變頻器過壓故障分析及對策

聶夢麒，劉 麗

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000）

0 引 言

冷軋在冶金領(lǐng)域中處于至關(guān)重要的地位。在冷軋生產(chǎn)線中，設(shè)備驅(qū)動大多采用變頻調(diào)速形式的交流調(diào)速電機(jī)。由于冷軋生產(chǎn)線對設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和連續(xù)性要求極高，一旦變頻器出現(xiàn)故障，將會造成整條生產(chǎn)線停車，從而產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在冷軋設(shè)備中處于重要地位，變頻器故障的快速排除及預(yù)防對策是冷軋設(shè)備管理工作中的一項重要內(nèi)容。

1 變頻器工作原理及過壓故障分析

1.1 變頻器的工作原理

變頻器主電路通常包括三相橋式整流模塊、直流回路及逆變器模塊三部分，其電路原理如圖1所示[1]。

變頻器過壓保護(hù)是指變頻器工作時，電路中間直流回路電壓峰值超出最高設(shè)定值，為確保變頻器元器件的穩(wěn)定性及使用安全而采取的停機(jī)保護(hù)措施，此時面板上顯示“OU”。當(dāng)變頻器中間直流回路電壓過高時，會使電機(jī)磁路處于飽和狀態(tài)，勵磁電流增大，進(jìn)而造成電機(jī)過熱，并且過高的電壓脈沖幅度還會損害電機(jī)的絕緣，從而直接影響電機(jī)的使用壽命。因此，變頻器過壓保護(hù)是確保變頻器及電機(jī)長時間安全運(yùn)行的重要保護(hù)機(jī)制。

通常，電路中間直流回路的電壓為三相電壓整流濾波后的平均值，當(dāng)取380 V時，直流回路電壓Ud=380×1.414=537 V[2]。電壓升高時，直流回路中主電容兩端的電壓隨之升高，兩端電壓繼續(xù)增加并超過主電容額定電壓時，便會觸發(fā)變頻器過壓保護(hù)[2]。

圖1 變頻器主電路原理圖

1.2 變頻器過電壓原因分析

變頻器發(fā)生過電壓最常見的原因是負(fù)載端故障。此類過電壓故障是由于電機(jī)因某種原因產(chǎn)生了再發(fā)電，即電機(jī)的瞬間實(shí)際轉(zhuǎn)速超過了變頻器的輸出轉(zhuǎn)速，使得被驅(qū)動負(fù)載所攜帶的動能通過電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)化為電能，電壓通過逆變模塊中的續(xù)流二極管（D1～D6）傳至直流母線端，主電容C進(jìn)行充電，加上再生電壓無法通過三相橋式整流模塊，從而造成直流母線端的電壓升高。當(dāng)直流母線端電壓超過檢測值時，便會引發(fā)變頻器過壓保護(hù)。

因負(fù)載端引起的變頻器過電壓保護(hù)有如下幾種情況。

（1）未開啟減速過壓自處理功能，且減速時間設(shè)定過短。變頻器通常均設(shè)置有減速過壓自處理功能。當(dāng)系統(tǒng)減速后產(chǎn)生再生發(fā)電時，變頻器的輸出轉(zhuǎn)速會自動停止下降，直至電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速逐漸下降并接近輸出轉(zhuǎn)速時，直流母線端電壓降低，變頻器的輸出轉(zhuǎn)速才會繼續(xù)降低。若該功能未被投入使用，且變頻器的減速設(shè)定時間較短，對于慣性較大的負(fù)載減速，變頻器輸出轉(zhuǎn)速下降較快，而電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速下降緩慢，此時變頻器輸出轉(zhuǎn)速低于電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)則會產(chǎn)生再生發(fā)電，易造成直流母線端電壓過高而觸發(fā)過壓保護(hù)。

（2）電機(jī)的位能負(fù)載下降過快。此時系統(tǒng)中會生成較多回饋能量，當(dāng)回饋能量超過變頻器的能量處理能力時，便會觸發(fā)過壓保護(hù)。

