武可庚，翟美麗

（1.太原鐵路機(jī)械學(xué)校，山西 太原 030006；2.北京師范大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100052）

0 引言

VFD依靠其內(nèi)部絕緣柵雙極型晶體管的開(kāi)斷來(lái)調(diào)整輸出電源的電壓頻率，為電機(jī)的實(shí)際工作提供其不同需求下的電壓。因VFD節(jié)能調(diào)速、智能控制、軟啟動(dòng)等功能特性，使其在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)被廣泛的應(yīng)用，如：風(fēng)機(jī)，水泵負(fù)載、自動(dòng)化系統(tǒng)、傳送，起重，機(jī)床等機(jī)械設(shè)備控制以及電機(jī)軟啟動(dòng)等。VFD是電力系統(tǒng)中重要的電子設(shè)備，VFD運(yùn)行的穩(wěn)定性，是電力工業(yè)設(shè)備甚至整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要保障，一旦VFD發(fā)生過(guò)壓故障，不僅會(huì)降低VFD的使用壽命，甚至?xí)绊懙絍FD使用人員的生命安全。因此，快速有效地排除VFD的過(guò)壓故障是VFD使用工作中至關(guān)重要的內(nèi)容[1-3]。

1 變頻器的基本組成及工作原理

VFD利用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，改變電機(jī)電源工作的頻率，繼而控制電機(jī)。在電力系統(tǒng)中，常用的VFD包括交-交變頻和交-直-交變頻。其中交-直-交變頻又被成為矢量控制變頻，是最常用的變頻器（如未作特殊說(shuō)明，本文相關(guān)論述皆為交-直-交變頻）。VFD變頻調(diào)速技術(shù)是一種綜合性技術(shù)，包含計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)等。VFD的電路構(gòu)成主要包括主電路和控制電路[4]。

1.1 主電路

1.1.1 整流電路

整流電路是指將工頻交流電能轉(zhuǎn)化為直流電能的電路。按照組成器件和控制能力，整流電路可分為不可控整流電路、半控整流電路以及全控整流電路。其中不可控整流電路由不可控功率二極管組成，其直流整流電壓和交流電源電壓值之比固定不變；半控整流電路由可控開(kāi)關(guān)和二極管回合組成，負(fù)載電源極性不能改變，但電壓平均值可以調(diào)節(jié)；全控整流電路的整流器件為可控開(kāi)關(guān)器件，其輸出的直流電壓平均值、極性可以通過(guò)控制元件的導(dǎo)通狀況調(diào)節(jié)，功率既可以由電源向負(fù)載傳送，也可以由負(fù)載反饋給電源[5-6]。

1.1.2 中間直流濾波電路

中間直流濾波電路由兩組電容器組串聯(lián)而成，其中，電容器組由多個(gè)電器并聯(lián)組成。兩個(gè)電容器各并聯(lián)一個(gè)均壓電阻，以保證電容器的電容電壓相等。中間直流濾波電路通過(guò)限流電阻與整流電路相連，限流電阻的作用為保證輸入電流的持續(xù)性、提高變頻器的功率因數(shù)[7]。

1.1.3 逆變電路

逆變電路的功能是將直流電能轉(zhuǎn)換為電壓、頻率可調(diào)的交流電能。

1.2 控制電路

變頻器的控制電路的功能在于對(duì)逆變電路脈沖控制、變頻器運(yùn)行控制及各種保護(hù)等功能。

從變頻器的基本結(jié)構(gòu)可知，三相交流電首先通過(guò)二極管不控整流橋得到脈動(dòng)直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經(jīng)無(wú)源逆變輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電給電動(dòng)機(jī)供電[8]。

