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變頻器過(guò)電壓故障原因分析及對(duì)策

變頻器過(guò)電壓故障原因分析及對(duì)策
變頻器過(guò)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(lèi)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(guò)電壓的危害
變頻器過(guò)電壓主要是指其中間直流回路過(guò)電壓，中間直流回路過(guò)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(lái)說(shuō)，電壓主過(guò)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(guò)大，從面引起電機(jī)溫升過(guò)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(guò)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(guò)電壓值限定在DC800V左右，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)。
3   產(chǎn)生變頻器過(guò)電壓的原因
3.1 過(guò)電壓的原因 
 一般能引起中間直流回路過(guò)電壓的原因主要來(lái)自以下兩個(gè)方面:
(1) 來(lái)自電源輸入側(cè)的過(guò)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(guò)電壓跳閘。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，主要特點(diǎn)是電壓變化率dv/dt和幅值都很大。
(2) 來(lái)自負(fù)載側(cè)的過(guò)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(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。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，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(guò)電壓的情況及主要原因
從變頻器負(fù)載側(cè)可能引起過(guò)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(guò)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(guò)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(méi)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(guò)電壓跳閘故障。
大多數(shù)變頻器為了避免跳閘，專(zhuān)門(mén)設(shè)置了減速過(guò)電壓的自處理功能，如果在減速過(guò)程中，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，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)此類(lèi)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(méi)有采取處理多余能量的措施，必然會(huì)引發(fā)過(guò)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(guò)快，過(guò)多回饋能量超過(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(guò)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(méi)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(guò)電壓故障。處理時(shí)需加負(fù)荷分配控制。可以把變頻器輸出特性曲線調(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(guò)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(guò)電壓故障處理對(duì)策
對(duì)于過(guò)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(guò)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(guò)電壓因素
對(duì)于電源輸入側(cè)有沖擊過(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(guò)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(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，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(guò)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(guò)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(lái)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(mén)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(guò)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(méi)有必要形成過(guò)高的壓力，而使變頻器運(yùn)行于過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)長(zhǎng)且容量下降的電容器是解決變頻器過(guò)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(lái)?yè)Q取過(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)放置在低壓檔，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。
(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(guò)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(wèn)題應(yīng)是共用直流母線保護(hù)上的問(wèn)題，在利用共用直流母線解決過(guò)電壓的問(wèn)題時(shí)應(yīng)注意這一點(diǎn)。
(9) 通過(guò)控制系統(tǒng)功能優(yōu)勢(shì)解決變頻器過(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(guò)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(guò)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(guò)電壓故障。而對(duì)于規(guī)律性負(fù)載突降過(guò)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(guò)多的能量饋入中間直流回路，以減少其引起的過(guò)電壓故障。
5  結(jié)束語(yǔ)
變頻器中間直流過(guò)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(guò)電壓故障是不難解決的。

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