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1 引言
變頻器過壓故障保護(hù)是變頻器中間直流電壓達(dá)到危險(xiǎn)程度后采取的保護(hù)措施，這是電壓型交-直-交變頻器設(shè)計(jì)上的一大缺陷，在變頻器實(shí)際運(yùn)行中引起此故障的原因較多，可以采取的措施也較多，在處理此類故障時(shí)要分析清楚故障原因，有針對(duì)性的采取相應(yīng)的措施去處理。

2 變頻器過壓問題的提出
通用變頻器大都為電壓型交-直-交變頻器，從變頻器的基本結(jié)構(gòu)可以知道三相交流電首先通過二極管不控整流橋得到脈動(dòng)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(dòng)機(jī)供電。一般而言，負(fù)載的能量可以分為動(dòng)能和勢(shì)能兩種。動(dòng)能（由負(fù)載的速度和重量確定其大小）隨著物體的運(yùn)動(dòng)而累積，當(dāng)動(dòng)能減為零時(shí)，該物體就處在停止?fàn)顟B(tài)。圖1所示為電機(jī)傳動(dòng)的四種運(yùn)行方式，在本章中所涉及到負(fù)載的共同特點(diǎn)，就是要求電機(jī)不僅運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)（一、三象限），而且要運(yùn)行于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)（二、四象限）。

圖1 電機(jī)傳動(dòng)的四種運(yùn)行方式

對(duì)于變頻器，如果輸出頻率降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速將跟隨頻率同樣降低，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)過程，由制動(dòng)產(chǎn)生的功率將返回到變頻器側(cè)，由于二極管不控整流器能量傳輸不可逆，產(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓；而以gtr、igbt為代表的全控型器件耐壓較低，過高的泵升電壓有可能損壞開關(guān)器件、電解電容，甚至?xí)茐碾姍C(jī)的絕緣，從而則威脅到系統(tǒng)安全工作，這就限制了通用變頻器的應(yīng)用范圍。因此，必須將這些功率消耗掉，如可以用電阻發(fā)熱消耗。在用于提升類負(fù)載時(shí)，如負(fù)載下降，能量（勢(shì)能）也要返回到變頻器（或電源）側(cè)，這種操作方法被稱作“再生制動(dòng)”。
如果在負(fù)載減速期間或者長期被倒拖時(shí)，由電機(jī)側(cè)流到變頻器直流母線側(cè)產(chǎn)生的功率如果不通過熱消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到變頻器電源側(cè)或者通過直流母線并聯(lián)的方式由其他電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)消耗的方法叫做回饋制動(dòng)。顯然，如需要將能量直接返回到電源側(cè)還需要一種特殊的裝置，即能量回饋單元。
總而言之，為了改善制動(dòng)能力，不能單純期望靠增加變頻器的容量來解決問題，而必須采用處理再生能量的方法：電阻能耗制動(dòng)和回饋制動(dòng)。
從上可以知道，變頻器過壓主要是指其中間直流回路過壓，而中間直流回路過壓主要危害有以下幾點(diǎn)：
（1）引起電動(dòng)機(jī)磁路飽和。對(duì)于電動(dòng)機(jī)來說，電壓過高必然使電機(jī)鐵芯磁通增加，可能導(dǎo)致磁路飽和，勵(lì)磁電流過大，從面引起電機(jī)溫升過高。
（2）損害電動(dòng)機(jī)絕緣。中間直流回路電壓升高后，變頻器輸出電壓的脈沖幅度過大，對(duì)電機(jī)絕緣壽命有很大的影響。
（3）對(duì)中間直流回路濾波電容器壽命有直接影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電容器爆裂。因而變頻器廠家一般將中間直流回路過壓值限定在dc800v左右，一旦其電壓超過限定值，變頻器將按限定要求跳閘保護(hù)。
正是基于過壓的嚴(yán)重危害性，在以下變頻器應(yīng)用場合，用戶必須考慮配套使用制動(dòng)方式：電機(jī)拖動(dòng)大慣量負(fù)載（如離心機(jī)、龍門刨、巷道車、行車的大小車等）并要求急劇減速或停車；電機(jī)拖動(dòng)位能負(fù)載（如電梯，起重機(jī)，礦井提升機(jī)等）；電機(jī)經(jīng)常處于被拖動(dòng)狀態(tài)（如離心機(jī)副機(jī)、造紙機(jī)導(dǎo)紙輥電機(jī)、化纖機(jī)械牽伸機(jī)等）。

