惯性负荷拖动变频器过电压故障原因及对策

惯性负荷拖动变频器过电压故障原因及对策

邓亚辉

大唐内蒙古多伦煤化工有限责任公司，内蒙古 锡林郭勒 026000

摘要：介绍了变频器传动的工作模式，列举了过电压的危害，阐述了解决方案及应用

关键词：惯性负荷；过电压故障原因；过电压故障危害；过电压故障对策

1引言：

变频器过电压故障保护是变频器中间直流电压达到危险程度后采取的保护措施，这是变频器设计上的一大缺陷，在变频器实际运行中引起此故障的原因较多，可以采取的措施也较多，在处理此类故障时要分析清楚故障原因，有针对性的采取相应的措施去处理，此次我们讨论的是大惯性负荷拖动变频器报过电压故障原因及对策，以ABB变频器举例说明。

2 变频器传动的工作模式：

变频器控制模式最常见的为以下四种控制模式：转速控制，转矩控制，频率控制，特殊控制模式（过程 PID 控制，急停模式控制，点动模式控制）

1）转速控制模式：电机按照传动给定转速旋转。这种模式既可以用估算值作为转速反馈值，也可用编码器，得到更高的转速精度。在本地控制模式和外部控制模式下都可以使用转速控制模式。同样也适用于 DTC ( 直接转矩控制 ) 和标量电机控制模式。

2）转矩控制模式：电机转矩按照传动给定的转矩旋转，在DTC电机控制模式下使用转矩控制模式，而转矩控制模式通常使用在两台电机同时驱动，保证两台电机出力相同，但两台电机速度不一定同步，转矩控制一般使用多台电机驱动的工况下。

3）频率控制模式：电机按照传动给定的频率旋转，频率控制只在标量电机控制模式下有效。

4）特殊控制模式：除了上述几种控制模式外，可以提供下列特殊控制模式：过程 PID 控制；急停模式 Off1 和 Off3 ；点动模式，以上四种控制模式，厂家在日常使用中，一般按照DTC( 直接转矩控制 )模式下，选择转速控制模式；标量电机控制模式下，选择频率控制模式。

3 变频器过电压的危害： 

变频器过电压主要是指其中间直流回路过电压，中间直流回路过电压主要危害在于：

1）引起电动机磁路饱和。对于电动机来说，电压主过高必然使电机铁芯磁通增加，可能导致磁路饱和，励磁电流过大，从面引起电机温升过高；

2）损害电动机绝缘。中间直流回路电压升高后，变频器输出电压的脉冲幅度过大，对电机绝缘寿命有很大的影响；

3）对中间直流回路滤波电容器寿命有直接影响，严重时会引起电容器爆裂。

4 产生变频器过电压的原因：

  一般能引起中间直流回路过电压的原因主要来自以下两个方面： 

1）来自电源输入侧的过电压：

一般电源电压不会使变频器因过电压跳闸，电源输入侧的过电压主要是指电源侧的冲击过电压，如雷电引起的过电压、补偿电容在合闸或断开时形成的过电压等，主要特点是电压变化率dv/dt和幅值都很大。 

2）来自负载侧的过电压：

主要是指由于某种原因使电动机处于再生发电状态时，即电机处于实际转速比变频频率决定的同步转速高的状态，负载的传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，通过逆变器的6个续流二极管回馈到变频器的中间直流回路中。此时的逆变器处于整流状态，如果变频器中没采取消耗这些能量的措施，这些能量将会导致中间直流回路的电容器的电压上升，达到限值即行跳闸。 

5 过电压故障处理对策

对于过电压故障的处理，关键一是中间直流回路多余能量如何及时处理；二是如何避免或减少多余能量向中间直流回路馈送，使其过电压的程度限定在允许的限值之内。

下面是主要的对策：

1）在电源输入侧增加吸收装置，减少过电压因素对于电源输入侧有冲击过电压、雷电引起的过电压、补偿电容在合闸或断开时形成的过电压可能发生的情况下，可以采用在输入侧并联浪涌吸收装置或串联电抗器等方法加以解决。

