變頻器過電壓的原因及其對策

一、 前 言：

變頻器在調試與使用過程中經常會遇到各種各樣的問題，其中過電壓現(xiàn)象最為常見。

過電壓產生后，變頻器為了防止內部電路損壞，其過電壓保護功能將動作，使變頻器停止運行，導致設備無法正常工作。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用場合不同，產生過電壓的原因也不相同，所以應根據具體情況采取相應的對策。

二、過電壓的產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。產生再生過電壓主要有以下原因：當大GD2（飛輪力矩）負載減速時變頻器減速時間設定過短；電機受外力影響（風機、牽伸機）或位能負載（電梯、起重機）下放。由于這些原因，使電機實際轉速高于變頻器的指令轉速，也就是說，電機轉子轉速超過了同步轉速，這時電機的轉差率為負，轉子繞組切割旋轉磁場的方向與電動機狀態(tài)時相反，其產生的電磁轉矩為阻礙旋轉方向的制動轉矩。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生的轉矩與原轉矩相反，為制動轉矩，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。電機轉子繞組切割這個磁場而產生一個制動轉矩，使負載的動能變成電能以熱量的形式消耗于電機轉子回路中，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定，不能根據再生電壓的高低自動調節(jié)，因而直流制動不能用于正常運行中產生的過電壓，只能用于停車時的制動。對于減速（從高速轉為低速，但不停車）時因負載的GD2（飛輪轉矩）過大而產生的過電壓，可以采取適當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，具有較高的制動轉矩，而且制動轉矩的大小可以跟據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側變流器，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，但沒有回饋到電網中。

3． 能量回饋型：能量回饋型的變頻器網側變流器是可逆的，當有再生能量產生時，可逆變流器將再生能量回饋給電網，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、再生制動的應用

一條化纖長絲牽伸生產線，由三臺牽伸機組成，分別由三臺電機驅動。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變頻器驅動。三臺變頻器根據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。開車調試時因牽伸比小，絲束總旦較低，系統(tǒng)開車正常。在投產一段時間后，由于工藝調整，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，