變頻器過壓故障分析及對策

聶夢麒，劉 麗

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063000）

0 引 言

冷軋在冶金領域中處于至關重要的地位。在冷軋生產線中，設備驅動大多采用變頻調速形式的交流調速電機。由于冷軋生產線對設備運行的穩定性和連續性要求極高，一旦變頻器出現故障，將會造成整條生產線停車，從而產生巨大經濟損失。因此，交流變頻調速系統在冷軋設備中處于重要地位，變頻器故障的快速排除及預防對策是冷軋設備管理工作中的一項重要內容。

1 變頻器工作原理及過壓故障分析

1.1 變頻器的工作原理

變頻器主電路通常包括三相橋式整流模塊、直流回路及逆變器模塊三部分，其電路原理如圖1所示[1]。

變頻器過壓保護是指變頻器工作時，電路中間直流回路電壓峰值超出最高設定值，為確保變頻器元器件的穩定性及使用安全而采取的停機保護措施，此時面板上顯示“OU”。當變頻器中間直流回路電壓過高時，會使電機磁路處于飽和狀態，勵磁電流增大，進而造成電機過熱，并且過高的電壓脈沖幅度還會損害電機的絕緣，從而直接影響電機的使用壽命。因此，變頻器過壓保護是確保變頻器及電機長時間安全運行的重要保護機制。

通常，電路中間直流回路的電壓為三相電壓整流濾波后的平均值，當取380 V時，直流回路電壓Ud=380×1.414=537 V[2]。電壓升高時，直流回路中主電容兩端的電壓隨之升高，兩端電壓繼續增加并超過主電容額定電壓時，便會觸發變頻器過壓保護[2]。

圖1 變頻器主電路原理圖

1.2 變頻器過電壓原因分析

變頻器發生過電壓最常見的原因是負載端故障。此類過電壓故障是由于電機因某種原因產生了再發電，即電機的瞬間實際轉速超過了變頻器的輸出轉速，使得被驅動負載所攜帶的動能通過電機轉子轉化為電能，電壓通過逆變模塊中的續流二極管（D1～D6）傳至直流母線端，主電容C進行充電，加上再生電壓無法通過三相橋式整流模塊，從而造成直流母線端的電壓升高。當直流母線端電壓超過檢測值時，便會引發變頻器過壓保護。

因負載端引起的變頻器過電壓保護有如下幾種情況。

（1）未開啟減速過壓自處理功能，且減速時間設定過短。變頻器通常均設置有減速過壓自處理功能。當系統減速后產生再生發電時，變頻器的輸出轉速會自動停止下降，直至電機實際轉速逐漸下降并接近輸出轉速時，直流母線端電壓降低，變頻器的輸出轉速才會繼續降低。若該功能未被投入使用，且變頻器的減速設定時間較短，對于慣性較大的負載減速，變頻器輸出轉速下降較快，而電機實際轉速下降緩慢，此時變頻器輸出轉速低于電機實際轉速，系統則會產生再生發電，易造成直流母線端電壓過高而觸發過壓保護。

（2）電機的位能負載下降過快。此時系統中會生成較多回饋能量，當回饋能量超過變頻器的能量處理能力時，便會觸發過壓保護。

（3）電機負載突然降低。當負載因某種原因突然降低時，電機實際轉速迅速升高并超過變頻器的輸出轉速，系統產生再生發電，直流母線端電壓瞬間升高，觸發過壓保護。

（4）同一負載由多個電機驅動，負荷分布不均。由于電機間的負荷不同，電機轉速必然存在差異，此時轉速較慢的電機處于再生發電狀態，從而觸發過壓保護。

引起變頻器過電壓保護的其他原因具體如下。

（1）輸入端電流電壓升高，導致中間直流回路電壓升高，造成變頻器過電壓。

（2）諧波干擾。除變頻器工作環境中的諧波干擾外，變頻器自身也會產生較強的高次諧波。當受到干擾產生的諧波電壓高于中間直流回路電壓時，便會引發過電壓故障。

（3）變頻器直流回路中電容C的容量降低。若變頻器使用時間較長，電機存在回饋發電現象，直流回路中電容C的容量不可避免會降低，回路對直流電壓的調節能力隨之下降，相同工作環境下更容易觸發過壓保護。

（4）當斷開或閉合電閘、遭遇雷擊時，在補償電容端產生的瞬間沖擊電壓也會引發變頻器過電壓保護。

以最常見的380 V電源為例，電壓允許偏差為±5%。通過三相橋式整流模塊后，中間直流母線端的電壓最大值為591 V，即使電源電壓因異常升至450 V，中間直流母線端電壓僅為636 V，遠低于變頻器默認過壓保護電壓（800 V）。因此，變頻器通常情況下不會因電源電壓波動而發生過電壓故障。只有在特有的極少情況下，如雷擊使電源側產生過高的沖擊電壓而引發過電壓。

