變頻器基礎(chǔ)講座（八）--過電壓的原因及其對策

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變頻器基礎(chǔ)講座（八）--過電壓的原因及其對策
一、 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，其過電壓保護功能將動作，使變頻器停止運行，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)具體情況采取相應(yīng)的對策。

二、過電壓的產(chǎn)生與再生制動
　　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，變頻器直流部電壓為三相全波整流后的平均值。若以380V線電壓計算，則平均直流電壓Ud=1.35U線=513V。在過電壓發(fā)生時，直流母線上的儲能電容將被充電，當(dāng)電壓上升至700V左右時，（因機型而異）變頻器過電壓保護動作。造成過電壓的原因主要有兩種：電源過電壓和再生過電壓。電源過電壓是指因電源電壓過高而使直流母線電壓超過額定值。而現(xiàn)在大部分變頻器的輸入電壓最高可達460V，因此，電源引起的過電壓極為少見。本文主要討論的問題是再生過電壓。產(chǎn)生再生過電壓主要有以下原因：當(dāng)大GD2（飛輪力矩）負載減速時變頻器減速時間設(shè)定過短；電機受外力影響（風(fēng)機、牽伸機）或位能負載（電梯、起重機）下放。由于這些原因，使電機實際轉(zhuǎn)速高于變頻器的指令轉(zhuǎn)速，也就是說，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過了同步轉(zhuǎn)速，這時電機的轉(zhuǎn)差率為負，轉(zhuǎn)子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場的方向與電動機狀態(tài)時相反，其產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為阻礙旋轉(zhuǎn)方向的制動轉(zhuǎn)矩。所以電動機實際上處于發(fā)電狀態(tài)，負載的動能被"再生"成為電能。再生能量經(jīng)逆變部續(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。因再生過電壓的過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與原轉(zhuǎn)矩相反，為制動轉(zhuǎn)矩，因此再生過電壓的過程也就是再生制動的過程。換句話說，消除了再生能量，也就提高了制動轉(zhuǎn)矩。如果再生能量不大，因變頻器與電機本身具有20%的再生制動能力，這部分電能將被變頻器及電機消耗掉。若這部分能量超過了變頻器與電機的消耗能力，直流回路的電容將被過充電，變頻器的過電壓保護功能動作，使運行停止。為避免這種情況的發(fā)生，必須將這部分能量及時的處理掉，同時也提高了制動轉(zhuǎn)矩，這就是再生制動的目的。

三、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，如果對停車時間或位置無特殊要求，那么可以采用延長變頻器減速時間或自由停車的方法來解決。所謂自由停車即變頻器將主開關(guān)器件斷開，讓電機自由滑行停止。如果對停車時間或停車位置有一定的要求，那么可以采用直流制動（DC制動）功能。直流制動功能是將電機減速到一定頻率后，在電機定子繞組中通入直流電，形成一個靜止的磁場。電機轉(zhuǎn)子繞組切割這個磁場而產(chǎn)生一個制動轉(zhuǎn)矩，使負載的動能變成電能以熱量的形式消耗于電機轉(zhuǎn)子回路中，因此這種制動又稱作能耗制動。在直流制動的過程中實際上包含了再生制動與能耗制動兩個過程。這種制動方法效率僅為再生制動的30-60％，制動轉(zhuǎn)矩較小。由于將能量消耗于電機中會使電機過熱，所以制動時間不宜過長。而且直流制動開始頻率，制動時間及制動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調(diào)節(jié)，因而直流制動不能用于正常運行中產(chǎn)生的過電壓，只能用于停車時的制動。對于減速（從高速轉(zhuǎn)為低速，但不停車）時因負載的GD2（飛輪轉(zhuǎn)矩）過大而產(chǎn)生的過電壓，可以采取適當(dāng)延長減速時間的方法來解決。其實這種方法也是利用再生制動原理，延長減速時間只是控制負載的再生電壓對變頻器的充電速度，使變頻器本身的20%的再生制動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）而使電機處于再生狀態(tài)的負載，因其正常運行于制動狀態(tài)，再生能量過高無法由變頻器本身消耗掉，因此不可能采用直流制動或延長減速時間的方法。再生制動與直流制動相比，具有較高的制動轉(zhuǎn)矩，而且制動轉(zhuǎn)矩的大小可以跟據(jù)負載所需的制動力矩（即再生能量的高低）由變頻器的制動單元自動控制。因此再生制動最適用于在正常工作過程中為負載提供制動轉(zhuǎn)矩。

