变频器过电压故障分析及处理与防护研究

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　　摘 要：变频器是电力系统中重要的电子设备，其运行状态直接影响到电力工业设备的正常使用，并进而影响到整个工业系统的稳定运行。尽管现有的变频器自带过流、过压、过载保护等功能，但由于受到环境，使用年限以及使用不当，操作有误，维护不及时等因素的影响，仍会发生故障或停运状况。目前，变频器在工业生产使用过程中，过电压、过电流、过载、过热等故障问题依然存在，这些故障给工业的稳定、快速发展带来了一定阻滞作用。过压问题容易引起电动机磁路饱和，从而导致电动机温度过高；降低电动机绝缘性能，从而导致使用寿命缩短；过压还会引起电容器超负荷破坏。文章针对变频器过压问题，通过研究变频器的工作原理来对过压故障产生的内外机理进行分析，并提出相应的故障处理与防护，保障港口装卸机械的正常稳定运行。
　　关键词：变频器；过压；故障分析；故障处理
　　中图分类号：TM921 文献标志码：A 文章编号：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
　　随着电力、电子技术发展的日趋成熟，变频器不仅调速平滑，运行平稳，调节范围大，启动电流小，工作效率高，而且节能效果显著，因此，变频调速技术被广泛应用于工业自动化领域，大大推动了我国工业的飞速发展。其运行状态直接影响到电力工业设备的正常使用，进而影响到整个工业系统的稳定运行。尽管现有的变频器自带过流、过压、过载保护等功能，但由于受到环境，使用年限以及使用不当，操作有误，维护不及时等因素的影响，仍会引发故障或停运状况，给工业快速发展带来一定阻滞作用。
　　2 变频器的工作原理
　　变频器是变频技术与微电子技术的完美结合。电力系统中，变频器是通过电力半导体器件的通断作用改变输入电源的频率以获取电满足电力所需要的输出电源。为了适应工业生产的需要，人们利用变频器改变输入的工业电源的频率来改变电机的输入电源， 实现电机的软启动，变频调速，调节功率因数，提高运转精度，以此达到调节电机的目的。电力工业系统中常用的变频器有交-交变频及交-直-交变频，而交-直-交变频较为常用[1]。交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术。其电路主要包括主电路、控制电路、保护电路及操作显示电路，其技术主要分成主回路和控制系统两大部分，通常分为四个主体部分：整流器、高容量储能电容、逆变器和控制器[2]。整流器的作用是将固定工作频率的三相交流电转化为直流电，主要有晶体二极管构成不可控全波整流桥或晶闸管构成的可控全波整流桥的低压整流电路。直流部分主要用作滤波、储能、均压以及吸收多余能量，因為输出的直流电源为脉冲的直流电压，必须经过滤波。直流部分元件要防止用作吸收直-交环节的过流及过压的不利能量的滤波和电解的高容量储能电容不被烧坏。逆变环节又称为负载侧变流部分，主要用作直流到交流的转换环节，逆变器的工作原理是先通过大功率晶体管阵列构成电子开关获取不同频率、宽度、幅度的方波直流电源，然后通过电子元件构成逆变回路获取频率和电压都可调的交流电源。控制单元主要包括检测单元、微处理单元、保护电路等，控制器的作用是通过设定好程序控制输出方波的宽度和幅度，获取近似正弦的交流电源，用以驱动交流电动机。而所谓的控制器就包括检测单元、微处理单元保护电路等，其作用主要是处理信息的收集、变换和传输[1，3]。 　　3 过电压故障分析
　　变频器的过压主要来自电源输入侧的过电压和负载侧的过电压两个方面，主要发生在直流母线上，变频器过电压故障具体表现形式主要有输入电源引起的过电压、雷电导致的过电压、减速或制动的时间过短引起的过电压等。过电压故障主要发生在中间回路，与制动有较大关系[1，4，5]，一般發生在制动过程。过电压问题来源有：（1）来自电源输入侧的过电压。变频器有一个正常工作的电压适应范围，因此，通常情况下电源输入侧不易发生过压。但在电源输入侧有雷电以及大的电磁干扰时，会产生强大的电压冲击，此时也会导致过电压。雷电情况不可避免，但其发生概率相对较小。（2）来自负载侧的过电压。过电压问题主要发生在逆变阶段，即负载侧过压故障。逆变环节的过电压主要是指由于受到环境，使用年限以及使用不当，操作有误，维护不及时等因素导致电动机出现再生发电现象，而这部分电能将通过逆变器的续流二极管单元回馈到直流回路。当工作中的逆变器处于整流状态时，如果变频器中没有采取能耗措施，这些电能将给直流回路中的电容器元件充电，同时由于电容的放电会使直流母线电压上升，当充电电压上升达到限值就会因保护电路的自我保护功能自动跳闸，严重的会引起电容损坏。
