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變頻器過(guò)壓、欠壓故障的原因及處理方法

所謂變頻器的過(guò)電壓，是指由于各種原因造成變頻器的電壓超過(guò)額定電壓。變頻器的過(guò)電壓集中表現(xiàn)在直流母線(xiàn)的直流電壓上，正常情況下，變頻器的直流電壓為線(xiàn)電壓經(jīng)三相全波整流后的平均值。若以380V線(xiàn)電壓進(jìn)行計(jì)算，則平均直流電壓UD=1.35UAC=513V。當(dāng)發(fā)生過(guò)電壓時(shí)，直流母線(xiàn)的儲(chǔ)能電容將被充電，當(dāng)電壓上升至760V左右時(shí)，變頻器開(kāi)啟過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作。

1. 輸入交流電源過(guò)電壓

輸入交流電源過(guò)電壓表示變頻器的輸入電壓超過(guò)了正常范圍。它一般發(fā)生在供電系統(tǒng)負(fù)載較輕時(shí)，會(huì)使供電系統(tǒng)的電壓升高，對(duì)此采用有載調(diào)壓電力變壓器是有效的解決措施。而對(duì)由于電力系統(tǒng)故障引起的電壓升高，如電力系統(tǒng)的電壓由于諧振而升高，應(yīng)斷開(kāi)變頻器電源，檢查電力系統(tǒng)的故障，待故障排除后再閉合變頻器的電源開(kāi)關(guān)。

正常情況下，對(duì)于電源電壓為380V的變頻器，其允許誤差為-5%～+10%，經(jīng)三相橋式全波整流后中間直流的峰值為591V，個(gè)別情況下電源線(xiàn)電壓可達(dá)到450V，其峰值電壓也只有636V，因此一般不會(huì)使變頻器的過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作。電源輸入側(cè)的過(guò)電壓主要是指電源側(cè)的沖擊過(guò)電壓，如雷電引起的過(guò)電壓、補(bǔ)償電容在合閘或斷開(kāi)時(shí)形成的過(guò)電壓等，其主要特點(diǎn)是電壓變化率dudt和幅值都很大。例如，由于雷電串入變頻器的電源中，使變頻器直流側(cè)的電壓檢測(cè)器動(dòng)作而跳閘，在這種情況下，通常只需斷開(kāi)變頻器電源1min左右，再合上電源，即可復(fù)位。

2. 再生過(guò)電壓

再生過(guò)電壓主要分為三種：加速時(shí)過(guò)電壓、減速時(shí)過(guò)電壓、恒速時(shí)過(guò)電壓。由于某種原因使電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，即電動(dòng)機(jī)處于實(shí)際轉(zhuǎn)速比由變頻器頻率決定的同步轉(zhuǎn)速高的狀態(tài)時(shí)，負(fù)載的傳動(dòng)系統(tǒng)中所儲(chǔ)存的機(jī)械能經(jīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，再通過(guò)逆變器的6個(gè)續(xù)流二極管回饋到變頻器的中間直流回路中，由于此時(shí)的逆變器處于整流狀態(tài)，如果變頻器中沒(méi)采取消耗這些能量的措施，則這些能量將會(huì)導(dǎo)致中間直流回路電容器的電壓上升，當(dāng)電壓達(dá)到過(guò)電壓限值時(shí)就會(huì)使過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作。產(chǎn)生再生過(guò)電壓的原因主要有以下幾種。

[1] 當(dāng)變頻器拖動(dòng)大慣性負(fù)載時(shí)，其減速時(shí)間設(shè)置得比較小。在這種情況下，變頻器的減速停止屬于再生制動(dòng)。在停止過(guò)程中，變頻器的輸出頻率線(xiàn)性下降，負(fù)載電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并被變頻器直流側(cè)的平波電容吸收，當(dāng)這種能量足夠大時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生所謂的“泵升現(xiàn)象"，則變頻器直流側(cè)的電壓會(huì)超過(guò)直流母線(xiàn)的最大允許電壓而使過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作。對(duì)于這種故障，若工藝條件允許，可將減速時(shí)間參數(shù)設(shè)置長(zhǎng)一些或?qū)⒆冾l器的停止方式設(shè)置為自由停車(chē)，并在系統(tǒng)中按負(fù)載特性增加制動(dòng)單元，而對(duì)已設(shè)置制動(dòng)單元的系統(tǒng)可增大制動(dòng)電阻的能耗容量。