四、再生制動的方法：
1． 能量消耗型：這種方法是在變頻器直流回路中并聯(lián)一個制動電阻，通過檢測直流母線電壓來控制一個功率管的通斷。在直流母線電壓上升至700V左右時，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，它與直流制動的不同點是將能量消耗于電機之外的制動電阻上，電機不會過熱，因而可以較頻繁的工作。
2．并聯(lián)直流母線吸收型：適用于多電機傳動系統(tǒng)（如牽伸機），在這個系統(tǒng)中，每臺電機均需一臺變頻器，多臺變頻器共用一個網(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)中往往有一臺或數(shù)臺電機正常工作于制動狀態(tài)，處于制動狀態(tài)的電機被其它電動機拖動，產(chǎn)生再生能量，這些能量再通過并聯(lián)直流母線被處于電動狀態(tài)的電機所吸收。在不能完全吸收的情況下，則通過共用的制動電阻消耗掉。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網(wǎng)側(cè)變流器是可逆的，當(dāng)有再生能量產(chǎn)生時，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。

五、再生制動的應(yīng)用
　　一條化纖長絲牽伸生產(chǎn)線，由三臺牽伸機組成，分別由三臺電機驅(qū)動。一輥電機功率22KW、4極，采用蝸桿減速器，速比為25：1；二輥電機功率37KW、4極，蝸桿減速器，速比16：1；三輥電機功率45KW，采用圓柱齒輪減速器，速比6：1。電機分別采用華為TD2000-22KW三墾IHF37K，45K變頻器驅(qū)動。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行牽伸。開車調(diào)試時因牽伸比小，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，就是絲束的粗細及根數(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。）這時出現(xiàn)了問題。開車時間不長，一輥變頻器頻繁顯示SC（過電壓防止），二輥變頻器偶爾也有這種現(xiàn)象。時間稍長，一輥變頻器保護停機，故障顯示E006（過電壓）。通過對故障現(xiàn)象進行仔細的分析，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、三輥電機功率均大于一輥，因此一輥電機實際工作于發(fā)電狀態(tài)，它必須產(chǎn)生足夠的制動力矩，才能保證牽伸倍數(shù)。二輥則根據(jù)工藝狀況工作于電動與制動狀態(tài)之間，只有三輥為電動狀態(tài)。也就是說，一輥變頻器若不能將電機產(chǎn)生的再生能量處理掉，它就不能產(chǎn)生足夠的制動力矩，那么將會被二輥"拖跑"。被"拖跑"的主要原因在于變頻器為防止過電壓跳閘而采取的自動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，將會自動增加電機轉(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的發(fā)生。因此，問題的焦點是必須保證一輥、二輥電機具有足夠的制動力矩。增加一輥、二輥電機及變頻器容量可以達到這個目的，但這顯然是不經(jīng)濟的。而將一輥、二輥產(chǎn)生的過電壓及時處理掉，不讓變頻器的直流電壓升高，也能夠提供足夠的制動力矩。由于在系統(tǒng)設(shè)計時未考慮到這點，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)仔細論證，只有采用將一輥、二輥變頻器各增加一組外接制動單元的方案。經(jīng)計算選用了兩組華為 TDB-4C01-0300制動組件。開車后兩組制動單元電阻尤其是一輥制動阻工作頻率非常之高，說明我們的分析是正確的。整個系統(tǒng)運行近一年，再也沒有發(fā)生過過電壓現(xiàn)象。

