變頻器過電壓的原因及其對策

1、變頻器過電壓的原因及其對策劉曉林(江蘇南黃海實(shí)業(yè)股份有限公司226401摘要過電壓現(xiàn)象是變頻器運(yùn)行中最常見的故障之一,直流制動(dòng)與再生制動(dòng)功能是防止過電壓產(chǎn)生的最主要的手段,而再生制動(dòng)功能是解決因外力拖動(dòng)而使電機(jī)處于再生狀態(tài)所引起的變頻器過電壓的唯一有效措施。關(guān)鍵詞變頻器過電壓直流制動(dòng)再生制動(dòng)1前言變頻器在調(diào)試與使用過程中經(jīng)常會遇到各種各樣的問題,其中過電壓現(xiàn)象最為常見。過電壓產(chǎn)生后,變頻器為了防止內(nèi)部電路損壞,其過電壓保護(hù)功能將動(dòng)作,使變頻器停止運(yùn)行,導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作。因此必須采取措施消除過電壓,防止故障的發(fā)生。由于變頻器與電機(jī)的應(yīng)用場合不同,產(chǎn)生過電壓的原因也不相同,所以應(yīng)根據(jù)具體情況采

2、取相應(yīng)的對策。2過電壓的產(chǎn)生與再生制動(dòng)所謂變頻器的過電壓,是指由于種種原因造成的變頻器電壓超過額定電壓,集中表現(xiàn)在變頻器直流母線的直流電壓上。正常工作時(shí),變頻器直流電壓為三相全波整流后的平均值。若以380V線電壓計(jì)算,則平均直流電壓U d=1135U線=513V。在過電壓發(fā)生時(shí),直流母線上的儲能電容將被充電,當(dāng)電壓上升至760V左右時(shí),變頻器過電壓保護(hù)動(dòng)作。產(chǎn)生再生過電壓主要有以下原因:當(dāng)大G D2(飛輪力矩負(fù)載減速時(shí)變頻器減速時(shí)間設(shè)定過短;電機(jī)受外力影響(風(fēng)機(jī)、牽伸機(jī)或位能負(fù)載(電梯、起重機(jī)下放。由于這些原因,使電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速高于變頻器的指令轉(zhuǎn)速,這時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率為負(fù),其產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為阻礙旋

3、轉(zhuǎn)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài),負(fù)載的動(dòng)能被/再生0成為電能,再生能量經(jīng)逆變器續(xù)流二極管對變頻器直流儲能電容器充電,使直流母線電壓上升,這就是再生過電壓。因再生過電壓產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與原轉(zhuǎn)矩相反,為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,因此再生過電壓的過程也就是再生制動(dòng)的過程,這正好滿足了負(fù)載的需要。換句話說,消除了再生能量,也就提高了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,這就是再生制動(dòng)的目的。3過電壓的防止措施由于過電壓產(chǎn)生的原因不同,因而采取的對策也不相同。對于在停車過程中產(chǎn)生的過電壓現(xiàn)象,如果對停車時(shí)間或位置無特殊要求,那么可以采用延長變頻器減速時(shí)間或自由停車的方法來解決。如果對停車時(shí)間或停車位置有一定的要求,那么可以采用直流制動(dòng)功能。直流制動(dòng)功

4、能是將電機(jī)減速到一定轉(zhuǎn)速后,在電機(jī)定子繞組中通入直流電,形成一個(gè)靜止的磁場。電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組切割這個(gè)磁場而產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,使負(fù)載的動(dòng)能變成電能,以熱量的形式消耗于電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中,因此這種制動(dòng)又稱作能耗制動(dòng)。這種制動(dòng)方法效率僅為再生制動(dòng)的30%60%,制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小。由于將能量消耗于電機(jī)中會使電機(jī)過熱,所以制動(dòng)時(shí)間不宜過長。而且直流制動(dòng)開始后頻率、制動(dòng)時(shí)間及制動(dòng)電壓的大小均為人工設(shè)定,不能根據(jù)再生電壓的高低自動(dòng)調(diào)節(jié),因而直流制動(dòng)不能用于正常運(yùn)行中產(chǎn)生的過電壓,只能用于停車時(shí)的制動(dòng)。對于減速時(shí)因負(fù)載的GD (飛輪轉(zhuǎn)矩過大而產(chǎn)生的過電壓,可以采取適當(dāng)延長減速時(shí)間的方法來解決。至于那些由于外力的作用而使電