2 變頻器過(guò)壓故障案例及原因分析

2.1 案例一

某鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)采用XX品牌交-直-交電壓源型中壓變頻器。在生產(chǎn)過(guò)程中，出現(xiàn)主傳動(dòng)變頻器跳電的現(xiàn)象。變頻器第一次故障報(bào)警代碼為F5206（即直流電壓低），電氣人員在檢查高壓系統(tǒng)后未發(fā)現(xiàn)有異?，F(xiàn)象，操作員隨即恢復(fù)送電。隨后，變頻器二次跳電，故障代碼與第一次相同，其他故障代碼顯示為過(guò)流故障，主要表現(xiàn)為系統(tǒng)中出現(xiàn)大量電流波動(dòng)。經(jīng)第二次調(diào)整后，再一次出現(xiàn)類(lèi)似故障，此次故障顯示為系統(tǒng)電壓過(guò)高。綜合分析此變頻器的三次故障，在第一次故障中，直流母線(xiàn)電壓由4800V瞬間變?yōu)?V。正常情況下，直流母線(xiàn)電壓降低需要經(jīng)歷一個(gè)過(guò)程。直流母線(xiàn)電壓瞬間為0，則表示巨大的瞬時(shí)電能被直流回路消耗，觸發(fā)變頻器過(guò)壓保護(hù)，造成直流電壓低故障。在觸發(fā)過(guò)壓保護(hù)后，變頻器不允許系統(tǒng)立刻恢復(fù)送電，需給元器件一個(gè)恢復(fù)的時(shí)間，由于操作人員在元器件未完全恢復(fù)時(shí)就進(jìn)行了復(fù)位，造成第二次跳電故障。第三次故障的發(fā)生則反映了故障的源頭，即電網(wǎng)電壓偏高導(dǎo)致變頻器直流過(guò)壓跳電。因此，為了保證變頻器正常運(yùn)行，調(diào)整整流變壓器的調(diào)壓開(kāi)關(guān)，將變頻器的輸入電壓由4800V降低至3300V，變頻器過(guò)壓故障得到解決。此案例為電源輸入側(cè)過(guò)壓引起的變頻器過(guò)壓故障。

2.2 案例二

某離心機(jī)廠(chǎng)使用XX品牌變頻器，在減速調(diào)試過(guò)程中，變頻器多次進(jìn)行故障報(bào)警，報(bào)警代碼為E005，即減速過(guò)壓。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及檢查發(fā)現(xiàn)，變頻器從最高頻率工作狀態(tài)開(kāi)始減速后，到達(dá)34Hz時(shí)，制動(dòng)單元出現(xiàn)黃燈警告，并自行停止工作，而在變頻器停止工作后，離心機(jī)還在轉(zhuǎn)動(dòng)，并將轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電能反饋給變頻器的直流母線(xiàn)，導(dǎo)致變頻器直流母線(xiàn)的電壓超過(guò)其設(shè)定的最大值，觸發(fā)過(guò)壓保護(hù)，并進(jìn)行故障E005報(bào)警。此次過(guò)壓故障的主要原因在于離心機(jī)屬于大慣性負(fù)載，當(dāng)其進(jìn)行減速時(shí)，設(shè)定的減速時(shí)間為150s，制動(dòng)減速時(shí)間不足，致使離心機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速比變頻器決定的同步轉(zhuǎn)速高，離心機(jī)負(fù)載的機(jī)械能經(jīng)過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，回饋給變頻器。而變頻器的逆變電路處于整流狀態(tài)，無(wú)法消耗多余的電能，最終導(dǎo)致直流回路中的電壓上升，出現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)故障。因此，將制動(dòng)使用率改為100%，以消除此故障。該離心機(jī)變頻器過(guò)壓故障屬于由負(fù)載側(cè)過(guò)壓引發(fā)的過(guò)壓故障。

