變頻器過壓故障與處置對策解析

武可庚，翟美麗

（1.太原鐵路機械學(xué)校，山西 太原 030006；2.北京師范大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100052）

0 引言

VFD依靠其內(nèi)部絕緣柵雙極型晶體管的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓頻率，為電機的實際工作提供其不同需求下的電壓。因VFD節(jié)能調(diào)速、智能控制、軟啟動等功能特性，使其在各個領(lǐng)域內(nèi)被廣泛的應(yīng)用，如：風(fēng)機，水泵負載、自動化系統(tǒng)、傳送，起重，機床等機械設(shè)備控制以及電機軟啟動等。VFD是電力系統(tǒng)中重要的電子設(shè)備，VFD運行的穩(wěn)定性，是電力工業(yè)設(shè)備甚至整個工業(yè)系統(tǒng)正常運行的重要保障，一旦VFD發(fā)生過壓故障，不僅會降低VFD的使用壽命，甚至?xí)绊懙絍FD使用人員的生命安全。因此，快速有效地排除VFD的過壓故障是VFD使用工作中至關(guān)重要的內(nèi)容[1-3]。

1 變頻器的基本組成及工作原理

VFD利用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，改變電機電源工作的頻率，繼而控制電機。在電力系統(tǒng)中，常用的VFD包括交-交變頻和交-直-交變頻。其中交-直-交變頻又被成為矢量控制變頻，是最常用的變頻器（如未作特殊說明，本文相關(guān)論述皆為交-直-交變頻）。VFD變頻調(diào)速技術(shù)是一種綜合性技術(shù)，包含計算機技術(shù)、控制技術(shù)等。VFD的電路構(gòu)成主要包括主電路和控制電路[4]。

1.1 主電路

1.1.1 整流電路

整流電路是指將工頻交流電能轉(zhuǎn)化為直流電能的電路。按照組成器件和控制能力，整流電路可分為不可控整流電路、半控整流電路以及全控整流電路。其中不可控整流電路由不可控功率二極管組成，其直流整流電壓和交流電源電壓值之比固定不變；半控整流電路由可控開關(guān)和二極管回合組成，負載電源極性不能改變，但電壓平均值可以調(diào)節(jié)；全控整流電路的整流器件為可控開關(guān)器件，其輸出的直流電壓平均值、極性可以通過控制元件的導(dǎo)通狀況調(diào)節(jié)，功率既可以由電源向負載傳送，也可以由負載反饋給電源[5-6]。

1.1.2 中間直流濾波電路

中間直流濾波電路由兩組電容器組串聯(lián)而成，其中，電容器組由多個電器并聯(lián)組成。兩個電容器各并聯(lián)一個均壓電阻，以保證電容器的電容電壓相等。中間直流濾波電路通過限流電阻與整流電路相連，限流電阻的作用為保證輸入電流的持續(xù)性、提高變頻器的功率因數(shù)[7]。

1.1.3 逆變電路

逆變電路的功能是將直流電能轉(zhuǎn)換為電壓、頻率可調(diào)的交流電能。

1.2 控制電路

變頻器的控制電路的功能在于對逆變電路脈沖控制、變頻器運行控制及各種保護等功能。

從變頻器的基本結(jié)構(gòu)可知，三相交流電首先通過二極管不控整流橋得到脈動直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經(jīng)無源逆變輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電給電動機供電[8]。

2 變頻器過壓故障案例及原因分析

2.1 案例一

某鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)采用XX品牌交-直-交電壓源型中壓變頻器。在生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)主傳動變頻器跳電的現(xiàn)象。變頻器第一次故障報警代碼為F5206（即直流電壓低），電氣人員在檢查高壓系統(tǒng)后未發(fā)現(xiàn)有異?，F(xiàn)象，操作員隨即恢復(fù)送電。隨后，變頻器二次跳電，故障代碼與第一次相同，其他故障代碼顯示為過流故障，主要表現(xiàn)為系統(tǒng)中出現(xiàn)大量電流波動。經(jīng)第二次調(diào)整后，再一次出現(xiàn)類似故障，此次故障顯示為系統(tǒng)電壓過高。綜合分析此變頻器的三次故障，在第一次故障中，直流母線電壓由4800V瞬間變?yōu)?V。正常情況下，直流母線電壓降低需要經(jīng)歷一個過程。直流母線電壓瞬間為0，則表示巨大的瞬時電能被直流回路消耗，觸發(fā)變頻器過壓保護，造成直流電壓低故障。在觸發(fā)過壓保護后，變頻器不允許系統(tǒng)立刻恢復(fù)送電，需給元器件一個恢復(fù)的時間，由于操作人員在元器件未完全恢復(fù)時就進行了復(fù)位，造成第二次跳電故障。第三次故障的發(fā)生則反映了故障的源頭，即電網(wǎng)電壓偏高導(dǎo)致變頻器直流過壓跳電。因此，為了保證變頻器正常運行，調(diào)整整流變壓器的調(diào)壓開關(guān)，將變頻器的輸入電壓由4800V降低至3300V，變頻器過壓故障得到解決。此案例為電源輸入側(cè)過壓引起的變頻器過壓故障。

