變頻器過電壓故障分析及處理與防護研究

張文新

摘要：變頻調速技術被廣泛應用于工業自動化領域，大大推動了我國工業的飛速發展。其運行狀態直接影響到電力工業設備的正常使用，進而影響到整個工業系統的穩定運行。盡管現有的變頻器自帶過流、過壓、過載保護等功能，但由于受到環境，使用年限以及使用不當，操作有誤，維護不及時等因素的影響，仍會引發故障或停運狀況，給工業快速發展帶來一定阻滯作用。文章針對變頻器過壓問題，通過研究變頻器的工作原理來對過壓故障產生的內外機理進行分析，并提出相應的故障處理與防護，保障港口裝卸機械的正常穩定運行。

關鍵詞：變頻器;過壓;故障分析;故障處理

引言：變頻器是電力系統中重要的電子設備，其運行狀態直接影響到電力工業設備的正常使用，并進而影響到整個工業系統的穩定運行。盡管現有的變頻器自帶過流、過壓、過載保護等功能，但由于受到環境，使用年限以及使用不當，操作有誤，維護不及時等因素的影響，仍會發生故障或停運狀況。目前，變頻器在工業生產使用過程中，過電壓、過電流、過載、過熱等故障問題依然存在，這些故障給工業的穩定、快速發展帶來了一定阻滯作用。過壓問題容易引起電動機磁路飽和，從而導致電動機溫度過高;降低電動機絕緣性能，從而導致使用壽命縮短;過壓還會引起電容器超負荷破壞。

1變頻器的工作原理

變頻器是變頻技術與微電子技術的完美結合。電力系統中，變頻器是通過電力半導體器件的通斷作用改變輸入電源的頻率以獲取電滿足電力所需要的輸出電源。為了適應工業生產的需要，人們利用變頻器改變輸入的工業電源的頻率來改變電機的輸入電源，實現電機的軟啟動，變頻調速，調節功率因數，提高運轉精度，以此達到調節電機的目的。電力工業系統中常用的變頻器有交- 交變頻及交-直- 交變頻，而交-直- 交變頻較為常用[1]。交流變頻調速技術是強弱電混合、機電一體的綜合性技術。其電路主要包括主電路、控制電路、保護電路及操作顯示電路，其技術主要分成主回路和控制系統兩大部分，通常分為四個主體部分：整流器、高容量儲能電容、逆變器和控制器。

2過電壓故障分析

變頻器的過壓主要來自電源輸入側的過電壓和負載側的過電壓兩個方面，主要發生在直流母線上，變頻器過電壓故障具體表現形式主要有輸入電源引起的過電壓、雷電導致的過電壓、減速或制動的時間過短引起的過電壓等。過電壓故障主要發生在中間回路，與制動有較大關系，一般發生在制動過程。過電壓問題來源有：（1）來自電源輸入側的過電壓。變頻器有一個正常工作的電壓適應范圍，因此，通常情況下電源輸入側不易發生過壓。但在電源輸入側有雷電以及大的電磁干擾時，會產生強大的電壓沖擊，此時也會導致過電壓。雷電情況不可避免，但其發生概率相對較小。

（2）???? 來自負載側的過電壓。過電壓問題主要發生在逆變階段，即負載側過壓故障。逆變環節的過電壓主要是指由于受到環境，使用年限以及使用不當，操作有誤，維護不及時等因素導致電動機出現再生發電現象，而這部分電能將通過逆變器的續流二極管單元回饋到直流回路。當工作中的逆變器處于整流狀態時，如果變頻器中沒有采取能耗措施，這些電能將給直流回路中的電容器元件充電，同時由于電容的放電會使直流母線電壓上升，當充電電壓上升達到限值就會因保護電路的自我保護功能自動跳閘，嚴重的會引起電容損壞。

負載側的過電壓原因主要是當電機在制動或減速時，因變頻器設置的減速時間參數過小，或者因為工藝要求的限制必須在限定的時間內減速至規定頻率或停止運行時，變頻器的輸出頻率減小的速度較快，而工作負載由于自身慣性難以根據輸出頻率作出相對應的調速反應，此時電機轉子轉速將超過變頻器同步轉速，轉子切割旋轉磁場，也就是電機發電。這部分電能將通過逆變回路直流回路中的儲能電容器元件充電，進而會使直流母線電壓上升，即再生過電壓。這些再生電能的部分電能會因變頻器與電機自身的耗能能力被變頻器及電機消耗出去。剩余的部分再生能量會通過直流回路給儲能電容充電，當充電電壓上升達到限值就會因保護電路的自我保護功能自動跳閘，嚴重的會引起電容損壞。

