超實(shí)用:變頻器過(guò)電壓的原因及其對(duì)策
拙著一篇，貼出來(lái)給學(xué)變頻器應(yīng)用的同仁參考。原載某中文核心期刊
變 頻 器 過(guò) 電 壓 的 原 因 及 其 對(duì) 策
摘要：過(guò)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(guò)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(guò)電壓的唯一有效措施。
關(guān)鍵詞：變頻器、過(guò)電壓、直流制動(dòng)、再生制動(dòng)
一、 前 言：
變頻器在調(diào)試與使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題，其中過(guò)電壓現(xiàn)象最為常見。過(guò)電壓產(chǎn)生后，變頻器為了防止內(nèi)部電路損壞，其過(guò)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(wú)法正常工作。因此必須采取措施消除過(guò)電壓，防止故障的發(fā)生。由于變頻器與電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合不同，產(chǎn)生過(guò)電壓的原因也不相同，所以應(yīng)根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的對(duì)策。
二、過(guò)電壓的產(chǎn)生與再生制動(dòng)
所謂變頻器的過(guò)電壓，是指由于種種原因造成的變頻器電壓超過(guò)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)，變頻器直流部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Ud=1.35U線=513V。在過(guò)電壓發(fā)生時(shí)，直流母線上的儲(chǔ)能電容將被充電，當(dāng)電壓上升至700V左右時(shí)，（因機(jī)型而異）變頻器過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作。造成過(guò)電壓的原因主要有兩種：電源過(guò)電壓和再生過(guò)電壓。電源過(guò)電壓是指因電源電壓過(guò)高而使直流母線電壓超過(guò)額定值。而現(xiàn)在大部分變頻器的輸入電壓最高可達(dá)460V，因此，電源引起的過(guò)電壓極為少見。本文主要討論的問(wèn)題是再生過(guò)電壓。產(chǎn)生再生過(guò)電壓主要有以下原因：當(dāng)大GD2（飛輪力矩）負(fù)載減速時(shí)變頻器減速時(shí)間設(shè)定過(guò)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，也就是說(shuō)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過(guò)了同步轉(zhuǎn)速，這時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率為負(fù)，轉(zhuǎn)子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向與電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)相反，其產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為阻礙旋轉(zhuǎn)方向的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。所以電動(dòng)機(jī)實(shí)際上處于發(fā)電狀態(tài)，負(fù)載的動(dòng)能被“再生”成為電能。再生能量經(jīng)逆變部續(xù)流二極管對(duì)變頻器直流儲(chǔ)能電容器充電，使直流母線電壓上升，這就是再生過(guò)電壓。因再生過(guò)電壓的過(guò)程中產(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(guò)電壓的過(guò)程也就是再生制動(dòng)的過(guò)程。換句話說(shuō)，消除了再生能量，也就提高了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。如果再生能量不大，因變頻器與電機(jī)本身具有20%的再生制動(dòng)能力，這部分電能將被變頻器及電機(jī)消耗掉。若這部分能量超過(guò)了變頻器與電機(jī)的消耗能力，直流回路的電容將被過(guò)充電，變頻器的過(guò)電壓保護(hù)功能動(dòng)作，使運(yùn)行停止。為避免這種情況的發(fā)生，必須將這部分能量及時(shí)的處理掉，同時(shí)也提高了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這就是再生制動(dòng)的目的。
三、過(guò)電壓的防止措施：
由于過(guò)電壓產(chǎn)生的原因不同，因而采取的對(duì)策也不相同。對(duì)于在停車過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓現(xiàn)象，如果對(duì)停車時(shí)間或位置無(wú)特殊要求，那么可以采用延長(zhǎng)變頻器減速時(shí)間或自由停車的方法來(lái)解決。所謂自由停車即變頻器將主開關(guān)器件斷開，讓電機(jī)自由滑行停止。如果對(duì)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)（DC制動(dòng)）功能。直流制動(dòng)功能是將電機(jī)減速到一定頻率后，在電機(jī)定子繞組中通入直流電，形成一個(gè)靜止的磁場(chǎng)。電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組切割這個(gè)磁場(chǎng)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)。在直流制動(dòng)的過(guò)程中實(shí)際上包含了再生制動(dòng)與能耗制動(dòng)兩個(gè)過(guò)程。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(huì)使電機(jī)過(guò)熱，所以制動(dòng)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。而且直流制動(dòng)開始頻率，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(guò)電壓，只能用于停車時(shí)的制動(dòng)。對(duì)于減速（從高速轉(zhuǎn)為低速，但不停車）時(shí)因負(fù)載的GD2（飛輪轉(zhuǎn)矩）過(guò)大而產(chǎn)生的過(guò)電壓，可以采取適當(dāng)延長(zhǎng)減速時(shí)間的方法來(lái)解決。其實(shí)這種方法也是利用再生制動(dòng)原理，延長(zhǎng)減速時(shí)間只是控制負(fù)載的再生電壓對(duì)變頻器的充電速度，使變頻器本身的20%的再生制動(dòng)能力得到合理利用而已。至于那些由于外力的作用（包括位能下放）而使電機(jī)處于再生狀態(tài)的負(fù)載，因其正常運(yùn)行于制動(dòng)狀態(tài)，再生能量過(guò)高無(wú)法由變頻器本身消耗掉，因此不可能采用直流制動(dòng)或延長(zhǎng)減速時(shí)間的方法。再生制動(dòng)與直流制動(dòng)相比，具有較高的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而且制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小可以跟據(jù)負(fù)載所需的制動(dòng)力矩（即再生能量的高低）由變頻器的制動(dòng)單元自動(dòng)控制。因此再生制動(dòng)最適用于在正常工作過(guò)程中為負(fù)載提供制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
