變頻器控制錯誤的故障分析與解決

楊倩華

摘要：變頻器是機電設(shè)備的重要控制設(shè)施，設(shè)備在運行中受到電網(wǎng)閃斷，短時內(nèi)多次啟停，在調(diào)試維修中也存在需要多次啟停的問題，如果變頻器的二次控制設(shè)計不合理則可能變頻器頻繁通送電，輕則降低變頻器的使用壽命，重則燒毀變頻設(shè)備，引發(fā)生產(chǎn)安全事故。因此，研究變頻器二次控制設(shè)計的合理性，對提升變頻器的運維安全有著實質(zhì)性價值。

關(guān)鍵詞：變頻器;電機;接觸器;二次控制;自復(fù)式過欠壓保護器

引言

變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著國民經(jīng)濟的快速增長，城市現(xiàn)代化步伐的加速推進，變頻器的應(yīng)用范圍變得相當廣泛，以實現(xiàn)節(jié)能和提升服務(wù)為目的，變頻器從工業(yè)領(lǐng)域拓展到民用領(lǐng)域，如商場的變頻升降電梯、變頻自動扶梯，變頻空調(diào)設(shè)備，變頻水泵、變頻風機等等。正是因為變頻器的普遍運用，保證變頻器控制的可靠性和合理性受眾多技術(shù)人員的關(guān)注，不合理的變頻器控制設(shè)計將導(dǎo)致設(shè)備燒毀、危及運維人員的人身安全，本文將與大家討論解決典型而普遍的變頻器外圍二次控制設(shè)計錯誤在特定的條件下容易引發(fā)設(shè)備燒毀的安全隱患。

1、大慣性負載變頻器的外圍接線

近些年來，由于各行各業(yè)受到國家節(jié)能減排政策的宣傳引導(dǎo)，節(jié)能減排的設(shè)備投入速度快、數(shù)量多，而作為機電運控節(jié)能的主要設(shè)備變頻器著實火了一陣，變頻節(jié)能得各方的關(guān)注，在運用中實現(xiàn)節(jié)能降耗成績明顯，但是不注意設(shè)計和運維仍然引發(fā)不少問題。許多企業(yè)用戶的中央空調(diào)系統(tǒng)和供水系統(tǒng)都使用大功率、大慣性的電機設(shè)備，即出現(xiàn)了大慣性負載如離心泵、沖床、離心風機等，此類負載的慣性很大，啟動速度慢，啟動時可能會產(chǎn)生振蕩，電動機減速時有能量回饋，此類負載通用變頻器進行啟停和運行變頻控制。這些電機+變頻器設(shè)備通常采用就地+遠控的控制方式，而變頻器常見的外圍接線有下圖：

其中低壓斷路器QF的功能是：一是實現(xiàn)安全隔離，當變頻器需要檢修時，或者因某種原因而長時間不用時，將QF切斷，使變頻器與電源隔離;二是保護作用，當變頻器的輸入側(cè)發(fā)生短路等故障時進行保護。接觸器KM的作用是對變頻器設(shè)備進行通電和斷電，在緊急情況下自動切斷電源。

2、變頻器控制不合理接線的風險分析

上述控制線路中引入中間繼電器KA控制變頻器內(nèi)部的啟動和停止模塊。只有當接觸器接通電源后，KM的常開觸點閉合，此時按下啟動按鈕或遠程系統(tǒng)控制信號發(fā)送，中間繼電器線圈KA才會得電并自鎖，KA的常開觸點閉合，接通變頻器的STR或STF端子實現(xiàn)正常的啟停控制。但是該控制方式存在安全風險，主要是遠程控制系統(tǒng)引起，具體分析如下：當遠程系統(tǒng)發(fā)出啟動指令則YA觸點吸合，實現(xiàn)變頻器啟動運行，即YA觸點狀態(tài)完全受制于后臺遠程控制系統(tǒng)，與現(xiàn)場的控制回路和變頻器的運行狀態(tài)沒有關(guān)聯(lián)關(guān)系。這就產(chǎn)生一種后果，在YA觸點吸合的變頻器運行情況下，電網(wǎng)聯(lián)系發(fā)生閃斷現(xiàn)場則勢必造成接觸器KM反復(fù)吸斷，而YA吸合狀態(tài)沒變化，導(dǎo)致出現(xiàn)了接觸器KM頻繁啟動變頻器的問題，實際造成變頻器燒毀故障或QF開關(guān)跳閘。再者，在YA觸點吸合狀況下，工作人員強送QF開關(guān)，如果引發(fā)變頻器故障則將大故障電流對操作人員的人身安全也將產(chǎn)生嚴重的威脅。