2.3 案例三

某發(fā)電企業(yè)風(fēng)機(jī)變頻器正常啟動(dòng)后，當(dāng)運(yùn)行頻率在21Hz左右時(shí)，出現(xiàn)直流過(guò)壓故障。根據(jù)測(cè)試，變頻器在帶負(fù)荷運(yùn)行的狀況下，能夠正常連續(xù)運(yùn)行5小時(shí)。當(dāng)四臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，變頻器也可以正常運(yùn)行。由此來(lái)看，變頻器過(guò)壓故障并不是由功率單元控制板損壞引起。同時(shí)，風(fēng)機(jī)變頻器所設(shè)置的降速時(shí)間為180s，變頻器不會(huì)因降速時(shí)間過(guò)短而出現(xiàn)過(guò)壓故障。當(dāng)啟動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)，變頻器出現(xiàn)故障報(bào)警，根據(jù)對(duì)輸出電壓的監(jiān)控可知，變頻器的輸出電壓有三相不平衡的狀況。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，該發(fā)電企業(yè)與附近的煤礦運(yùn)輸企業(yè)共用一個(gè)電網(wǎng)，煤礦運(yùn)輸中產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)沖擊巨大，導(dǎo)致三相不平衡，繼而引發(fā)過(guò)壓故障。因此，該發(fā)電企業(yè)切換了廠(chǎng)用電源，三相電源電壓穩(wěn)定后，變頻器故障解除。此過(guò)壓故障屬于電源輸入側(cè)過(guò)壓引發(fā)的過(guò)壓故障。

3 變頻器過(guò)壓故障處置對(duì)策

除以上案例中反映的變頻器過(guò)壓故障外，還有其他過(guò)壓故障。變頻器過(guò)壓的主要來(lái)源主要為電源輸入側(cè)過(guò)壓及負(fù)載側(cè)過(guò)壓。電源輸入側(cè)過(guò)壓的具體表現(xiàn)為雷電引發(fā)的過(guò)壓、在供電線(xiàn)路中投入或撤出補(bǔ)償電容時(shí)引發(fā)的過(guò)壓；負(fù)載側(cè)過(guò)壓的具體表現(xiàn)包括無(wú)制動(dòng)電阻及制動(dòng)單元變頻調(diào)速系統(tǒng)在停機(jī)時(shí)出現(xiàn)過(guò)壓、有制動(dòng)電阻及制動(dòng)單元的變頻調(diào)速系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)過(guò)壓、制動(dòng)或減速時(shí)間過(guò)短引發(fā)的過(guò)壓、輸出負(fù)載有離合器引發(fā)的過(guò)壓、VFD閑置時(shí)的過(guò)壓等。

每一個(gè)VFD設(shè)置有正常工作的電壓分為，通常情況下，電源輸入側(cè)引起的過(guò)壓故障較少。同時(shí)，雷電引發(fā)過(guò)壓故障概率較小，并且不可避免。此外，高輸入電壓的存在還可能與驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)、附近干擾使AC線(xiàn)路波動(dòng)、分接變壓器有關(guān)，對(duì)于這類(lèi)故障，需要在驅(qū)動(dòng)器前端加裝隔離變壓器或線(xiàn)路電抗器[9]。

VFD過(guò)壓故障主要集中于負(fù)載側(cè)過(guò)壓。對(duì)于無(wú)制動(dòng)電阻及制動(dòng)單元變頻調(diào)速系統(tǒng)在停機(jī)時(shí)出現(xiàn)過(guò)壓，主要原因?yàn)榻邓贂r(shí)間過(guò)短，可增加減速時(shí)間、加裝制動(dòng)電阻或加裝制動(dòng)單元避免此類(lèi)故障的發(fā)生；對(duì)于有制動(dòng)電阻及制動(dòng)單元的變頻調(diào)速系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)過(guò)壓，故障原因?yàn)橹苿?dòng)電流設(shè)置過(guò)大、制動(dòng)時(shí)間過(guò)短或制動(dòng)過(guò)早，因此需設(shè)置更小的制動(dòng)電流，適當(dāng)延長(zhǎng)制動(dòng)時(shí)間，或當(dāng)頻率更低時(shí)進(jìn)行制動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

VFD過(guò)壓是VFD常規(guī)使用中常見(jiàn)的故障?；赩FD過(guò)壓嚴(yán)重的危害性，其日常維護(hù)和正確使用尤為重要。通過(guò)研究變頻器的構(gòu)成以及工作原理，操作人員及電氣人員需要深入分析故障原因，并進(jìn)行相應(yīng)的故障處置對(duì)策，保證變頻器的正常運(yùn)行。