变频器过压故障与处置对策解析

2020-12-12武可庚翟美丽

电子元器件与信息技术 2020年2期

武可庚，翟美丽

（1.太原铁路机械学校，山西太原 030006；2.北京师范大学附属中学，北京 100052）

0 引言

VFD依靠其内部绝缘栅双极型晶体管的开断来调整输出电源的电压频率，为电机的实际工作提供其不同需求下的电压。因VFD节能调速、智能控制、软启动等功能特性，使其在各个领域内被广泛的应用，如：风机，水泵负载、自动化系统、传送，起重，机床等机械设备控制以及电机软启动等。VFD是电力系统中重要的电子设备，VFD运行的稳定性，是电力工业设备甚至整个工业系统正常运行的重要保障，一旦VFD发生过压故障，不仅会降低VFD的使用寿命，甚至会影响到VFD使用人员的生命安全。因此，快速有效地排除VFD的过压故障是VFD使用工作中至关重要的内容[1-3]。

1 变频器的基本组成及工作原理

VFD利用变频技术与微电子技术，改变电机电源工作的频率，继而控制电机。在电力系统中，常用的VFD包括交-交变频和交-直-交变频。其中交-直-交变频又被成为矢量控制变频，是最常用的变频器（如未作特殊说明，本文相关论述皆为交-直-交变频）。VFD变频调速技术是一种综合性技术，包含计算机技术、控制技术等。VFD的电路构成主要包括主电路和控制电路[4]。

1.1 主电路

1.1.1 整流电路

整流电路是指将工频交流电能转化为直流电能的电路。按照组成器件和控制能力，整流电路可分为不可控整流电路、半控整流电路以及全控整流电路。其中不可控整流电路由不可控功率二极管组成，其直流整流电压和交流电源电压值之比固定不变；半控整流电路由可控开关和二极管回合组成，负载电源极性不能改变，但电压平均值可以调节；全控整流电路的整流器件为可控开关器件，其输出的直流电压平均值、极性可以通过控制元件的导通状况调节，功率既可以由电源向负载传送，也可以由负载反馈给电源[5-6]。

1.1.2 中间直流滤波电路

中间直流滤波电路由两组电容器组串联而成，其中，电容器组由多个电器并联组成。两个电容器各并联一个均压电阻，以保证电容器的电容电压相等。中间直流滤波电路通过限流电阻与整流电路相连，限流电阻的作用为保证输入电流的持续性、提高变频器的功率因数[7]。

1.1.3 逆变电路

逆变电路的功能是将直流电能转换为电压、频率可调的交流电能。

1.2 控制电路

变频器的控制电路的功能在于对逆变电路脉冲控制、变频器运行控制及各种保护等功能。

从变频器的基本结构可知，三相交流电首先通过二极管不控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电[8]。

2 变频器过压故障案例及原因分析

2.1 案例一

某钢铁生产企业采用XX品牌交-直-交电压源型中压变频器。在生产过程中，出现主传动变频器跳电的现象。变频器第一次故障报警代码为F5206（即直流电压低），电气人员在检查高压系统后未发现有异常现象，操作员随即恢复送电。随后，变频器二次跳电，故障代码与第一次相同，其他故障代码显示为过流故障，主要表现为系统中出现大量电流波动。经第二次调整后，再一次出现类似故障，此次故障显示为系统电压过高。综合分析此变频器的三次故障，在第一次故障中，直流母线电压由4800V瞬间变为0V。正常情况下，直流母线电压降低需要经历一个过程。直流母线电压瞬间为0，则表示巨大的瞬时电能被直流回路消耗，触发变频器过压保护，造成直流电压低故障。在触发过压保护后，变频器不允许系统立刻恢复送电，需给元器件一个恢复的时间，由于操作人员在元器件未完全恢复时就进行了复位，造成第二次跳电故障。第三次故障的发生则反映了故障的源头，即电网电压偏高导致变频器直流过压跳电。因此，为了保证变频器正常运行，调整整流变压器的调压开关，将变频器的输入电压由4800V降低至3300V，变频器过压故障得到解决。此案例为电源输入侧过压引起的变频器过压故障。

2.2 案例二

某离心机厂使用XX品牌变频器，在减速调试过程中，变频器多次进行故障报警，报警代码为E005，即减速过压。通过现场试验及检查发现，变频器从最高频率工作状态开始减速后，到达34Hz时，制动单元出现黄灯警告，并自行停止工作，而在变频器停止工作后，离心机还在转动，并将转动产生的电能反馈给变频器的直流母线，导致变频器直流母线的电压超过其设定的最大值，触发过压保护，并进行故障E005报警。此次过压故障的主要原因在于离心机属于大惯性负载，当其进行减速时，设定的减速时间为150s，制动减速时间不足，致使离心机的实际转速比变频器决定的同步转速高，离心机负载的机械能经过电机转化为电能，回馈给变频器。而变频器的逆变电路处于整流状态，无法消耗多余的电能，最终导致直流回路中的电压上升，出现过压保护故障。因此，将制动使用率改为100%，以消除此故障。该离心机变频器过压故障属于由负载侧过压引发的过压故障。

2.3 案例三

某发电企业风机变频器正常启动后，当运行频率在21Hz左右时，出现直流过压故障。根据测试，变频器在带负荷运行的状况下，能够正常连续运行5小时。当四台风机同时运行时，变频器也可以正常运行。由此来看，变频器过压故障并不是由功率单元控制板损坏引起。同时，风机变频器所设置的降速时间为180s，变频器不会因降速时间过短而出现过压故障。当启动发电机时，变频器出现故障报警，根据对输出电压的监控可知，变频器的输出电压有三相不平衡的状况。经过分析发现，该发电企业与附近的煤矿运输企业共用一个电网，煤矿运输中产生的谐波对电网冲击巨大，导致三相不平衡，继而引发过压故障。因此，该发电企业切换了厂用电源，三相电源电压稳定后，变频器故障解除。此过压故障属于电源输入侧过压引发的过压故障。

3 变频器过压故障处置对策

除以上案例中反映的变频器过压故障外，还有其他过压故障。变频器过压的主要来源主要为电源输入侧过压及负载侧过压。电源输入侧过压的具体表现为雷电引发的过压、在供电线路中投入或撤出补偿电容时引发的过压；负载侧过压的具体表现包括无制动电阻及制动单元变频调速系统在停机时出现过压、有制动电阻及制动单元的变频调速系统在制动时出现过压、制动或减速时间过短引发的过压、输出负载有离合器引发的过压、VFD闲置时的过压等。

每一个VFD设置有正常工作的电压分为，通常情况下，电源输入侧引起的过压故障较少。同时，雷电引发过压故障概率较小，并且不可避免。此外，高输入电压的存在还可能与驱动器状态、附近干扰使AC线路波动、分接变压器有关，对于这类故障，需要在驱动器前端加装隔离变压器或线路电抗器[9]。

VFD过压故障主要集中于负载侧过压。对于无制动电阻及制动单元变频调速系统在停机时出现过压，主要原因为降速时间过短，可增加减速时间、加装制动电阻或加装制动单元避免此类故障的发生；对于有制动电阻及制动单元的变频调速系统在制动时出现过压，故障原因为制动电流设置过大、制动时间过短或制动过早，因此需设置更小的制动电流，适当延长制动时间，或当频率更低时进行制动。