（3）電機(jī)負(fù)載突然降低。當(dāng)負(fù)載因某種原因突然降低時，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速迅速升高并超過變頻器的輸出轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)產(chǎn)生再生發(fā)電，直流母線端電壓瞬間升高，觸發(fā)過壓保護(hù)。

（4）同一負(fù)載由多個電機(jī)驅(qū)動，負(fù)荷分布不均。由于電機(jī)間的負(fù)荷不同，電機(jī)轉(zhuǎn)速必然存在差異，此時轉(zhuǎn)速較慢的電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，從而觸發(fā)過壓保護(hù)。

引起變頻器過電壓保護(hù)的其他原因具體如下。

（1）輸入端電流電壓升高，導(dǎo)致中間直流回路電壓升高，造成變頻器過電壓。

（2）諧波干擾。除變頻器工作環(huán)境中的諧波干擾外，變頻器自身也會產(chǎn)生較強(qiáng)的高次諧波。當(dāng)受到干擾產(chǎn)生的諧波電壓高于中間直流回路電壓時，便會引發(fā)過電壓故障。

（3）變頻器直流回路中電容C的容量降低。若變頻器使用時間較長，電機(jī)存在回饋發(fā)電現(xiàn)象，直流回路中電容C的容量不可避免會降低，回路對直流電壓的調(diào)節(jié)能力隨之下降，相同工作環(huán)境下更容易觸發(fā)過壓保護(hù)。

（4）當(dāng)斷開或閉合電閘、遭遇雷擊時，在補(bǔ)償電容端產(chǎn)生的瞬間沖擊電壓也會引發(fā)變頻器過電壓保護(hù)。

以最常見的380 V電源為例，電壓允許偏差為±5%。通過三相橋式整流模塊后，中間直流母線端的電壓最大值為591 V，即使電源電壓因異常升至450 V，中間直流母線端電壓僅為636 V，遠(yuǎn)低于變頻器默認(rèn)過壓保護(hù)電壓（800 V）。因此，變頻器通常情況下不會因電源電壓波動而發(fā)生過電壓故障。只有在特有的極少情況下，如雷擊使電源側(cè)產(chǎn)生過高的沖擊電壓而引發(fā)過電壓。

變頻器再生發(fā)電是因變頻器輸出減速時間相對于負(fù)載減速時間過小且通常未投入再生發(fā)電自處理功能所致[3]。變頻器頻率調(diào)整方式包括手動設(shè)定和自動設(shè)定兩種。手動時，變頻器輸入為4～20 mA固定的電流信號，其運(yùn)行頻率為固定值。自動時，外部壓力、溫度等參數(shù)設(shè)定好后，變頻器頻率會隨這些參數(shù)的變化而自行調(diào)節(jié)；當(dāng)其中的某一參數(shù)發(fā)生較大波動時，變頻器頻率隨之產(chǎn)生較大變化，加減速也就更加頻繁，因此更容易因電機(jī)的再生發(fā)電引發(fā)變頻器過壓故障。

2 變頻器過電壓故障的處理方法

首先應(yīng)根據(jù)變頻器過電壓故障的特點(diǎn)來判斷其類型和故障部位，從而快速鎖定故障原因，采取有效的處理措施。若過電壓故障為偶然發(fā)生，則多因電機(jī)負(fù)載空降、電機(jī)堵轉(zhuǎn)、保護(hù)電路損壞及外部控制線路斷路等造成；若同部位過電壓故障經(jīng)常發(fā)生，則多是由于工藝參數(shù)設(shè)定不合理、變頻器輸出減速給定時間較短造成。重新啟動變頻器，如果故障得到排除，則通常為系統(tǒng)軟故障，若故障未能消除，則多是因變頻器硬件電路問題所致。

2.1 觀察并重新設(shè)定變頻器內(nèi)部參數(shù)

發(fā)生變頻器過電壓故障后，首先要觀察變頻器參數(shù)設(shè)定，可從兩方面入手：檢查變頻器是否開啟了過電壓自處理功能；檢查變頻器減速時間設(shè)定是否合理。更改變頻器減速時間時，要考慮工藝流程對負(fù)載減速時間的硬性要求，無此要求的，可通過適當(dāng)增加減速時間來排除變頻器過電壓故障[4]。同時，需注意，增加減速時間時應(yīng)保證減速的線性特性，修改跨度不宜過大，做到負(fù)載動能的緩慢釋放。