[2] 電動(dòng)機(jī)受外力影響（如風(fēng)扇、牽伸機(jī)）或由位能負(fù)載（如電梯、起重機(jī)）引起的過(guò)電壓。當(dāng)位能負(fù)載下放時(shí)下降過(guò)快，使電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速高于變頻器的給定指令轉(zhuǎn)速，即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過(guò)了同步轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率為負(fù)，轉(zhuǎn)子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向與電動(dòng)機(jī)狀態(tài)相反，其產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為阻礙旋轉(zhuǎn)方向的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此電動(dòng)機(jī)實(shí)際上處于發(fā)電狀態(tài)，負(fù)載的動(dòng)能被“再生"為電能。再生能量經(jīng)逆變器的續(xù)流二極管對(duì)變頻器的直流儲(chǔ)能電容器充電，使直流母線(xiàn)電壓上升，回饋能量超過(guò)中間直流回路及其能量處理單元的承受能力，過(guò)電壓保護(hù)將動(dòng)作。因?yàn)樵偕^(guò)電壓的過(guò)程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與原轉(zhuǎn)矩相反，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，所以再生過(guò)電壓的過(guò)程也就是再生制動(dòng)過(guò)程。如果再生能量不大，因變頻器與電動(dòng)機(jī)本身具有20%的再生制動(dòng)能力，則這部分電能將被變頻器及電動(dòng)機(jī)消耗掉。若這部分能量超過(guò)了變頻器與電動(dòng)機(jī)的消耗能力，則直流回路的電容將被過(guò)充電，變頻器的過(guò)電壓保護(hù)功能便會(huì)動(dòng)作，使運(yùn)行停止。處理這種過(guò)電壓故障時(shí)，可在系統(tǒng)中按負(fù)載特性增加制動(dòng)單元，而對(duì)已設(shè)置制動(dòng)單元的系統(tǒng)可增大制動(dòng)電阻的吸收容量。還可以修改變頻器的參數(shù)，如把變頻器的減速時(shí)間設(shè)置長(zhǎng)一些。

[3] 多個(gè)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)同一個(gè)負(fù)載時(shí)也會(huì)出現(xiàn)再生過(guò)電壓故障，這主要是由于負(fù)載匹配不佳引起的。以?xún)膳_(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)一個(gè)負(fù)載為例，當(dāng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速大于另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速高的電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于原動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速低的電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，從而會(huì)引起再生類(lèi)過(guò)電壓故障。處理此類(lèi)故障時(shí)，需要在傳動(dòng)系統(tǒng)中增加負(fù)荷分配控制裝置。還可以把處于傳動(dòng)速度鏈分支的變頻器的特性調(diào)節(jié)軟一些。

引起變頻器過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作的原因還有以下幾個(gè)。

[1] 未使用變頻器的減速過(guò)電壓自處理功能。大多數(shù)變頻器為了避免過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，專(zhuān)門(mén)設(shè)置了減速過(guò)電壓自處理功能。例如，在減速過(guò)程中，如果直流電壓超過(guò)了設(shè)定的電壓上限值，變頻器的輸出頻率將不再下降，并暫緩減速，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(shí)間設(shè)定不合適，又沒(méi)有利用減速過(guò)電壓的自處理功能，就可能出現(xiàn)過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作故障。

[2] 變頻器負(fù)載突降會(huì)使負(fù)載的轉(zhuǎn)速明顯上升，使負(fù)載電動(dòng)機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，并從負(fù)載側(cè)向變頻器的中間直流回路回饋能量。短時(shí)間內(nèi)能量的集中回饋，可能會(huì)超過(guò)中間直流回路及其能量處理單元的承受能力而引發(fā)過(guò)電壓故障。

[3] 工藝流程限定了負(fù)載的減速時(shí)間。若合理設(shè)定相關(guān)參數(shù)也不能排除這一故障，而且系統(tǒng)也沒(méi)有采取處理多余能量的措施，則必然會(huì)引發(fā)過(guò)壓跳閘故障。

