn)生的內(nèi)外機理進行分析，并提出相應(yīng)的故障處理與防護，保障港口裝卸機械的正常穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：變頻器；過壓；故障分析；故障處理

中圖分類號：TM921 文獻標志碼：A 文章編號：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，運行平穩(wěn)，調(diào)節(jié)范圍大，啟動電流小，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)自動化領(lǐng)域，大大推動了我國工業(yè)的飛速發(fā)展。其運行狀態(tài)直接影響到電力工業(yè)設(shè)備的正常使用，進而影響到整個工業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。盡管現(xiàn)有的變頻器自帶過流、過壓、過載保護等功能，但由于受到環(huán)境，使用年限以及使用不當，操作有誤，維護不及時等因素的影響，仍會引發(fā)故障或停運狀況，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的輸入電源， 實現(xiàn)電機的軟啟動，變頻調(diào)速，調(diào)節(jié)功率因數(shù)，提高運轉(zhuǎn)精度，以此達到調(diào)節(jié)電機的目的。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)是強弱電混合、機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，通常分為四個主體部分：整流器、高容量儲能電容、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、儲能、均壓以及吸收多余能量，因為輸出的直流電源為脈沖的直流電壓，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能電容不被燒壞。逆變環(huán)節(jié)又稱為負載側(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。控制單元主要包括檢測單元、微處理單元、保護電路等，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)動交流電動機。而所謂的控制器就包括檢測單元、微處理單元保護電路等，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)的過電壓和負載側(cè)的過電壓兩個方面，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、雷電導致的過電壓、減速或制動的時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，與制動有較大關(guān)系[1，4，5]，一般發(fā)生在制動過程。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，會產(chǎn)生強大的電壓沖擊，此時也會導致過電壓。雷電情況不可避免，但其發(fā)生概率相對較小。（2）來自負載側(cè)的過電壓。過電壓問題主要發(fā)生在逆變階段，即負載側(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，操作有誤，維護不及時等因素導致電動機出現(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。當工作中的逆變器處于整流狀態(tài)時，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，同時由于電容的放電會使直流母線電壓上升，當充電電壓上升達到限值就會因保護電路的自我保護功能自動跳閘，嚴重的會引起電容損壞。

負載側(cè)的過電壓原因主要是當電機在制動或減速時，因變頻器設(shè)置的減速時間參數(shù)過小，或者因為工藝要求的限制必須在限定的時間內(nèi)減速至規(guī)定頻率或停止運行時，變頻器的輸出頻率減小的速度較快，而工作負載由于自身慣性難以根據(jù)輸出頻率作出相對應(yīng)的調(diào)速反應(yīng)，此時電機轉(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，也就是電機發(fā)電。這部分電能將通過逆變回路直流回路中的儲能電容器元件充電，進而會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因變頻器與電機自身的耗能能力被變頻器及電機消耗出去。剩余的部分再生能量會通過直流回路給儲能電容充電，當充電電壓上升達到限值就會因保護電路的自我保護功能自動跳閘，嚴重的會引起電容損壞。

4 過電壓故障處理與防護[1，4-7]

對來自電源輸入側(cè)引起的過電壓，正常情況下變頻器有一個正常工作的電壓范圍，因此通常情況下電源輸入側(cè)不會引起過壓。雷電產(chǎn)生會產(chǎn)生強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載側(cè)引起的再生過電壓。綜上所述，過電壓故障的防護處理總體上就是在確保電源電壓在變頻器的正常運轉(zhuǎn)電壓范圍內(nèi)，進行定期檢修，同時檢查變頻器頻器的減速時間是否設(shè)置正確，若發(fā)現(xiàn)設(shè)置過短，應(yīng)根據(jù)反復調(diào)試適當延長減速時間。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，消耗對電路系統(tǒng)不利的過電壓。對于電源輸入側(cè)，如果有雷電引起的過電壓、沖擊過電壓，有補償電容的電路在開關(guān)啟、閉時產(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)儲能電容。電容可以通過充放電達到穩(wěn)定電壓的目的，以此提高回路承受過電壓的能力。同時，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)制動電阻，并定期檢查直流母線上的電壓，并根據(jù)實際需要設(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直流母線上的電壓上升到設(shè)定的閾值時，功率管就會接通，并將再生能量釋放到制動電阻上，制動電阻放熱將不利的過電壓耗散掉，以此達到避免直流電壓增大。同時，因為能量在制動電阻上耗散，因此不會導致電機嚴重發(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)制動電阻。（2）能量回饋。能量回饋的工作原理是針對電源輸入側(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)律性負載突降導致的過壓問題。在負載突降前，適當增大頻率，減少負載側(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，當制動導致直流母線電壓升高時，SLM模塊將多余的能量自動回饋給電源輸入側(cè)，從而保證直流母線上電壓相對穩(wěn)定。對于規(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降低工頻電源電壓。對沒有特定工藝限制的負載減速，要合理設(shè)置變頻器減速時間參數(shù)，不宜設(shè)置過短。時間參數(shù)的設(shè)定要根據(jù)工程經(jīng)驗，以不引起回路過電壓為基準，尤其要考慮負載慣性的影響。對工藝要求有特殊限制的負載減速問題，盡可能避免因時間設(shè)置不合理，變頻器因自我保護功能出現(xiàn)自動跳閘。

5 結(jié)束語

變頻器是電力系統(tǒng)中重要的電子設(shè)備，其運行狀態(tài)直接影響到電力工業(yè)設(shè)備的正常使用，并進而影響到整個工業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。但如果使用不當，操作有誤，維護不及時，就會縮短變頻器的使用壽命，甚至發(fā)生故障或停運狀況。因此，日常維護與檢修工作至關(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)外機理，給出相應(yīng)的故障處理與防護，對保障港口裝卸機械的正常穩(wěn)定運行以及其他行業(yè)具有重要意義。

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