2.2 工藝參數(shù)分析，解決負(fù)載突變

由電機(jī)負(fù)載突變引起的變頻器過電壓故障首選該方法。分析工藝參數(shù)，找出引起負(fù)載突變的原因，然后通過調(diào)整工藝流程或參數(shù)來避免負(fù)載發(fā)生突變。若在工藝流程中負(fù)載突變無法避免，則可以找出負(fù)載突變的規(guī)律，通過調(diào)整控制系統(tǒng)，在發(fā)生負(fù)載突變前，相應(yīng)改變變頻器輸出頻率，使其與負(fù)載突變保持一致，從而減少輸出端產(chǎn)生的再生電壓回饋至中間直流母線端，從而排除過電壓故障。

2.3 適當(dāng)提高中間直流回路電容的容量

電容是中間直流回路中的關(guān)鍵元件，起著提高直流回路承壓能力和穩(wěn)定電壓的作用。適當(dāng)提高中間直流回路電容的容量能有效消除過壓保護(hù)故障。變頻器長期使用造成電容容量降低時，應(yīng)及時更換電容。

2.4 采用制動電阻

對于功率低于7.5 kW的變頻器，其內(nèi)部均設(shè)置有制動電阻，當(dāng)中間直流母線電壓超過一定值時，制動電阻會被串入回路并消耗回路中的再生能量。對于高功率變頻器則需要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工況來設(shè)置制動電阻及其控制單元。

2.5 并聯(lián)直流母線

同一負(fù)載由多臺電機(jī)驅(qū)動時可采取該方法。每臺電機(jī)配備一臺逆變器，并將其并聯(lián)接入公共直流母線。工作時，處于制動狀態(tài)的電機(jī)所產(chǎn)生的大部分再生電壓經(jīng)直流母線被其他電機(jī)吸收，剩余的再生能量則通過制動電阻消耗殆盡。

3 變頻器的日常維護(hù)方法

3.1 變頻器的工作環(huán)境要求

變頻器對環(huán)境溫度的要求通常為-5～40 ℃。文獻(xiàn)表明，變頻器的故障率與環(huán)境溫度有直接關(guān)系，并隨環(huán)境溫度的升高而增加，因此夏季變頻器故障率通常要高于冬季[5]。環(huán)境溫度過高時，變頻器模塊不能及時散熱，從而更易導(dǎo)致模塊燒毀。環(huán)境清潔度也是影響變頻器運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命的關(guān)鍵因素。因此，對變頻器進(jìn)行日常維護(hù)時，要嚴(yán)格控制變頻器的環(huán)境溫度，保持良好的通風(fēng)，炎熱時可采取空調(diào)制冷措施。保持清潔的環(huán)境，避免嚴(yán)重的粉塵污染，并定期對變頻器內(nèi)部的灰塵進(jìn)行清掃。確保變頻器工作環(huán)境干燥，特別是多雨、潮濕的季節(jié)，應(yīng)有可靠的防雨措施，同時避免因空氣溫差在變頻器柜內(nèi)形成結(jié)露。

3.2 變頻器日常巡視維護(hù)方法

（1）定期巡視并記錄人機(jī)界面上的各參數(shù)，有異常時及時排查；（2）定期清掃變頻室，并保持干凈整潔，降低粉塵污染；（3）控制和記錄變頻器室環(huán)境溫度，并保持在-5～40 ℃，移相變壓器溫升不得大于130 ℃；（4）定期清掃變頻器柜門過濾網(wǎng)，確保濾網(wǎng)保持良好的通風(fēng)；（5）多雨、潮濕季節(jié)，有良好的防雨、防潮措施；（6）定期檢查變頻室內(nèi)的通風(fēng)、制冷設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，如通風(fēng)扇、空調(diào)等，檢查照明設(shè)施工作是否良好。

4 結(jié) 論

本文簡要說明了變頻器的控制原理，分析了變頻器過壓故障的主要原因，并指出了變頻器過電壓故障的判斷及處理方法，以期為相關(guān)人員提供參考。