變頻器過電壓故障原因分析及對(duì)策
變頻器過電壓故障原因分析及對(duì)策
變頻器過電壓故障原因分析及對(duì)策
變頻器過電壓故障保護(hù)是變頻器中間直流電壓達(dá)到危險(xiǎn)程度后采取的保護(hù)措施，這是變頻器設(shè)計(jì)上的一大缺陷，在變頻器實(shí)際運(yùn)行中引起此故障的原因較多，可以采取的措施也較多，在處理此類故障時(shí)要分析清楚故障原因，有針對(duì)性的采取相應(yīng)的措施去處理。
2 變頻器過電壓的危害
變頻器過電壓主要是指其中間直流回路過電壓，中間直流回路過電壓主要危害在于:
(1) 引起電動(dòng)機(jī)磁路飽和。對(duì)于電動(dòng)機(jī)來說，電壓主過高必然使電機(jī)鐵芯磁通增加，可能導(dǎo)致磁路飽和，勵(lì)磁電流過大，從面引起電機(jī)溫升過高;
(2) 損害電動(dòng)機(jī)絕緣。中間直流回路電壓升高后，變頻器輸出電壓的脈沖幅度過大，對(duì)電機(jī)絕緣壽命有很大的影響;
(3) 對(duì)中間直流回路濾波電容器壽命有直接影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電容器爆裂。因而變頻器廠家一般將中間直流回路過電壓值限定在DC800V左右，一旦其電壓超過限定值，變頻器將按限定要求跳閘保護(hù)。
3 產(chǎn)生變頻器過電壓的原因
3.1 過電壓的原因
一般能引起中間直流回路過電壓的原因主要來自以下兩個(gè)方面:
(1) 來自電源輸入側(cè)的過電壓
常情況下的電源電壓為380V，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)別情況下電源線電壓達(dá)到450V，其峰值電壓也只有636V，并不算很高，一般電源電壓不會(huì)使變頻器因過電壓跳閘。電源輸入側(cè)的過電壓主要是指電源側(cè)的沖擊過電壓，如雷電引起的過電壓、補(bǔ)償電容在合閘或斷開時(shí)形成的過電壓等，主要特點(diǎn)是電壓變化率dv/dt和幅值都很大。
(2) 來自負(fù)載側(cè)的過電壓
主要是指由于某種原因使電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，即電機(jī)處于實(shí)際轉(zhuǎn)速比變頻頻率決定的同步轉(zhuǎn)速高的狀態(tài)，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，通過逆變器的6個(gè)續(xù)流二極管回饋到變頻器的中間直流回路中。此時(shí)的逆變器處于整流狀態(tài)，如果變頻器中沒采取消耗這些能量的措施，這些能量將會(huì)導(dǎo)致中間直流回路的電容器的電壓上升。達(dá)到限值即行跳閘。
3.2 從變頻器負(fù)載側(cè)可能引起過電壓的情況及主要原因
從變頻器負(fù)載側(cè)可能引起過電壓的情況及主要原因如下:
(1) 變頻器減速時(shí)間參數(shù)設(shè)定相對(duì)較小及未使用變頻器減速過電壓自處理功能。
當(dāng)變頻器拖動(dòng)大慣性負(fù)載時(shí)，其減速時(shí)間設(shè)定的比較小，在減速過程中，變頻器輸出頻率下降的速度比較快，而負(fù)載慣性比較大，靠本身阻力減速比較慢，使負(fù)載拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比變頻器輸出的頻率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速還要高，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，而變頻器沒有能量處理單元或其作用有限，因而導(dǎo)致變頻器中間直流回路電壓升高，超出保護(hù)值，就會(huì)出現(xiàn)過電壓跳閘故障。
大多數(shù)變頻器為了避免跳閘，專門設(shè)置了減速過電壓的自處理功能，如果在減速過程中，直流電壓超過了設(shè)定的電壓上限值，變頻器的輸出頻率將不再下降，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，又沒有利用減速過電壓的自處理功能，就可能出現(xiàn)此類故障。
(2) 工藝要求在限定時(shí)間內(nèi)減速至規(guī)定頻率或停止運(yùn)行
工藝流程限定了負(fù)載的減速時(shí)間，合理設(shè)定相關(guān)參數(shù)也不能減緩這一故障，系統(tǒng)也沒有采取處理多余能量的措施，必然會(huì)引發(fā)過壓跳閘故障。