3 產(chǎn)生變頻器過壓的原因
一般能引起中間直流回路過壓的原因主要來自以下兩個(gè)方面：
（1）來自電源輸入側(cè)的過壓
正常情況下的電源電壓為380v，允許誤差為-5%～+10%，經(jīng)三相橋式全波整流后中間直流的峰值為591v，個(gè)別情況下電源線電壓達(dá)到450v，其峰值電壓也只有636v，并不算很高，一般電源電壓不會(huì)使變頻器因過壓跳閘。電源輸入側(cè)的過壓主要是指電源側(cè)的沖擊過壓，如雷電引起的過壓、補(bǔ)償電容在合閘或斷開時(shí)形成的過壓等，主要特點(diǎn)是電壓變化率dv/dt和幅值都很大。
（2）來自負(fù)載側(cè)的過壓
主要是指由于某種原因使電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，即電機(jī)處于實(shí)際轉(zhuǎn)速比變頻頻率決定的同步轉(zhuǎn)速高的狀態(tài)，負(fù)載的傳動(dòng)系統(tǒng)中所儲(chǔ)存的機(jī)械能經(jīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，通過逆變器的6個(gè)續(xù)流二極管回饋到變頻器的中間直流回路中。此時(shí)的逆變器處于整流狀態(tài)，如果變頻器中沒采取消耗這些能量的措施，這些能量將會(huì)導(dǎo)致中間直流回路的電容器的電壓上升，達(dá)到限值即行跳閘。
比如當(dāng)變頻器拖動(dòng)大慣性負(fù)載時(shí)，其減速時(shí)間設(shè)定的比較小，在減速過程中，變頻器輸出頻率下降的速度比較快，而負(fù)載慣性比較大，靠本身阻力減速比較慢，使負(fù)載拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比變頻器輸出的頻率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速還要高，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，而變頻器沒有能量處理單元或其作用有限，因而導(dǎo)致變頻器中間直流回路電壓升高，超出保護(hù)值，就會(huì)出現(xiàn)過壓跳閘故障。

4 案例分析：離心機(jī)變頻減速運(yùn)行過壓
（1）故障現(xiàn)象
某離心機(jī)廠的離心機(jī)選用艾默生變頻器ev2000-4t0015g變頻器（如圖2），在調(diào)試時(shí)，變頻器總是在減速過程中報(bào)e005故障（減速過壓）。

圖2 離心機(jī)外觀

（2）分析處理
查找故障原因，并根據(jù)說明書進(jìn)行定位（如圖3所示）。

圖3 e004/e005/e006過壓故障定位

在定位過程中，現(xiàn)場檢查該變頻器時(shí)，發(fā)現(xiàn)在從最高頻率減速到34hz時(shí)，制動(dòng)單元受自身使用率的影響，已經(jīng)自動(dòng)停止工作，制動(dòng)單元出現(xiàn)黃燈警告，放電工作停止，而此時(shí)離心機(jī)還在回饋能量給變頻器的直流母線，結(jié)果導(dǎo)致直流母線電壓超過變頻器允許值，從而報(bào)e005故障。將制動(dòng)單元的撥碼開關(guān)s1的第四位選擇為on(表1所示)，即使用率改為100%，故障解除。

表1 制動(dòng)單元s1選擇開關(guān)

出現(xiàn)上述問題的原因在于離心設(shè)備是個(gè)大慣性負(fù)載，在停車減速時(shí)，減速時(shí)間才150多秒。
（3）案例歸納
由于制動(dòng)單元是變頻器的外設(shè)，因此遇到變頻器過壓故障必須查看制動(dòng)單元的顯示狀態(tài)，并根據(jù)提示進(jìn)行故障排除。表2所示為本案例使用的艾默生制動(dòng)單元的待機(jī)顯示、動(dòng)作指示、故障指示、工作超時(shí)指示等狀態(tài)。

表2 艾默生制動(dòng)單元顯示舉例

除了本案例的制動(dòng)率之外，還必須注意制動(dòng)單元的選擇情況。在進(jìn)行制動(dòng)單元得選擇時(shí)，制動(dòng)單元工作時(shí)流過開關(guān)管的最大瞬時(shí)電流要小于該器件的額定電流是選擇的唯一依據(jù)，通過計(jì)算出最大電流值，就可以選擇合適的制動(dòng)單元，計(jì)算公式如下：