六、結(jié)束語
　　本文詳細說明了變頻器產(chǎn)生過電壓的各種原因及相應(yīng)的防止措施，討論了再生制動的幾種方式，并通過應(yīng)用實例對過電壓的防止及再生制動的應(yīng)用進行了仔細的分析。結(jié)果證明，再生制動功能是解決過電壓現(xiàn)象的最主要的方法。
變頻器基礎(chǔ)講座（九）--壓頻比的正確設(shè)定
一、引言
　　隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，變頻器調(diào)速已成為交流調(diào)速的主流，在化纖、紡織、鋼鐵、機械、造紙等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。由于通用變頻器一般采用V/f控制，即變壓變頻（VVVF）方式調(diào)速，因此，變頻器在使用前正確地設(shè)定其壓頻比，對保證變頻器的正常工作至關(guān)重要。變頻器的壓頻比由變頻器的基準電壓與基準頻率兩項功能參數(shù)的比值決定，即基準電壓/基準頻率=壓頻比。基準電壓與基準頻率參數(shù)的設(shè)定，不僅與電動機的額定電壓與額定頻率有關(guān)（電機的壓頻比為電機的額定電壓與額定頻率之比），而且還必須考慮負載的機械特性。對于普通異步電機在一般調(diào)速應(yīng)用時，其基準電壓與基準頻率按出廠值設(shè)定（基準電壓380V，基準頻率50Hz），即滿足使用要求。但對于某些行業(yè)使用的較特殊的電機，就必須根據(jù)實際情況重新設(shè)定基準電壓與基準頻率的參數(shù)。由于變頻器使用說明書以及有關(guān)書籍中沒有對這兩個參數(shù)作詳細介紹，因此正確的設(shè)定該參數(shù)對于不少使用者來說，并非很容易的事。為此，本文結(jié)合變頻調(diào)速的基本控制方式及負載的機械特性與基準電壓、基準頻率參數(shù)的關(guān)系，列舉實例，詳細說明基準電壓與基準頻率參數(shù)的設(shè)定方法。

二、變頻調(diào)速的基本控制方式與基準電壓、基準頻率的關(guān)系
　　電機用變頻器調(diào)速時有兩種情況--基頻（基準頻率）以下調(diào)速和基頻以上調(diào)速（見圖1）。必須考慮的重要因素是：盡量保持電機主磁通為額定值不變。如果磁通過弱（電壓過低），電機鐵心不能得到充分利用，電磁轉(zhuǎn)矩變小，負載能力下降。如果磁通過強（電壓過高），電機處于過勵磁狀態(tài)，電機因勵磁電流過大而嚴重發(fā)熱。根據(jù)電機原理可知，三相異步電機定子每相電動勢的有效值： E1=4.44f1N1Φm 式中：E1--定子每相由氣隙磁通感應(yīng)的電動勢的有效值，V ；f1--定子頻率，Hz；N1--定子每相繞組有效匝數(shù) ；Φm-每極磁通量 由式中可以看出，Φm的值由E1/f1決定，但由于E1難以直接控制，所以在電動勢較高時，可忽略定子漏阻抗壓降，而用定子相電壓U1代替。那么要保證Φm不變，只要U1/f1始終為一定值即可。這是基頻以下調(diào)時速的基本情況，為恒壓頻比（恒磁通）控制方式，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。從圖1可以看出，基準頻率為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)的最高頻率，基準頻率所對應(yīng)的電壓為即為基準電壓，是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)的最高電壓，在基頻以下調(diào)速時，電壓會隨頻率而變化，但兩者的比值不變。 在基頻以上調(diào)速時，頻率從基頻向上可以調(diào)至上限頻率值，但是由于電機定子不能超過 電機額定電壓，因此電壓不再隨頻率變化，而保持基準電壓值不變，這時電機主磁通必須隨頻率升高而減弱，轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小，功率基本保持不變，屬于恒功率調(diào)速區(qū)。由圖1可見，基準頻率為恒功率調(diào)速區(qū)的最低頻率，是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)與恒功率調(diào)速區(qū)的轉(zhuǎn)折點，而基準電壓值在整個恒功率調(diào)速區(qū)內(nèi)不再隨頻率變化而改變。

三、負載的機械特性與基準電壓，基準頻率的設(shè)定
　　合理地使用變頻器，必須了解所驅(qū)動負載的機械特性。根據(jù)不同的使用目的，負載基本上可分為恒轉(zhuǎn)矩負載、恒功率負載以及平方轉(zhuǎn)矩負載等三類。恒轉(zhuǎn)矩負載其所需轉(zhuǎn)矩基本不受速度變化的影響（T=定值），對于該類負載，變頻器的整個工作區(qū)最好運行在基頻以下，這時變頻器的輸出特性正好能滿足負載的要求。恒功率負載在轉(zhuǎn)速越高時，所需轉(zhuǎn)矩越?。═×N=定值），對于恒功率負載來說，電機的工作頻率若運行在基頻以上，其所要求的機械特性將與變頻器的輸出特性相吻合。至于平方轉(zhuǎn)矩負載，它所要求的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比（T/N2=定值），電機應(yīng)運行在基頻以下較為合理。需要注意的是：平方轉(zhuǎn)矩負載的工作頻率絕不能超過工頻（除非變頻器容量大一個等級）。否則變頻器與電機將嚴重過載。