四、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(guò)檢測(cè)直流母線電壓來(lái)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，從而防止直流電壓的上升。由于再生能量沒(méi)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(huì)過(guò)熱，因而可以較頻繁的工作。
2． 并聯(lián)直流母線吸收型：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(tái)電機(jī)均需一臺(tái)變頻器，多臺(tái)變頻器共用一個(gè)網(wǎng)側(cè)變流器，所有的逆變部并接在一條共用直流母線上。這種系統(tǒng)中往往有一臺(tái)或數(shù)臺(tái)電機(jī)正常工作于制動(dòng)狀態(tài)，處于制動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)被其它電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，產(chǎn)生再生能量，這些能量再通過(guò)并聯(lián)直流母線被處于電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)所吸收。在不能完全吸收的情況下，則通過(guò)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(méi)有回饋到電網(wǎng)中。
3． 能量回饋型：能量回饋型的變頻器網(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
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生能量得到完全利用。但這種方法對(duì)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。
五、再生制動(dòng)的應(yīng)用
一條化纖長(zhǎng)絲牽伸生產(chǎn)線，由三臺(tái)牽伸機(jī)組成，分別由三臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。一輥電機(jī)功率22KW、4極，采用蝸桿減速器，速比為25：1；二輥電機(jī)功率37KW、4極，蝸桿減速器，速比16：1；三輥電機(jī)功率45KW，采用圓柱齒輪減速器，速比6：1。電機(jī)分別采用華為TD2000-22KW三墾IHF37K，45K變頻器驅(qū)動(dòng)。三臺(tái)變頻器根據(jù)牽伸比及速比采用比例控制。它的工作過(guò)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(duì)絲束進(jìn)行牽伸。開車調(diào)試時(shí)因牽伸比小，絲束總旦較低，系統(tǒng)開車正常。在投產(chǎn)一段時(shí)間后，由于工藝調(diào)整，增大了牽伸比及絲束總旦，（牽伸比由工藝決定，總旦通俗的說(shuō)，就是絲束的粗細(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(duì)二輥、一輥的拖力越大。）這時(shí)出現(xiàn)了問(wèn)題。開車時(shí)間不長(zhǎng)，一輥?zhàn)冾l器頻繁顯示SC（過(guò)電壓防止），二輥?zhàn)冾l器偶爾也有這種現(xiàn)象。時(shí)間稍長(zhǎng)，一輥?zhàn)冾l器保護(hù)停機(jī)，故障顯示E006（過(guò)電壓）。通過(guò)對(duì)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占總牽伸倍數(shù)的70%，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)，它必須產(chǎn)生足夠的制動(dòng)力矩，才能保證牽伸倍數(shù)。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，只有三輥為電動(dòng)狀態(tài)。也就是說(shuō)，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(huì)被二輥“拖跑”。被“拖跑”的主要原因在于變頻器為防止過(guò)電壓跳閘而采取的自動(dòng)提高輸出頻率的功能（即“SC”失速防止功能）。變頻器為了降低再生能量，將會(huì)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(guò)高，所以并不能阻止過(guò)電壓的發(fā)生。因此，問(wèn)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(guò)電壓及時(shí)處理掉，不讓變頻器的直流電壓升高，也能夠提供足夠的制動(dòng)力矩。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)未考慮到這點(diǎn)，采用共用直流母線吸收型或能量回饋型的方法已不可能。經(jīng)仔細(xì)論證，只有采用將一輥、二輥?zhàn)冾l器各增加一組外接制動(dòng)單元的方案。經(jīng)計(jì)算選用了兩組華為 TDB-4C01-0300制動(dòng)組件。開車后兩組制動(dòng)單元電阻尤其是一輥制動(dòng)阻工作頻率非常之高，說(shuō)明我們的分析是正確的。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行近一年，再也沒(méi)有發(fā)生過(guò)過(guò)電壓現(xiàn)象。
六、結(jié)束語(yǔ)：
本文詳細(xì)說(shuō)明了變頻器產(chǎn)生過(guò)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(guò)應(yīng)用實(shí)例對(duì)過(guò)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(guò)電壓現(xiàn)象的最主要的方法。
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