3過電壓故障處理與防護

對來自電源輸入側引起的過電壓，正常情況下變頻器有一個正常工作的電壓范圍，因此通常情況下電源輸入側不會引起過壓。雷電產生會產生強大的電壓沖擊引起過電壓。雷電產生的情況不可避免，但其發生概率相對較小。因此，變頻器在使用過程中產生的過電壓主要是考慮由負載側引起的再生過電壓。綜上所述，過電壓故障的防護處理總體上就是在確保電源電壓在變頻器的正常運轉電壓范圍內，進行定期檢修，同時檢查變頻器頻器的減速時間是否設置正確，若發現設置過短，應根據反復調試適當延長減速時間。防治的處理措施就是要將過多的再生電能耗散掉，常用的有如下方法：

（1）???? 耗能裝置。a.在電源輸入側加設耗能裝置，消耗對電路系統不利的過電壓。對于電源輸入側，如果有雷電引起的過電壓、沖擊過電壓，有補償電容的電路在開關啟、閉時產生的過電壓現象，可以在電源輸入側并聯耗能裝置或串聯電阻抗元件，以此抑制過電壓的發生。b.增加泄放電阻。變頻器內部直流回路一般都裝有控制單元和泄放電阻，釋放中間直流回路上的多余電能。c.在直流回路上給原有電容并聯儲能電容。電容可以通過充放電達到穩定電壓的目的，以此提高回路承受過電壓的能力。同時，適度加大回路的電容并更換容量耗損明顯的電容器。d.在變頻器的直流回路中并聯制動電阻，并定期檢查直流母線上的電壓，并根據實際需要設置合理的閾值來控制功率管的通、斷。

（2）???? 能量回饋。能量回饋的工作原理是針對電源輸入側變流器可逆的整流單元，可以將再生發電產生電壓通過電源輸入側線路回饋給電路系統，從而利用再生電能。可利用控制單元的控制功能，避免規律性負載突降導致的過壓問題。在負載突降前，適當增大頻率，減少負載側過多的能量流入直流回路，以防止過電壓故障發生。如西門子S120系列SLM模塊，當制動導致直流母線電壓升高時，SLM模塊將多余的能量自動回饋給電源輸入側，從而保證直流母線上電壓相對穩定。對于規律性減速引起的過電壓故障，可將變頻器輸入側的不可控整流橋換成半可控或全控整流橋。減速前，在保證直流電壓控制在允許范圍內的前提下，相對提高直流回路承受饋入能量的能力，從而避免過電壓問題。

（3）???? 激活直流母線控制器。針對直流側過電壓的問題，變頻器控制單元能通過內部PID算法，系統自行調設頻率。具體應用如S120變頻器將參數P1200設置為1，以此激活母線上電壓的控制器。

總體防治原則就是在條件允許的情況下適當降低工頻電源電壓。對沒有特定工藝限制的負載減速，要合理設置變頻器減速時間參數，不宜設置過短。時間參數的設定要根據工程經驗，以不引起回路過電壓為基準，尤其要考慮負載慣性的影響。對工藝要求有特殊限制的負載減速問題，盡可能避免因時間設置不合理，變頻器因自我保護功能出現自動跳閘。

結束語

變頻器是電力系統中重要的電子設備，其運行狀態直接影響到電力工業設備的正常使用，并進而影響到整個工業系統的穩定運行。但如果使用不當，操作有誤，維護不及時，就會縮短變頻器的使用壽命，甚至發生故障或停運狀況。因此，日常維護與檢修工作至關重要。通過研究變頻器的工作原理來分析過電壓故障產生的內外機理，給出相應的故障處理與防護，對保障港口裝卸機械的正常穩定運行以及其他行業具有重要意義。

參考文獻：

[1]魯慧春.淺談變頻器常見故障的處理[J].數字技術與應用，2015（11）：204.

[2]?? 孫凱，趙彥偉，劉愛榮，等.變頻器的常見故障、處理措施及日常維護[J].自動化應用，2015（6）：74.

[3]?? 李方圓.變頻器行業應用實踐[M].中國電力出版社，2016.

[4]?? 管振欣.變頻器故障原因及預防措施[J].中國新技術新產品，2018（8）：118.