变频器过电压故障分析处理

石磊 高振林 郭猛

摘要

本文主要介绍变频器报“过电压”后的分析处理，从理论和实际出发，解决变频器报“过电压”的问题。

【关键词】过电压 直流母线电压 减速时间门限电压的延时时间

1 前言

我企业维护范围内西门子M430变频器频繁出现过“过电压”故障，以西门子M430变频器A和B为例，2017年3月中旬西门子M430变频器A报“过电压”故障，检查电动机及变频器无问题后复位开机正常;2017年7月又报“过电压”故障。西门B变频器新安装运行一个月报“过电压”故障，对电动机和变频器进行检查，电动机和变频器均正常，厂家来人指导检查未发现问题，拆除故障变频器安装同型号新的（西门子M430）变频器，将故障变频器返厂进行检查，厂家反馈变频器未发现故障，新安装的变频器B 2017年6月该变频器又报“过电压”故障。

2 变频器过电压故障的分析

变频器过电压，通常是指变频器直流母线电压超过一定范围，影响到变频器本身元器件的安全工作，而采取的一种停机保护机制，，这是电压型交一直一交变频器设计上的一大缺陷。正常情况下，变频器的直流电压为三相全波整流滤波后的平均值，以380V计算，直流母线电压Ud=380×1.414=537V，而在发生过压时，直流母线端的主电容则会充电储能，母线电压不断升高，当电压上升至主电容额定电压800V左右时，变频器就会进行过压保护停机，否则将影响变频器性能甚至导致其损坏。

对于变频器来说，变频器出现过电压跳闸，有三方面的原因：

（1）输入三相电压升高，造成直流母线电压升高导致变频器过电压跳闸;

（2）电动机出现回馈发电现象，造成变频器直流母线电压升高跳闸;

（3）谐波干扰，变频器为电力电子元件，本身就很容易产生一些高次谐波，当谐波电压超过直流母线电压保护设定值800V后导致变频器过电压跳闸。

通常情況下的电源电压为380V，允许误差为-5%～+15%，经三相桥式全波整流后中间直流的峰值为591V，个别情况下电源线电压达到450V，其峰值电压也只有636V，并不算很高，一般电源电压不会使变频器因过电压跳闸。电源输入侧的过电压主要是指电源侧的冲击过电压，如雷电引起的过电压，这种情况也很少见到。

电动机的回馈发电现象主要是指由于某种原因使电动机处于再生发电状态时，即电机处于实际转速比变频频率决定的同步转速高的状态，负载的传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，通过逆变器的6个续流二极管回馈到变频器的中间直流回路中。此时的逆变器处于整流状态，如果变频器中没采取消耗这些能量的措施，这些能量将会导致中间直流回路的电容器的电压上升。达到门限电压值800V即行跳闸。

电动机的回馈发电主要是变频器减速时间参数设定相对较小及未使用变频器减速过电压自处理功能。当变频器拖动惯性负载时，其减速时间设定的比较小，在减速过程中，变频器输出频率下降的速度比较快，而负载惯性比较大，靠本身阻力减速比较慢，使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高，电动机处于发电状态，而变频器没有能量处理单元或其作用有限，因而导致变频器中间直流回路电压升高，超出保护值，就会出现过电压跳闸故障。生产装置在调整变频器频率时通过两种方式，一种自动，设定好外部温度、压力等信号后变频器频率随温度、压力等信号变化而变化;一种手动调节，给定变频器固定的4-20mA信号，变频器以固定频率运行。当设置为自动调节时，温度、压力等信号波动较大时，变频器频率变化较大，变频器的加减速就较为频繁，容易出现电动机的回馈发电造成变频器过电压现象。

电动机的回馈发电时如果变频器在运行多年，中间直流回路电容容量下降将不可避免，中间直流回路对直流电压的调节程度减弱，在工艺状况和设定参数未曾改变的情况下，发生变频器过电压跳闸几率会增大，这时需要对中间直流回路电容器容量下降情况进行检查。

变频器主电路一般为交一直一交组成，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压，经电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流电压。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大，变频器主要产生5、7次谐波危害大，在逆变输出回路中，大部分采用PWM脉冲宽度调制技术，输出电压信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形。对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为2-3kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz。同样，输出回路电压信号也可分解为只含基波和其他各次谐波。当所有谐波与基波电压的叠加超过门限电压800V，且超过规定的允许时间后，变频器报“过电压”故障。

3 故障处理

通过以上分析对我企业维护范围内的西门子M430变频器报“过电压”进行分析及处理如下：

（1）三相电压升高，目前厂区的电压比较平稳，不存在电压波动较大，超出允许范围的现象。

（2）电动机驱动负载的减速阶段，负载的机械能量被转化为电能返送到变频器的直流母线上，电动机减速时间过快，导致电动机向变频器的直流母线回馈很大的能量，造成直流母线过电压。改善方案：将电动机减速时间参数P1121=30s设置为60s，延长电动机的减速时间，使电动机减速过程更慢，降低单位时间内能量回馈的强度。

（3）由于变频器为电力电子元件，本身就很容易产生一些高次谐波，当谐波电压超过直流母线电压保护设定值800V后，且在设定的时间10ms内，高次谐波电压未降至设定值800V以下时，也会有报F0002过电压故障。改善方案;将直流回路门限电压的延时时间即参数P2173=10ms改为100ms，即延长故障报警时间，躲过一些因谐波影响造成的“过电压”故障。

通过与西门子厂家交流分析，核对变频器的参数设置，针对变频器的参数设定进行以下2个参数的修改：

（1）电动机减速时间参数P1121=30s设置为60s;

（2）直流回路门限电压的延时时间即参数P2173=10ms改为100ms。

修改保存完参数后变频器运行至今再没报“过电压”故障，事实证明与分析相符。因此针对西门子M430变频器在投入运行前，进行参数设置时应注意两点：

（1）在设置减速时间时，应适当放长，进一步降低单位时间内能量回馈的强度，确保在电动机停机时可能出现的过电压。

（2）另外将直流过电压动作时间也适当放长，躲过谐波造成的瞬时电压激增的情况，避免瞬时电压激增引起的过电压跳闸。通过调整这两个参数，来解决变频器过电压跳闸停机的问题。

参考文献

[1]西门子变频器说明书，2011，

[2]变频器应用故障200例，2015.