變頻器再生發電是因變頻器輸出減速時間相對于負載減速時間過小且通常未投入再生發電自處理功能所致[3]。變頻器頻率調整方式包括手動設定和自動設定兩種。手動時，變頻器輸入為4～20 mA固定的電流信號，其運行頻率為固定值。自動時，外部壓力、溫度等參數設定好后，變頻器頻率會隨這些參數的變化而自行調節；當其中的某一參數發生較大波動時，變頻器頻率隨之產生較大變化，加減速也就更加頻繁，因此更容易因電機的再生發電引發變頻器過壓故障。

2 變頻器過電壓故障的處理方法

首先應根據變頻器過電壓故障的特點來判斷其類型和故障部位，從而快速鎖定故障原因，采取有效的處理措施。若過電壓故障為偶然發生，則多因電機負載空降、電機堵轉、保護電路損壞及外部控制線路斷路等造成；若同部位過電壓故障經常發生，則多是由于工藝參數設定不合理、變頻器輸出減速給定時間較短造成。重新啟動變頻器，如果故障得到排除，則通常為系統軟故障，若故障未能消除，則多是因變頻器硬件電路問題所致。

2.1 觀察并重新設定變頻器內部參數

發生變頻器過電壓故障后，首先要觀察變頻器參數設定，可從兩方面入手：檢查變頻器是否開啟了過電壓自處理功能；檢查變頻器減速時間設定是否合理。更改變頻器減速時間時，要考慮工藝流程對負載減速時間的硬性要求，無此要求的，可通過適當增加減速時間來排除變頻器過電壓故障[4]。同時，需注意，增加減速時間時應保證減速的線性特性，修改跨度不宜過大，做到負載動能的緩慢釋放。

2.2 工藝參數分析，解決負載突變

由電機負載突變引起的變頻器過電壓故障首選該方法。分析工藝參數，找出引起負載突變的原因，然后通過調整工藝流程或參數來避免負載發生突變。若在工藝流程中負載突變無法避免，則可以找出負載突變的規律，通過調整控制系統，在發生負載突變前，相應改變變頻器輸出頻率，使其與負載突變保持一致，從而減少輸出端產生的再生電壓回饋至中間直流母線端，從而排除過電壓故障。

2.3 適當提高中間直流回路電容的容量

電容是中間直流回路中的關鍵元件，起著提高直流回路承壓能力和穩定電壓的作用。適當提高中間直流回路電容的容量能有效消除過壓保護故障。變頻器長期使用造成電容容量降低時，應及時更換電容。

2.4 采用制動電阻

對于功率低于7.5 kW的變頻器，其內部均設置有制動電阻，當中間直流母線電壓超過一定值時，制動電阻會被串入回路并消耗回路中的再生能量。對于高功率變頻器則需要結合現場實際工況來設置制動電阻及其控制單元。

2.5 并聯直流母線

同一負載由多臺電機驅動時可采取該方法。每臺電機配備一臺逆變器，并將其并聯接入公共直流母線。工作時，處于制動狀態的電機所產生的大部分再生電壓經直流母線被其他電機吸收，剩余的再生能量則通過制動電阻消耗殆盡。

3 變頻器的日常維護方法

3.1 變頻器的工作環境要求

變頻器對環境溫度的要求通常為-5～40 ℃。文獻表明，變頻器的故障率與環境溫度有直接關系，并隨環境溫度的升高而增加，因此夏季變頻器故障率通常要高于冬季[5]。環境溫度過高時，變頻器模塊不能及時散熱，從而更易導致模塊燒毀。環境清潔度也是影響變頻器運行穩定性和使用壽命的關鍵因素。因此，對變頻器進行日常維護時，要嚴格控制變頻器的環境溫度，保持良好的通風，炎熱時可采取空調制冷措施。保持清潔的環境，避免嚴重的粉塵污染，并定期對變頻器內部的灰塵進行清掃。確保變頻器工作環境干燥，特別是多雨、潮濕的季節，應有可靠的防雨措施，同時避免因空氣溫差在變頻器柜內形成結露。

3.2 變頻器日常巡視維護方法

（1）定期巡視并記錄人機界面上的各參數，有異常時及時排查；（2）定期清掃變頻室，并保持干凈整潔，降低粉塵污染；（3）控制和記錄變頻器室環境溫度，并保持在-5～40 ℃，移相變壓器溫升不得大于130 ℃；（4）定期清掃變頻器柜門過濾網，確保濾網保持良好的通風；（5）多雨、潮濕季節，有良好的防雨、防潮措施；（6）定期檢查變頻室內的通風、制冷設施運轉是否正常，如通風扇、空調等，檢查照明設施工作是否良好。

4 結 論

本文簡要說明了變頻器的控制原理，分析了變頻器過壓故障的主要原因，并指出了變頻器過電壓故障的判斷及處理方法，以期為相關人員提供參考。