(3) 當(dāng)電動(dòng)機(jī)所傳動(dòng)的位能負(fù)載下放時(shí)，電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)
位能負(fù)載下降過快，過多回饋能量超過中間直流回路及其能量處理單元的承受能力，過電壓故障也會(huì)發(fā)生。
(4) 變頻器負(fù)載突降
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)載電機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，從負(fù)載側(cè)向變頻器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)中間直流回路及其能量處理單元的承受能力引發(fā)過電壓故障。
(5) 多個(gè)電機(jī)拖動(dòng)同一個(gè)負(fù)載時(shí)，也可能出現(xiàn)這一故障，主要由于沒有負(fù)荷分配引起的。以兩臺(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)，則轉(zhuǎn)速高的電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于原動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速低的處于發(fā)電狀態(tài)，引起了過電壓故障。處理時(shí)需加負(fù)荷分配控制�？梢园炎冾l器輸出特性曲線調(diào)節(jié)的軟一些
(6) 變頻器中間直流回路電容容量下降
變頻器在運(yùn)行多年后，中間直流回路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)生變頻器過電壓跳閘幾率會(huì)增大，這時(shí)需要對(duì)中間直流回路電容器容量下降情況進(jìn)行檢查。
4 過電壓故障處理對(duì)策
對(duì)于過電壓故障的處理，關(guān)鍵一是中間直流回路多余能量如何及時(shí)處理;二是如何避免或減少多余能量向中間直流回路饋送，使其過電壓的程度限定在允許的限值之內(nèi)。下面是主要的對(duì)策:
(1) 在電源輸入側(cè)增加吸收裝置，減少過電壓因素
對(duì)于電源輸入側(cè)有沖擊過電壓、雷電引起的過電壓、補(bǔ)償電容在合閘或斷開時(shí)形成的過電壓可能發(fā)生的情況下，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
在變頻器可設(shè)定的參數(shù)中主要有兩點(diǎn):
l 減速時(shí)間參數(shù)和變頻器減速過電壓自處理功能。在工藝流程中如不限定負(fù)載減速時(shí)間時(shí)，變頻器減速時(shí)間參數(shù)的設(shè)定不要太短，而使得負(fù)載動(dòng)能釋放的太快，該參數(shù)的設(shè)定要以不引起中間回路過電壓為限，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)載減速時(shí)間有限制，而在限定時(shí)間內(nèi)變頻器出現(xiàn)過電壓跳閘現(xiàn)象，就要設(shè)定變頻器失速自整定功能或先設(shè)定變頻器不過壓情況下可減至的頻率值，暫緩后減速至零，減緩頻率減少的速度。
l 是中間直流回路過電壓倍數(shù)。
(3) 分析工藝流程，在工藝流程中尋找解決辦法
如氫氧化鋁撈取浮游物項(xiàng)目袋濾機(jī)系統(tǒng)，有8臺(tái)50kW進(jìn)料泵、4臺(tái)30kW回流泵采用富士變頻器調(diào)速，在袋濾機(jī)工作流程中每隔20～30min需要將吸附在濾布上的濾餅除去，除去濾餅的方法是使濾布的出料側(cè)壓力高于進(jìn)料側(cè)壓力，形成較高的壓差使料漿倒流來實(shí)現(xiàn)的。在蓄能階段，進(jìn)料泵閉環(huán)于流量參數(shù)，為了保持恒定流量，變頻器的頻率一直在提升，到了回流階段，進(jìn)料閥門突然關(guān)閉，進(jìn)料泵變頻器負(fù)載突降，電機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，引發(fā)過電壓故障。我們分析在蓄能階段后期只要在袋濾機(jī)內(nèi)形成滿足去除濾餅所要求的壓力即可，沒有必要形成過高的壓力，而使變頻器運(yùn)行于過高的頻率段，對(duì)于此故障可以在蓄能階段引入袋濾機(jī)內(nèi)部壓力值，達(dá)到所需壓力即停止頻率的上升。或可以在蓄能的整個(gè)階段停止頻率的上升，這樣就可以大幅減少回流階段負(fù)載側(cè)能量向中間直流回路的回饋。這一點(diǎn)在DCS集散控制系統(tǒng)中是可以辦到的。