[4] 變頻器在運(yùn)行長(zhǎng)時(shí)間后，中間直流回路的電容容量下降將不可避免，中間直流回路對(duì)直流電壓的調(diào)節(jié)程度也將減弱，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(guò)電壓跳閘的概率會(huì)增大，這時(shí)需要對(duì)中間直流回路的電容容量下降情況進(jìn)行檢查。

[5] 制動(dòng)電阻值過(guò)大，無(wú)法及時(shí)釋放回饋的能量而造成過(guò)電壓。降速過(guò)程中的制動(dòng)單元沒(méi)有工作或制動(dòng)單元放電太慢，即制動(dòng)電阻太大，會(huì)使變頻器內(nèi)部的過(guò)壓保護(hù)電路出現(xiàn)故障，未能泄放再生能量。

3. 過(guò)電壓的危害

[1] 變頻器的過(guò)電壓主要是指其中間直流回路的過(guò)電壓。中間直流回路的過(guò)電壓的主要危害在于造成電動(dòng)機(jī)的磁路飽和。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于電動(dòng)機(jī)，電壓過(guò)高必然使電動(dòng)機(jī)鐵芯中的磁通增加，則有可能導(dǎo)致磁路飽和，使勵(lì)磁電流過(guò)大，從而使電動(dòng)機(jī)的溫升過(guò)高。

[2] 損害電動(dòng)機(jī)的絕緣。當(dāng)中間直流回路的電壓升高后，變頻器輸出電壓的脈沖幅度過(guò)大，對(duì)電動(dòng)機(jī)的絕緣壽命會(huì)有很大的影響。

[3] 過(guò)電壓對(duì)中間直流回路的濾波電容器壽命有直接影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電容器爆裂。

因此，一般將變頻器的中間直流回路的過(guò)電壓值限定在一定的允許范圍內(nèi)，一旦其電壓超過(guò)限定值，變頻器將按限定要求跳閘保護(hù)。

4. 過(guò)電壓的防止措施

由于過(guò)電壓產(chǎn)生的原因不同，因而采取的對(duì)策也不相同。在處理過(guò)電壓時(shí)，首先要排除由于參數(shù)問(wèn)題而導(dǎo)致的故障，如減速時(shí)間過(guò)短，以及由于再生負(fù)載而導(dǎo)致的過(guò)壓等。然后檢測(cè)輸入側(cè)電壓是否有問(wèn)題，最后再檢查電壓檢測(cè)電路是否出現(xiàn)了故障。一般而言，電壓檢測(cè)電路的電壓采樣點(diǎn)都是中間直流回路的電壓。以三肯SVF303為例，它由直流回路取樣后（530V左右的直流）通過(guò)阻值較大的電阻降壓后再由光耦進(jìn)行隔離，當(dāng)電壓超過(guò)一定值時(shí)，它會(huì)顯示過(guò)壓信息，對(duì)此可以檢查其降壓電阻是否氧化變值，光耦是否有短路現(xiàn)象等。

對(duì)于在停車(chē)過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓，如果對(duì)停車(chē)時(shí)間或位置無(wú)特殊要求，則可以采用延長(zhǎng)變頻器的減速時(shí)間或自由停車(chē)的方法來(lái)解決。所謂自由停車(chē)，即指變頻器將主開(kāi)關(guān)器件斷開(kāi)，讓電動(dòng)機(jī)自由滑行停止。如果對(duì)停車(chē)時(shí)間或停車(chē)位置有一定的要求，則可以采用制動(dòng)功能。

對(duì)于過(guò)電壓故障的處理，關(guān)鍵是如何及時(shí)處理中間直流回路的多余能量，以及如何避免或減少多余能量向中間直流回路的饋送，使其過(guò)電壓的程度被限定在允許的限值之內(nèi)。應(yīng)采取的主要對(duì)策有如下幾個(gè)。