5、機(jī)處于再生狀態(tài)的負(fù)載(這類負(fù)載在運(yùn)行中必須為電機(jī)提供足夠的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,由于其過電壓產(chǎn)生于正常運(yùn)行狀態(tài),因此不可能采用直流制動(dòng)或延長減速時(shí)間的方法。而再生制動(dòng)與直流制動(dòng)相比,具有較高的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,且制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小可以根據(jù)負(fù)載所需的制動(dòng)力矩在運(yùn)行中由變頻器的制動(dòng)單元自動(dòng)控制。因此再生制動(dòng)最適用于在這種正常工作過程中為負(fù)載提供制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。125電工技術(shù)雜志62001年第11期#變頻調(diào)速技術(shù)#4 再生制動(dòng)的方法(1能量消耗型 這種方法是在變頻器直流回路中并聯(lián)一個(gè)制動(dòng)電阻,通過檢測直流母線電壓來控制一個(gè)功率管的通斷。在直流母線電壓上升至700V 左右時(shí),功率管導(dǎo)通,將再生能量通入電阻,以熱能的形式消耗掉,從而

6、防止直流電壓的上升。由于再生能量沒能得到利用,因此屬于能量消耗型。同為能量消耗型,它與直流制動(dòng)的不同點(diǎn)是將能量消耗于電機(jī)之外的制動(dòng)電阻上,電機(jī)不會過熱,因而可以較頻繁的工作。(2并聯(lián)直流母線吸收型 這種方法適用于多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)(如牽伸機(jī),在這個(gè)系統(tǒng)中,每臺電機(jī)均需一臺變頻器,多臺變頻器共用一個(gè)網(wǎng)側(cè)變流器,所有的逆變器并接在一條共用直流母線上。這種系統(tǒng)中往往有一臺或數(shù)臺電機(jī)經(jīng)常工作于發(fā)電狀態(tài),產(chǎn)生再生能量。這些能量通過并聯(lián)直流母線被處于電動(dòng)狀態(tài)的其他電機(jī)所吸收,在不能完全吸收的情況下,則通過共用的制動(dòng)電阻消耗掉。這里的再生能量部分被吸收利用,但沒有回饋到電網(wǎng)中。(3能量回饋型 能量回饋型的變頻器

7、網(wǎng)側(cè)變流器是可逆的,當(dāng)有再生能量產(chǎn)生時(shí),可逆變流器將再生能量回饋給電網(wǎng),使再生能量得到完全利用。但這種方法對電源的穩(wěn)定性要求較高,一旦突然停電,將發(fā)生逆變顛覆。5 再生制動(dòng)的應(yīng)用一條短纖牽伸生產(chǎn)線由三臺牽伸機(jī)組成,分別由三臺電機(jī)驅(qū)動(dòng)。一輥電機(jī)功率22kW 、4極,減速器速比為25B 1;二輥電機(jī)功率37kW 、4極,減速器速比16B 1;三輥電機(jī)功率45kW,減速器速比6B 1。采用華為TD2000-22kW 、三墾I HF37K 、I HF45K 變頻器驅(qū)動(dòng)。三臺變頻器根據(jù)牽伸比及速比采用比例控制。它的工作過程是這樣的:絲束繞在一輥、二輥、三輥上,由變頻器控制三輥之間不同的速度對絲束進(jìn)行牽伸

8、,如圖1 所示。圖 1開車調(diào)試時(shí)因牽伸比小,絲束總旦較低,因此系統(tǒng)開車正常。在正式投產(chǎn)時(shí),由于牽伸比及絲束總旦增大(牽伸比由工藝決定,總旦是絲束的粗細(xì)及根數(shù)多少,總旦越高,絲束越粗。牽伸倍數(shù)或總旦越大,三輥對二輥、一輥的拖力越大,出現(xiàn)了一輥?zhàn)冾l器頻繁保護(hù)停機(jī),故障顯示/E0060(過電壓的問題,二輥?zhàn)冾l器偶爾也有這種現(xiàn)象。通過對故障現(xiàn)象進(jìn)行仔細(xì)的分析,得出以下結(jié)論:由于一輥與二輥之間的牽伸比遠(yuǎn)大于二輥、三輥之間的牽伸比,而二輥、三輥電機(jī)功率均大于一輥,因此一輥電機(jī)實(shí)際工作于發(fā)電狀態(tài)。再生能量對變頻器直流儲能電容器充電,由于能量較大,超過了變頻器與電機(jī)本身具有20%的再生制動(dòng)能力,直流回路的電容