如袋濾機(jī)系統(tǒng)中回流泵因2～3臺(tái)袋濾機(jī)對(duì)濾布反沖洗時(shí)，循環(huán)卸料，時(shí)間短,流量大，料漿中混有空氣，引起回流泵打空轉(zhuǎn)，負(fù)載突減，使電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)工況，導(dǎo)致變頻器中間直流回路過電壓，變頻器保護(hù)跳閘，對(duì)于這一故障，可以從工藝方面入手，在每臺(tái)袋濾機(jī)的回流出口至回流槽處加緩沖槽，改變回流流量突變狀況，減小流量變化對(duì)變頻器的影響，解決過電壓?jiǎn)栴}。
(4) 采用增加泄放電阻的方法
一般小于7.5kW的變頻器在出廠時(shí)內(nèi)部中間直流回路均裝有控制單元和泄放電阻，大于7.5kW的變頻器需根據(jù)實(shí)際情況外加控制單元和泄放電阻，為中間直流回路多余能量釋放提供通道，是一種常用的泄放能量的方法。其不足之處是能耗高，可能出現(xiàn)頻繁投切或長(zhǎng)時(shí)間投運(yùn)，致使電阻溫度升高、設(shè)備損壞。
(5) 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能量最好的方法就是在輸入側(cè)增加逆變電路，可以將多余的能量回饋給電網(wǎng)。但逆變橋價(jià)格昂貴，技術(shù)要求復(fù)雜，不是較經(jīng)濟(jì)的方法。這樣在實(shí)際中就限制了它的應(yīng)用，只有在較高級(jí)的場(chǎng)合才使用。
(6) 采用在中間直流回路上增加適當(dāng)電容的方法
中間直流回路電容對(duì)其電壓穩(wěn)定、提高回路承受過電壓的能力起著非常重要的作用。適當(dāng)增大回路的電容量或及時(shí)更換運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)且容量下降的電容器是解決變頻器過電壓的有效方法。這里還包括在設(shè)計(jì)階段選用較大容量的變頻器的方法，是以增大變頻器容量的方法來換取過電壓能力的提高。
(7) 在條件允許的情況下適當(dāng)降低工頻電源電壓
目前變頻器電源側(cè)一般采用不可控整流橋，電源電壓高，中間直流回路電壓也高，電源電壓為380V、400V、450V時(shí)，直流回路電壓分別為537V、565V、636V。有的變頻器距離變壓器很近，變頻器輸入電壓高達(dá)400V以上，對(duì)變頻器中間直流回路承受過電壓能力影響很大，在這種情況下，如果條件允許可以將變壓器的分接開關(guān)放置在低壓檔，通過適當(dāng)降低電源電壓的方式，達(dá)到相對(duì)提高變頻器過電壓能力的目的。
(8) 多臺(tái)變頻器共用直流母線的方法
至少兩臺(tái)同時(shí)運(yùn)行的變頻器共用直流母線可以很好的解決變頻器中間直流回路過電壓?jiǎn)栴}，因?yàn)槿魏我慌_(tái)變頻器從直流母線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的電壓。使用共用直流母線存在的最大的問題應(yīng)是共用直流母線保護(hù)上的問題，在利用共用直流母線解決過電壓的問題時(shí)應(yīng)注意這一點(diǎn)。
(9) 通過控制系統(tǒng)功能優(yōu)勢(shì)解決變頻器過電壓?jiǎn)栴}
在很多工藝流程中，變頻器的減速和負(fù)載的突降是受控制系統(tǒng)支配的，可以利用控制系統(tǒng)的一些功能，在變頻器的減速和負(fù)載的突降前進(jìn)行控制，減少過多的能量饋入變頻器中間直流回路。如對(duì)于規(guī)律性減速過電壓故障，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，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，避免產(chǎn)生過電壓故障。而對(duì)于規(guī)律性負(fù)載突降過電壓故障，可利用控制系統(tǒng)如FOXBORO的DCS集散系統(tǒng)的控制功能，在負(fù)載突降前，將變頻器的頻率作適當(dāng)提升，減少負(fù)載側(cè)過多的能量饋入中間直流回路，以減少其引起的過電壓故障。
5 結(jié)束語
變頻器中間直流過電壓故障是變頻器的一個(gè)弱點(diǎn)，關(guān)鍵是要分清原因，結(jié)合變頻器本身參數(shù)、控制系統(tǒng)狀況和工藝流程等情況，才能制定相應(yīng)的對(duì)策，只要認(rèn)真對(duì)待，該過電壓故障是不難解決的。
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