通過進一步深入性分析，可以得出此類問題受制實際的三個方面問題，具體如下：

1）電網(wǎng)閃斷的不可避免性：變頻器對電網(wǎng)穩(wěn)定性要求很高，以國家電網(wǎng)標準為例，對于C級電網(wǎng)最大允許10%的電壓波動;對于B級電網(wǎng)，最大允許7%的電壓波動;對于A級電網(wǎng)，只能允許5%的電壓波動。電壓波動超出范圍會導(dǎo)致變頻器異常停機，有可能釀成重大安全事故。電壓波動的原因一般有這幾種：①夏天雷電天氣可能會導(dǎo)致供電系統(tǒng)過電壓，生產(chǎn)企業(yè)往往通過安裝避雷設(shè)施來保護設(shè)備。然而，避雷設(shè)備工作時為了限制過電壓也會導(dǎo)致供電系統(tǒng)電壓短期內(nèi)迅速降低，影響變頻器工作。②大型負載的啟停造成電壓波動。大功率設(shè)備啟動時，啟動電流可達正常啟動電流的7倍，導(dǎo)致其所在供電系統(tǒng)電壓瞬時下降，影響變頻器工作。③用電設(shè)備斷路導(dǎo)致部分或全部供電系統(tǒng)跳閘。當設(shè)備出現(xiàn)短路故障時，系統(tǒng)中的保護裝置會切斷一定區(qū)域的供電。該區(qū)域內(nèi)負載瞬時失電，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓瞬間波動，即使變頻器不在此區(qū)域內(nèi)，也會受到影響。④倒閘操作時，設(shè)備的運行狀態(tài)變化，進而引起電壓變化。

2）變頻器自身對頻繁啟動的限制：因為大部分變頻器硬件設(shè)計有啟動電阻，在上電的那幾秒鐘內(nèi)會迅速發(fā)熱，然后等電容器充電完成后，啟動電阻才會通過旁路接觸器切出主回路，然后慢慢降溫冷卻。如果對變頻器頻繁上下電，極大可能造成啟動電阻過熱甚至燒毀。因此，變頻器使用手冊會說明變頻器的斷電間隔時間，一般不得小于 60s，不同的變頻器時間會有差別?？梢娮冾l器頻繁啟動對設(shè)備的威脅是明顯的。

3）大慣性電機斷電后不能立即回歸靜止狀態(tài)：離心式大慣性電機在高速運行時突然斷開變頻器的輸入電源，由于斷開電源的電機在慣性的作用下仍然需要維持一段事件的高速旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生反電動勢，與變頻器內(nèi)部的直流電壓疊加，濾波電容上就會有高于較高的電壓，這時如果頻繁啟動變頻器則極易引起變頻器內(nèi)部元器件擊穿。

3、控制線路風險問題的解決方案

針對大慣性電機+變頻器存在的上述接線控制的風險隱問題，探討改善二次控制接線的解決方案，在維持原二次控制接線不變的前提下，即保留接觸器前置接線方式和變頻器本地控制方式，通過增加電網(wǎng)電壓檢測裝置（三相四線自復(fù)式過欠壓保護器：OUPA）對遠程控制回路進行改進，并遠程啟?？刂苹芈凡恢苯尤⑼Ｗ冾l器。具體改進的接線如下

本解決方案利用自復(fù)式過欠壓保護器（OUPA）的工作特性，OUPA是overVoltageAndUnderVoltageProtectiveDeviceWithAuto- ReclosingFunction的簡寫，意思是當線路中過電壓和欠電壓超過規(guī)定值時能自動斷開，并能自動檢測線路電壓，當線路中電壓恢復(fù)正常時能自動閉合的裝置。

第一步，在變頻器電源斷路器QF與主回路接觸器KM之間并接一個三相四線自復(fù)式過欠壓保護器（以下簡稱：保護器OUPA），以檢測電源供電質(zhì)量，用于跟蹤電網(wǎng)的電壓波動情況。在保護器OUPA二次控制部分，將OUPA的輸出控制節(jié)點引接到串入主回路接觸器KM控制線圈回路內(nèi)，當電網(wǎng)電壓發(fā)生波動（如閃斷）時，使接觸器KM線圈斷電，達到斷開變頻器電源的目的，防止變頻器運行受電網(wǎng)連續(xù)波動帶來的危害，保護變頻器所帶的大慣性電機設(shè)備的安全，待一定時間或電網(wǎng)穩(wěn)定后，再恢復(fù)變頻器機組供電，恢復(fù)空氣機組運行。