2）从变频器已设定的参数中寻找解决办法，在变频器可设定的参数中主要有两点：是减速时间参数和变频器减速过电压自处理功能。在工艺流程中如不限定负载减速时间时，变频器减速时间参数的设定不要太短，而使得负载动能释放的太快，该参数的设定要以不引起中间回路过电压为限，特别要注意负载惯性较大时该参数的设定。如果工艺流程对负载减速时间有限制，而在限定时间内变频器出现过电压跳闸现象，就要设定变频器失速自整定功能或先设定变频器不过压情况下可减至的频率值，暂缓后减速至零，减缓频率减少的速度。

3）采用增加泄放电阻的方法：一般小于7.5kW的变频器在出厂时内部中间直流回路均装有控制单元和泄放电阻，大于7.5kW的变频器需根据实际情况外加控制单元和泄放电阻，为中间直流回路多余能量释放提供通道，是一种常用的泄放能量的方法。其不足之处是能耗高，可能出现频繁投切或长时间投运，致使电阻温度升高、设备损坏。

4）在输入侧增加逆变电路的方法：处理变频器中间直流回路能量最好的方法就是在输入侧增加逆变电路，可以将多余的能量回馈给电网。但逆变桥价格昂贵，技术要求复杂，不是较经济的方法。这样在实际中就限制了它的应用，只有在较高级的场合才使用。

5）采用在中间直流回路上增加适当电容的方法：中间直流回路电容对其电压稳定、提高回路承受过电压的能力起着非常重要的作用。适当增大回路的电容量或及时更换运行时间过长且容量下降的电容器是解决变频器过电压的有效方法。这里还包括在设计阶段选用较大容量的变频器的方法，是以增大变频器容量的方法来换取过电压能力的提高。

6）适当降低工频电源电压；目前变频器电源侧一般采用不可控整流桥，电源电压高，中间直流回路电压也高，电源电压为380V、400V、450V时，直流回路电压分别为537V、565V、636V.有的变频器距离变压器很近，变频器输入电压高达400V以上，对变频器中间直流回路承受过电压能力影响很大，在这种情况下，如果条件允许可以将变压器的分接开关放置在低压档，通过适当降低电源电压的方式，达到相对提高变频器过电压能力的目的。

6 过电压故障处理对策在实际中应用

以我厂干燥机设备为大惯性设备为例，原控制模式选择为：DTC( 直接转矩控制 )模式下的转速控制。ACS880电机控制基于直接转矩控制 (DTC)，是ABB传动高级电机控制平台。输出的半导体开关控制，可精确控制电机的定子磁通和转矩。只有在实际转矩和定子磁通值与给定值不同并超过允许的磁饱和现象时开关频率会发生改变。电机控制需要测量直流电压和电机两个相电流。当变频器所带负载为高惯性负载时，运行时会因负载拖动电机反向发电导致不断产生直流高电压，而由于变频器参数“30.30 过压控制”保护调节功能的作用。当变频器的直流电压超过过压控制限值，过压控制器会自动提高电机运行转速，从而抵消负载拖动电机产生的变频器过电压，导致干燥机运行转速在给定值上下周期性波动。

依据ABB880设置参数，做如下更改：

1）将现变频器换型为带内置制动单元，重载功率大一型号变频器，同时增加“制动电阻箱”，增加外部制动电阻。

2）关闭“30.30 过压控制”保护调节功能后，在变频器显示面板上可见，变频器直流电压周期性变化增大，增加的制动单元及制动电阻元件频繁工作，将负载拖动电机的动能转化为电阻发热，解决了变频器直流过电压。

3）增益过大可能会引起速度振荡，将速度控制器设置中“25.02比例增益”由“10”更改为“5”：将此参数减小后，运行中干燥机的电流波动小幅度减少。

4）将变频器控制方式由“DTC( 直接转矩控制 )”模式更改为“标量电机控制模式”,电机启动后运行电流波动减小，变频器输出转速较稳定。

7 结束语

    变频器直流过电压故障是变频器的一个弱点，关键是要分清来历，结合变频器自己参数及所带设备特点，理清源头制定相应的对策，才能依情分项解决，不断探索尝试，该过电压隐患是不难处置的。

参考文献 

[1] ABB    ACS880  基本控制程序固件手册, 2015（05）

[2]周志敏. 变频器的控制方式及应用选型[J]. 变频器世界,2018(02):44-47.

[3]尹天平. 变频器故障实例分析和处理[J]. 冶金动力,2018(11):5-8+16.

[4]乔宏琦,吕艳秋,李猛. 变频器过电压故障分析及处理与防护研究[J]. 科技创新与应用,2019(03):132-133.