式中，u_c為制動(dòng)單元直流母線電壓值，在交流380v進(jìn)線電源時(shí)取800v；r_b為制動(dòng)電阻阻值（ω）；i_c為制動(dòng)電流瞬時(shí)值（a）。
一般變頻器的硬件過壓保護(hù)值為760v，考慮其動(dòng)作的滯后，將其適當(dāng)加大，但不會(huì)超過800v，因此在計(jì)算i_c時(shí)適當(dāng)加大了u_c。
（4）經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)
能耗制動(dòng)的基本應(yīng)用就是變頻器、制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，且是一一對(duì)應(yīng)的。由于制動(dòng)單元一般具有通用性，制動(dòng)電阻又可以功率和阻值自由選配，所以一對(duì)一的單機(jī)應(yīng)用型能耗制動(dòng)方案對(duì)品牌并無特殊要求。
能耗制動(dòng)的基本應(yīng)用方案一般有以下三種：
a、無保護(hù)型
圖4所示就是適用于用戶選用的普通制動(dòng)電阻。只要確保制動(dòng)電阻的功率和散熱條件良好，并不至于發(fā)生火災(zāi)隱患的情況下，就可以選用無保護(hù)型接線。
圖4中，制動(dòng)單元以艾默生tdb系列為例，其端子說明如下：p為直流母線正端，n為直流母線負(fù)端，可以輸入的電壓規(guī)格為dc600v/40a；pb為制動(dòng)電阻的一端，另外一端為p，接輸出制動(dòng)電阻；g為制動(dòng)單元接地；ta/tb/tc為故障繼電器的公共點(diǎn)、常閉點(diǎn)和常開點(diǎn)，可以接交流220v/10a或直流30v/1a以下的控制回路。

圖4 無保護(hù)型制動(dòng)單元配線

b、接觸器保護(hù)型
通過進(jìn)線接觸器來保證變頻器與制動(dòng)單元的電氣安全，也就是說當(dāng)制動(dòng)單元發(fā)生故障或者制動(dòng)電阻熱保護(hù)，立即切斷接觸器，變頻器和制動(dòng)單元就處于安全保護(hù)狀態(tài)。采用接觸器保護(hù)型的接線方式必須確保制動(dòng)單元的動(dòng)作觸點(diǎn)和制動(dòng)電阻的熱觸點(diǎn)處于有效的狀態(tài)內(nèi)，否則容易導(dǎo)致接觸器不動(dòng)作或頻繁動(dòng)作，反而造成系統(tǒng)損壞。
c、控制端子保護(hù)型
通過定義控制端子為變頻器的保護(hù)功能時(shí)封鎖變頻器的電壓輸出，也就是說當(dāng)制動(dòng)單元發(fā)生故障或者制動(dòng)電阻熱保護(hù)，變頻器的控制端子就處于有效接通的狀態(tài)，變頻器就認(rèn)為外部設(shè)備故障，顯示故障報(bào)警代碼并停止輸出。這種功能是利用變頻器特有的對(duì)輸入外部設(shè)備的故障監(jiān)視功能。

5 結(jié)束語
對(duì)于過壓故障的處理，其關(guān)鍵一是中間直流回路多余能量如何及時(shí)處理；二是如何避免或減少多余能量向中間直流回路饋送，使其過壓的程度限定在允許的限值之內(nèi)。
因此，可以歸納為下面主要的對(duì)策：在電源輸入側(cè)增加吸收裝置，減少過壓因素；從變頻器已設(shè)定的參數(shù)中尋找解決辦法；分析工藝流程，在工藝流程中尋找解決辦法；采用增加制動(dòng)電阻的方法；在輸入側(cè)增加逆變電路的方法；采用在中間直流回路上增加適當(dāng)電容的方法；在條件允許的情況下適當(dāng)降低工頻電源電壓；多臺(tái)變頻器共用直流母線的方法；通過控制系統(tǒng)功能優(yōu)勢(shì)解決變頻器過壓問題。

作者簡介
李方園（1973－） 高級(jí)工程師，畢業(yè)于浙江大學(xué)電氣自動(dòng)化專業(yè)，長期從事于變頻器等現(xiàn)代工控產(chǎn)品的應(yīng)用與研究工作。

參考文獻(xiàn)
[1] 李方園. 變頻器行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐[m]. 中國電力出版社:北京,2006,5.
[2] 李方園. 變頻器自動(dòng)化工程實(shí)踐[m]. 電子工業(yè)出版社:北京,2007,4.
[3] 李方園. 變頻器故障排除[m]. 化學(xué)工業(yè)出版社:北京,2009,01.