第二步，將主回路接觸器KM控制線圈回路中串接變頻器的故障常閉接點，即保住主回路斷路器得電后如果變頻器沒有故障，即接觸器吸合，變頻器上電準備，等待來自現(xiàn)場或遠程后臺系統(tǒng)的DDC模塊的控制信號。在二次控制接線系統(tǒng)的變頻器（BPQ）啟?？刂苹芈凡糠值腒A線圈回路的遠控DDC模塊YA常開觸點接入保護器OUPA的常開接點，避免由于遠控啟動信號（YA常開觸點沒有斷開）沒有消失導(dǎo)致變頻器在電網(wǎng)電壓還不穩(wěn)定或大慣性電機設(shè)備還未停穩(wěn)的情況下，又啟動變頻器設(shè)備，危及設(shè)備的安全。

第三步，在整個控制的二次回路增加一個時間繼電器SJ，將OUPA的輸出控制節(jié)點引接到時間繼電器SJ的線圈回路內(nèi)，而時間繼電器SJ的的常開接點串接在變頻器控制回路的KA線圈支路，確保一定的時間延時，使電網(wǎng)電壓還不穩(wěn)定或大慣性電機設(shè)備還未停穩(wěn)的情況下無法實現(xiàn)給KA線圈帶電，則變頻器限時內(nèi)無法啟動。

第四步，在整個控制的二次回路增設(shè)一臺中間繼電器2KA，通過自復(fù)式過欠壓保護器保護器OUPA的其中一路輸出常閉觸點接入該新增中間繼電器2KA線圈，然后將中間繼電器2KA其中一路常閉接點（ YK）串接到DCC的信號輸入模塊，即常開點（YK）斷開意味電網(wǎng)電壓異常，DCC將信號傳至遠程監(jiān)控后臺，后臺監(jiān)控程序發(fā)出停機信號，即打開DDC模塊YA常開觸點，停止變頻器運行，待供電質(zhì)量穩(wěn)定后，運控人員再給變頻器發(fā)出啟動信號，運行變頻機組。

當然，為了不在大慣性電機還未完全停穩(wěn)期間就再次啟動變頻器，導(dǎo)致影響電機和變頻器的運行安全，可以考慮控制系統(tǒng)增加電機轉(zhuǎn)速監(jiān)測環(huán)節(jié)，即為大慣性電機增加轉(zhuǎn)速傳感器（DZ343），這種轉(zhuǎn)速傳感器是一種可靠的霍爾感應(yīng)接近傳感器，目前在電機運行轉(zhuǎn)速測量及汽車ABS防抱死制動等旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)檢測中廣泛應(yīng)用，轉(zhuǎn)速傳感專職采用單片集成型的專用齒輪轉(zhuǎn)速霍爾芯片，溫度特性好，飄移極小，是一種可靠的霍爾感應(yīng)接近傳感器（可檢測鐵等金屬物質(zhì)），它適于感應(yīng)要求苛刻的傳輸及變速箱產(chǎn)品中的速度及精密間距的位置。轉(zhuǎn)速傳感器在同一芯片上集成了一組多路高隔離的DC/DC電源，一個高性能的信號放大與整形電路。特別適用于將轉(zhuǎn)速、正弦波等信號放大轉(zhuǎn)換成標準方波脈沖信號。將轉(zhuǎn)速傳感器傳輸給電機遠程監(jiān)控的后臺系統(tǒng)，在程序設(shè)定電機轉(zhuǎn)速為零時才能進行變頻器的啟動控制，即開動DDC模塊的 YA常開觸點實現(xiàn)變頻器啟動。

4、改進效果

經(jīng)過改進的變頻器外圍線路控制設(shè)計方案，解決了電網(wǎng)閃斷或人為調(diào)試維修維護變頻器過程中帶來變頻器被不合理地頻繁重啟，并導(dǎo)致燒毀設(shè)備，減低變頻器設(shè)備壽命的問題;解決了大慣性電機未停穩(wěn)就又啟動的安全風險;解決了遠程監(jiān)控系統(tǒng)沒有采集前端設(shè)備運行狀態(tài)長期保持啟動指令發(fā)送狀態(tài)，導(dǎo)致變頻器頻繁重啟的隱患。該相關(guān)改進控制接線方案可提升現(xiàn)場控制端和遠程控制端的自動安全運行的保障。

參考文獻：

[1] 許殿國，劉曉峰，于泳.變頻器故障診斷及容錯控制研究綜述[J]電工技術(shù)學(xué)報.2015 30（21）

（作者單位：貴州省機場集團有限公司）