　　负载侧的过电压原因主要是当电机在制动或减速时，因变频器设置的减速时间参数过小，或者因为工艺要求的限制必须在限定的时间内减速至规定频率或停止运行时，变频器的输出频率减小的速度较快，而工作负载由于自身惯性难以根据输出频率作出相对应的调速反应，此时电机转子转速将超过变频器同步转速，转子切割旋转磁场，也就是电机发电。这部分电能将通过逆变回路直流回路中的储能电容器元件充电，进而会使直流母线电压上升，即再生过电压。这些再生电能的部分电能会因变频器与电机自身的耗能能力被变频器及电机消耗出去。剩余的部分再生能量会通过直流回路给储能电容充电，当充电电压上升达到限值就会因保护电路的自我保护功能自动跳闸，严重的会引起电容损坏。
　　4 过电压故障处理与防护[1，4-7]
　　对来自电源输入侧引起的过电压，正常情况下变频器有一个正常工作的电压范围，因此通常情况下电源输入侧不会引起过压。雷电产生会产生强大的电压冲击引起过电压。雷电产生的情况不可避免，但其发生概率相对较小。因此，变频器在使用过程中产生的过电压主要是考虑由负载侧引起的再生过电压。综上所述，过电压故障的防护处理总体上就是在确保电源电压在变频器的正常运转电压范围内，进行定期检修，同时检查变频器频器的减速时间是否设置正确，若发现设置过短，应根据反复调试适当延长减速时间。防治的处理措施就是要将过多的再生电能耗散掉，常用的有如下方法：（1）耗能装置。a.在电源输入侧加设耗能装置，消耗对电路系统不利的过电压。对于电源输入侧，如果有雷电引起的过电压、冲击过电压，有补偿电容的电路在开关启、闭时产生的过电压现象，可以在电源输入侧并联耗能装置或串联电阻抗元件，以此抑制过电压的发生。b.增加泄放电阻。变频器内部直流回路一般都装有控制单元和泄放电阻，释放中间直流回路上的多余电能。c.在直流回路上给原有电容并联储能电容。电容可以通过充放电达到稳定电压的目的，以此提高回路承受过电压的能力。同时，适度加大回路的电容并更换容量耗损明显的电容器。d.在变频器的直流回路中并联制动电阻，并定期检查直流母线上的电压，并根据实际需要设置合理的阈值来控制功率管的通、断。功率管的工作原理是当直流母线上的电压上升到设定的阈值时，功率管就会接通，并将再生能量释放到制动电阻上，制动电阻放热将不利的过电压耗散掉，以此达到避免直流电压增大。同时，因为能量在制动电阻上耗散，因此不会导致电机严重发热。具体应用有：西门子S120系列变频器在BLM型整流单元上加设并联制动电阻。（2）能量回馈。能量回馈的工作原理是针对电源输入侧变流器可逆的整流单元，可以将再生发电产生电压通过电源输入侧线路回馈给电路系统，从而利用再生电能。可利用控制单元的控制功能，避免规律性负载突降导致的过压问题。在负载突降前，适当增大频率，减少负载侧过多的能量流入直流回路，以防止过电压故障发生。如西门子S120系列SLM模块，当制动导致直流母线电压升高时，SLM模块将多余的能量自动回馈给电源输入侧，从而保证直流母线上电压相对稳定。对于规律性减速引起的过电压故障，可将变频器输入侧的不可控整流桥换成半可控或全控整流桥。减速前，在保证直流电压控制在允许范围内的前提下，相对提高直流回路承受馈入能量的能力，从而避免过电压问题。（3）激活直流母线控制器。针对直流侧过电压的问题，变频器控制单元能通过内部PID算法，系统自行调设频率。具体应用如S120变频器将参数P1200设置为1，以此激活母线上电压的控制器。
　　总体防治原则就是在条件允许的情况下适当降低工频电源电压。对没有特定工艺限制的负载减速，要合理设置变频器减速时间参数，不宜设置过短。时间参数的设定要根据工程经验，以不引起回路过电压为基准，尤其要考虑负载惯性的影响。对工艺要求有特殊限制的负载减速问题，尽可能避免因时间设置不合理，变频器因自我保护功能出现自动跳闸。
　　5 结束语
　　变频器是电力系统中重要的电子设备，其运行状态直接影响到电力工业设备的正常使用，并进而影响到整个工业系统的稳定运行。但如果使用不当，操作有误，维护不及时，就会缩短变频器的使用寿命，甚至发生故障或停运状况。因此，日常维护与检修工作至关重要。通过研究变频器的工作原理来分析过电压故障产生的内外机理，给出相应的故障处理与防护，对保障港口装卸机械的正常稳定运行以及其他行业具有重要意义。
　　参考文献：
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