9、將被過充電,變頻器的過電壓保護(hù)功能動(dòng)作,使運(yùn)行停止。二輥則根據(jù)工藝狀況工作于電動(dòng)與制動(dòng)狀態(tài)之間,只有三輥總為電動(dòng)狀態(tài)。也就是說,一輥?zhàn)冾l器若不能將電機(jī)產(chǎn)生的再生能量處理掉,它就不能產(chǎn)生足夠的制動(dòng)力矩,那么將會被二輥/拖跑0。被/拖跑0的主要原因在于變頻器為防止過電壓跳閘而采取的自動(dòng)提高輸出頻率的功能(即失速防止功能。變頻器為了降低再生能量,將會自動(dòng)增加電機(jī)轉(zhuǎn)速,試圖降低再生電壓,但是因再生能量過高,所以并不能阻止過電壓產(chǎn)生。因此,問題的焦點(diǎn)是必須保證一輥、二輥電機(jī)具有足夠的制動(dòng)力矩。增加一輥、二輥電機(jī)及變頻器容量可以達(dá)到這個(gè)目的,但這顯然是不經(jīng)濟(jì)的。而將一輥、二輥產(chǎn)生的過電壓通過制動(dòng)電阻消耗掉

10、,不讓變頻器的直流電壓升高,就能夠提供足夠的制動(dòng)力矩。綜合考慮了各種因素,決定選用華為TDB 4C010300制動(dòng)單元,給一輥、二輥?zhàn)冾l器各配一套,如圖2所示。將制動(dòng)電阻使用率調(diào)整成為75%。如圖3所示,調(diào)整一輥電機(jī)制動(dòng)電阻阻值配置為18158、5kW,二輥電機(jī)制動(dòng)電阻配置為208、3kW 。將制動(dòng)單元制動(dòng)開始電壓調(diào)整為660V (華為變頻器如有內(nèi)置制動(dòng)單元?jiǎng)t出廠時(shí)參數(shù)F38、過壓失速功能選擇設(shè)置為/00(禁止,如沒有內(nèi)置制動(dòng)單元?jiǎng)t設(shè)置為/10(允許,當(dāng)變頻器外接了制動(dòng)單元時(shí),應(yīng)當(dāng)將設(shè)定由/10改為/00。這樣基本上解決了過電壓跳閘的問題。由于制動(dòng)電阻溫度很高,現(xiàn)場散熱條件不好,我們將車間環(huán)境

11、空調(diào)通過風(fēng)管直接給制動(dòng)電阻散熱,大大改善了工作環(huán)境。至此,通過增加制動(dòng)單元,合理調(diào)整制動(dòng)單元13變頻器過電壓的原因及其對策5電工技術(shù)雜志62001年第11期 圖 2圖 3制動(dòng)電阻使用率和一輥、二輥制動(dòng)電阻阻值、功率,正確設(shè)置變頻器相關(guān)參數(shù),解決了一輥、二輥再生能量的及時(shí)釋放的問題,經(jīng)幾個(gè)月運(yùn)行結(jié)果來看,運(yùn)行基本正常。6 結(jié)束語本文詳細(xì)說明了變頻器產(chǎn)生過電壓的各種原因及相應(yīng)的防止措施,討論了再生制動(dòng)的幾種方式,并通過應(yīng)用實(shí)例對過電壓的防止及再生制動(dòng)的應(yīng)用進(jìn)行了仔細(xì)的分析。結(jié)果證明,再生制動(dòng)功能是解決過電壓現(xiàn)象的最主要的方法。參考文獻(xiàn)1 張燕賓1SPWM 變頻調(diào)速應(yīng)用1北京:機(jī)械工業(yè)出版社,199

12、72 滿永奎等1通用變頻器及其應(yīng)用1北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995The Reason of the Frequency C onverter Overvoltage and the CountermeasuresLiu Xiaolin(Jiangsu Southern Yellow Sea Industry Co.Abstract Overvoltage is one of the common breakdowns in a moving frequency converter,the use of DC brake and regenerati ve brake are the majo

13、r way to guard against i t,while the later one is the only eftective method to solve the overvoltage problem in the regenerative state of the motor dragged by an outer force.Keywordsfrequency converterovervoltageDC brakeregenerative brake 收稿日期:20010815(上接第11頁 圖5 節(jié)能率曲線參考文獻(xiàn)1 陳伯時(shí),陳敏遜1交流調(diào)速系統(tǒng)1北京:機(jī)械工業(yè)出版社,

14、19982 滿永奎,韓安榮等1通用變頻器及其應(yīng)用1北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19983 Schr &oder H 1E lektrische Antriebe2,Springer -Verlag 11995:540544AC Variable Frequency Speed -governingExperiment of Saving Energy and Analyzes the Effect of Saving -energyMeng Qingchun Yan Xiaohong(Liaoning T echincal UniversityAbstract A variable frequency Speed -governing experiment system which adop ts AC asynchronous motor as analogue load is analyzed in thi s paper,and a new method that is frequency difference control is also presented.The process of system moving and the effect of savi