[1] 在電源輸入側(cè)增加吸收裝置，減少過(guò)電壓因素。針對(duì)電源輸入側(cè)的沖擊過(guò)電壓、雷電引起的過(guò)電壓、補(bǔ)償電容在合閘或斷開(kāi)時(shí)形成的過(guò)電壓，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。在工藝流程中，如果不限定負(fù)載的減速時(shí)間，則變頻器減速時(shí)間參數(shù)的設(shè)定值不要太小，以免負(fù)載的動(dòng)能釋放得太快。該參數(shù)的設(shè)定要以不引起中間回路過(guò)電壓為限，特別要注意負(fù)載慣性較大時(shí)該參數(shù)的設(shè)定。如果工藝流程對(duì)負(fù)載的減速時(shí)間有限制，而在限定時(shí)間內(nèi)變頻器出現(xiàn)過(guò)電壓跳閘現(xiàn)象，則需要設(shè)定變頻器的失速自整定功能或先設(shè)定變頻器在不過(guò)壓情況下可減至的頻率值。

[3] 采用增加泄放電阻的方法。一般小于7.5kW的變頻器在出廠(chǎng)時(shí)，其內(nèi)部的中間直流回路均裝有制動(dòng)單元和泄放電阻；大于7.5kW的變頻器需根據(jù)實(shí)際情況外加制動(dòng)單元和泄放電阻，以為中間直流回路多余能量的釋放提供通道。這是一種常用的泄放能量的方法。其不足之處是能耗高，可能會(huì)出現(xiàn)頻繁投切或長(zhǎng)時(shí)間投運(yùn)的現(xiàn)象，會(huì)使電阻的溫度升高、設(shè)備損壞。

[4] 采用在輸入側(cè)增加逆變電路的方法。處理變頻器中間直流回路的能量好的方法就是在輸入側(cè)增加逆變電路，以將多余的能量回饋給電網(wǎng)。但逆變橋技術(shù)要求復(fù)雜，因此在實(shí)際中其應(yīng)用受到了限制。

[5] 采用在中間直流回路上增加適當(dāng)電容的方法。中間直流回路的電容對(duì)穩(wěn)定電壓、提高回路承受過(guò)電壓的能力起著非常重要的作用。適當(dāng)增大中間直流回路的電容量或及時(shí)更換運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)且容量下降的電容是解決變頻器過(guò)電壓的有效方法。

[6] 適當(dāng)降低工頻電源電壓。目前，變頻器的電源側(cè)一般采用了不可控整流模塊，則當(dāng)電源電壓高時(shí)，中間直流回路的電壓也高，如當(dāng)電源電壓為380V、400V、450V時(shí)，中間直流回路的電壓分別為537V、565V、636V。另外，有的變頻器距離變壓器很近，變頻器的輸入電壓高達(dá)400V以上，對(duì)變頻器中間直流回路承受過(guò)電壓的能力影響很大。在這種情況下，如果條件允許可以將變壓器的分接開(kāi)關(guān)放置在低壓擋，通過(guò)適當(dāng)降低電源電壓的方式，達(dá)到相對(duì)提高變頻器過(guò)電壓能力的目的。

[7] 采用多臺(tái)變頻器共用直流母線(xiàn)的方法。至少兩臺(tái)同時(shí)運(yùn)行的變頻器共用直流母線(xiàn)可以很好解決變頻器中間直流回路過(guò)電壓的問(wèn)題，這是因?yàn)槿魏我慌_(tái)變頻器從直流母線(xiàn)上取用的電流一般均大于同時(shí)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(xiàn)的電壓了。

[8] 通過(guò)控制系統(tǒng)的優(yōu)化功能解決變頻器的過(guò)電壓?jiǎn)栴}。在很多工藝流程中，變頻器的減速和負(fù)載的突降是由控制系統(tǒng)控制的，因此可以利用控制系統(tǒng)的一些功能，在變頻器減速和負(fù)載突降前進(jìn)行控制，以避免過(guò)多的能量饋入變頻器的中間直流回路，如對(duì)于規(guī)律性減速過(guò)電壓故障，可將變頻器輸入側(cè)的不可控整流模塊換成半可控或全控整流模塊，在減速前將中間直流電壓控制在允許的較低值，相對(duì)加大中間直流回路承受饋入能量的能力，從而避免產(chǎn)生過(guò)電壓故障。而對(duì)于規(guī)律性負(fù)載突降的過(guò)電壓故障，可利用控制系統(tǒng)的控制功能，在負(fù)載突降前對(duì)變頻器的頻率進(jìn)行適當(dāng)提升，避免負(fù)載側(cè)過(guò)多的能量饋入中間直流回路，從而減少由其引起的過(guò)電壓故障。

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