2.2 案例二

某離心機廠使用XX品牌變頻器，在減速調(diào)試過程中，變頻器多次進行故障報警，報警代碼為E005，即減速過壓。通過現(xiàn)場試驗及檢查發(fā)現(xiàn)，變頻器從最高頻率工作狀態(tài)開始減速后，到達34Hz時，制動單元出現(xiàn)黃燈警告，并自行停止工作，而在變頻器停止工作后，離心機還在轉(zhuǎn)動，并將轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電能反饋給變頻器的直流母線，導(dǎo)致變頻器直流母線的電壓超過其設(shè)定的最大值，觸發(fā)過壓保護，并進行故障E005報警。此次過壓故障的主要原因在于離心機屬于大慣性負載，當(dāng)其進行減速時，設(shè)定的減速時間為150s，制動減速時間不足，致使離心機的實際轉(zhuǎn)速比變頻器決定的同步轉(zhuǎn)速高，離心機負載的機械能經(jīng)過電機轉(zhuǎn)化為電能，回饋給變頻器。而變頻器的逆變電路處于整流狀態(tài)，無法消耗多余的電能，最終導(dǎo)致直流回路中的電壓上升，出現(xiàn)過壓保護故障。因此，將制動使用率改為100%，以消除此故障。該離心機變頻器過壓故障屬于由負載側(cè)過壓引發(fā)的過壓故障。

2.3 案例三

某發(fā)電企業(yè)風(fēng)機變頻器正常啟動后，當(dāng)運行頻率在21Hz左右時，出現(xiàn)直流過壓故障。根據(jù)測試，變頻器在帶負荷運行的狀況下，能夠正常連續(xù)運行5小時。當(dāng)四臺風(fēng)機同時運行時，變頻器也可以正常運行。由此來看，變頻器過壓故障并不是由功率單元控制板損壞引起。同時，風(fēng)機變頻器所設(shè)置的降速時間為180s，變頻器不會因降速時間過短而出現(xiàn)過壓故障。當(dāng)啟動發(fā)電機時，變頻器出現(xiàn)故障報警，根據(jù)對輸出電壓的監(jiān)控可知，變頻器的輸出電壓有三相不平衡的狀況。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，該發(fā)電企業(yè)與附近的煤礦運輸企業(yè)共用一個電網(wǎng)，煤礦運輸中產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)沖擊巨大，導(dǎo)致三相不平衡，繼而引發(fā)過壓故障。因此，該發(fā)電企業(yè)切換了廠用電源，三相電源電壓穩(wěn)定后，變頻器故障解除。此過壓故障屬于電源輸入側(cè)過壓引發(fā)的過壓故障。

3 變頻器過壓故障處置對策

除以上案例中反映的變頻器過壓故障外，還有其他過壓故障。變頻器過壓的主要來源主要為電源輸入側(cè)過壓及負載側(cè)過壓。電源輸入側(cè)過壓的具體表現(xiàn)為雷電引發(fā)的過壓、在供電線路中投入或撤出補償電容時引發(fā)的過壓；負載側(cè)過壓的具體表現(xiàn)包括無制動電阻及制動單元變頻調(diào)速系統(tǒng)在停機時出現(xiàn)過壓、有制動電阻及制動單元的變頻調(diào)速系統(tǒng)在制動時出現(xiàn)過壓、制動或減速時間過短引發(fā)的過壓、輸出負載有離合器引發(fā)的過壓、VFD閑置時的過壓等。

每一個VFD設(shè)置有正常工作的電壓分為，通常情況下，電源輸入側(cè)引起的過壓故障較少。同時，雷電引發(fā)過壓故障概率較小，并且不可避免。此外，高輸入電壓的存在還可能與驅(qū)動器狀態(tài)、附近干擾使AC線路波動、分接變壓器有關(guān)，對于這類故障，需要在驅(qū)動器前端加裝隔離變壓器或線路電抗器[9]。

VFD過壓故障主要集中于負載側(cè)過壓。對于無制動電阻及制動單元變頻調(diào)速系統(tǒng)在停機時出現(xiàn)過壓，主要原因為降速時間過短，可增加減速時間、加裝制動電阻或加裝制動單元避免此類故障的發(fā)生；對于有制動電阻及制動單元的變頻調(diào)速系統(tǒng)在制動時出現(xiàn)過壓，故障原因為制動電流設(shè)置過大、制動時間過短或制動過早，因此需設(shè)置更小的制動電流，適當(dāng)延長制動時間，或當(dāng)頻率更低時進行制動。

4 結(jié)語

VFD過壓是VFD常規(guī)使用中常見的故障。基于VFD過壓嚴(yán)重的危害性，其日常維護和正確使用尤為重要。通過研究變頻器的構(gòu)成以及工作原理，操作人員及電氣人員需要深入分析故障原因，并進行相應(yīng)的故障處置對策，保證變頻器的正常運行。