四、設(shè)定實例
例一 ：一臺化纖紡絲計量泵電機型號為FTY-550-6，既550W 6極三相永磁同步電動機。銘牌參數(shù)如下：工作電壓：62.5 - 125 - 475V，工作頻率：25 - 50 - 190HZ，電機功率：275 - 550 - 2090W，轉(zhuǎn)速：500 - 1000 - 3800R/min，電流：4A。其工作范圍較寬，銘牌參數(shù)與一般異步電動機不同，左邊的數(shù)值為電機正常工作時（不失步）的下限，右邊數(shù)值為電機正常工作時的最大值，中間值為額定值（50HZ）。該電機壓頻比為125V/50HZ=2.5，使用三 墾SAMCO-I 1HF1.5K變頻器。若只按電機參數(shù)設(shè)定，電機的額定電壓與額定頻率值既為變頻器的基準電壓與基準頻率值，基準電壓（代碼為CD005）設(shè)為125V，基準頻率（CD006）為50HZ（出廠值）不變，這樣設(shè)定，電機工作在基頻以下時，電機驅(qū)動計量泵毫無問題，但計量泵屬于恒轉(zhuǎn)矩負載，若在計量泵要求較高轉(zhuǎn)速（如90HZ）時，那么頻率雖然可調(diào)至90HZ，但此時電機工作電壓仍為125V，實際壓額比為125/90HZ=1.39，電磁轉(zhuǎn)矩變小，無法提供負載所需轉(zhuǎn)矩，使計量泵不能正常工作。正確的設(shè)定應(yīng)為：CD005=475V，CD006=190HZ，在這里基準電壓雖設(shè)為475V，但由于變頻器不具有升壓功能，其實際輸出電壓由輸入電壓的最大值決定，所以這樣設(shè)定只對增大V/F圖形的斜率有效，并不真能達到475V。因此也可以這樣設(shè)定：CD005=380V，CD006=152HZ，變頻器的壓頻比仍為380V/152HZ=2.5不變，電機整個工作段都處于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍，滿足了負載特性的要求。
例2：一臺紡織用三相異步調(diào)速電動機，額定功率60W，額定電壓110V，額定頻率50HZ，調(diào)速范圍40-110HZ，額定電流0。34A，4極，因此該電機的壓頻比為110V/50HZ=2。2。所驅(qū)動負載為恒功率特性。驅(qū)動變頻器原來準備用富士FRN1。5G11S-4CX（驅(qū)動六臺電機）但該變頻器的基準電壓（富士變頻器額定電壓）最低只能調(diào)到320V，根據(jù)電機的壓頻比，要保證電機運行在50HZ時工作電壓為110V，電機能正常工作。但該負載工作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍較寬，如果要求運行在110HZ那么此時電機電壓將達到242V，高出額定電壓一倍多，其結(jié)果可想而知。若以110HZ時電機工作電壓為110V來設(shè)定，則設(shè)額定電壓為320V（最低值），基準頻率為320HZ，那么電機運行在110HZ時，電壓正好為電機額定電壓。但這時變頻器的壓頻比為320V/320HZ=1，因此在電機運行于40HZ時，其電壓僅為40V，顯然沒有足夠的功率驅(qū)動負載。所以該型富士變頻器不能滿足使用要求。改用三星SAMCO-I IHF1.5K變頻器，設(shè)基準電壓CD005=110V，基準頻率CD006=50HZ，這樣電機從50-110HZ調(diào)速時其電壓值保持在110V不變，電機工作在恒功率調(diào)速區(qū)，與負載的機械特性相符，不會再有超過電機額定電壓或功率不足的現(xiàn)象發(fā)生。

五、結(jié)束語
　　本文詳細闡述了根據(jù)負載的機械特性和電機參數(shù)設(shè)定變頻器的基準電壓和基準頻率的方法，可以看出，正確的設(shè)定好變頻器的基準電壓，基準頻率，既能充分利用變頻器的性能，又能滿足負載對變頻器的要求。如果設(shè)定不當(dāng)，變頻器與電機甚至不能工作。因此，正確的設(shè)定變頻器的壓頻比是使用好變頻器的關(guān)鍵。