变频器基础讲座（八）--过电压的原因及其对策

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变频器基础讲座（八）--过电压的原因及其对策
一、 前 言
　　变频器在调试与使用过程中经常会遇到各种各样的问题，其中过电压现象最为常见。过电压产生后，变频器为了防止内部电路损坏，其过电压保护功能将动作，使变频器停止运行，导致设备无法正常工作。因此必须采取措施消除过电压，防止故障的发生。由于变频器与电机的应用场合不同，产生过电压的原因也不相同，所以应根据具体情况采取相应的对策。

二、过电压的产生与再生制动
　　所谓变频器的过电压，是指由于种种原因造成的变频器电压超过额定电压，集中表现在变频器直流母线的直流电压上。正常工作时，变频器直流部电压为三相全波整流后的平均值。若以380V线电压计算，则平均直流电压Ud=1.35U线=513V。在过电压发生时，直流母线上的储能电容将被充电，当电压上升至700V左右时，（因机型而异）变频器过电压保护动作。造成过电压的原因主要有两种：电源过电压和再生过电压。电源过电压是指因电源电压过高而使直流母线电压超过额定值。而现在大部分变频器的输入电压最高可达460V，因此，电源引起的过电压极为少见。本文主要讨论的问题是再生过电压。产生再生过电压主要有以下原因：当大GD2（飞轮力矩）负载减速时变频器减速时间设定过短；电机受外力影响（风机、牵伸机）或位能负载（电梯、起重机）下放。由于这些原因，使电机实际转速高于变频器的指令转速，也就是说，电机转子转速超过了同步转速，这时电机的转差率为负，转子绕组切割旋转磁场的方向与电动机状态时相反，其产生的电磁转矩为阻碍旋转方向的制动转矩。所以电动机实际上处于发电状态，负载的动能被"再生"成为电能。再生能量经逆变部续流二极管对变频器直流储能电容器充电，使直流母线电压上升，这就是再生过电压。因再生过电压的过程中产生的转矩与原转矩相反，为制动转矩，因此再生过电压的过程也就是再生制动的过程。换句话说，消除了再生能量，也就提高了制动转矩。如果再生能量不大，因变频器与电机本身具有20%的再生制动能力，这部分电能将被变频器及电机消耗掉。若这部分能量超过了变频器与电机的消耗能力，直流回路的电容将被过充电，变频器的过电压保护功能动作，使运行停止。为避免这种情况的发生，必须将这部分能量及时的处理掉，同时也提高了制动转矩，这就是再生制动的目的。

三、过电压的防止措施
　　由于过电压产生的原因不同，因而采取的对策也不相同。对于在停车过程中产生的过电压现象，如果对停车时间或位置无特殊要求，那么可以采用延长变频器减速时间或自由停车的方法来解决。所谓自由停车即变频器将主开关器件断开，让电机自由滑行停止。如果对停车时间或停车位置有一定的要求，那么可以采用直流制动（DC制动）功能。直流制动功能是将电机减速到一定频率后，在电机定子绕组中通入直流电，形成一个静止的磁场。电机转子绕组切割这个磁场而产生一个制动转矩，使负载的动能变成电能以热量的形式消耗于电机转子回路中，因此这种制动又称作能耗制动。在直流制动的过程中实际上包含了再生制动与能耗制动两个过程。这种制动方法效率仅为再生制动的30-60％，制动转矩较小。由于将能量消耗于电机中会使电机过热，所以制动时间不宜过长。而且直流制动开始频率，制动时间及制动电压的大小均为人工设定，不能根据再生电压的高低自动调节，因而直流制动不能用于正常运行中产生的过电压，只能用于停车时的制动。对于减速（从高速转为低速，但不停车）时因负载的GD2（飞轮转矩）过大而产生的过电压，可以采取适当延长减速时间的方法来解决。其实这种方法也是利用再生制动原理，延长减速时间只是控制负载的再生电压对变频器的充电速度，使变频器本身的20%的再生制动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）而使电机处于再生状态的负载，因其正常运行于制动状态，再生能量过高无法由变频器本身消耗掉，因此不可能采用直流制动或延长减速时间的方法。再生制动与直流制动相比，具有较高的制动转矩，而且制动转矩的大小可以跟据负载所需的制动力矩（即再生能量的高低）由变频器的制动单元自动控制。因此再生制动最适用于在正常工作过程中为负载提供制动转矩。

四、再生制动的方法：
1． 能量消耗型：这种方法是在变频器直流回路中并联一个制动电阻，通过检测直流母线电压来控制一个功率管的通断。在直流母线电压上升至700V左右时，功率管导通，将再生能量通入电阻，以热能的形式消耗掉，从而防止直流电压的上升。由于再生能量没能得到利用，因此属于能量消耗型。同为能量消耗型，它与直流制动的不同点是将能量消耗于电机之外的制动电阻上，电机不会过热，因而可以较频繁的工作。
2．并联直流母线吸收型：适用于多电机传动系统（如牵伸机），在这个系统中，每台电机均需一台变频器，多台变频器共用一个网侧变流器，所有的逆变部并接在一条共用直流母线上。这种系统中往往有一台或数台电机正常工作于制动状态，处于制动状态的电机被其它电动机拖动，产生再生能量，这些能量再通过并联直流母线被处于电动状态的电机所吸收。在不能完全吸收的情况下，则通过共用的制动电阻消耗掉。这里的再生能量部分被吸收利用，但没有回馈到电网中。
3． 能量回馈型：能量回馈型的变频器网侧变流器是可逆的，当有再生能量产生时，可逆变流器将再生能量回馈给电网，使再生能量得到完全利用。但这种方法对电源的稳定性要求较高，一旦突然停电，将发生逆变颠覆。

五、再生制动的应用
　　一条化纤长丝牵伸生产线，由三台牵伸机组成，分别由三台电机驱动。一辊电机功率22KW、4极，采用蜗杆减速器，速比为25：1；二辊电机功率37KW、4极，蜗杆减速器，速比16：1；三辊电机功率45KW，采用圆柱齿轮减速器，速比6：1。电机分别采用华为TD2000-22KW三垦IHF37K，45K变频器驱动。三台变频器根据牵伸比及速比采用比例控制。它的工作过程是这样的：丝束绕在一辊、二辊、三辊上，由变频器控制三辊之间不同的速度对丝束进行牵伸。开车调试时因牵伸比小，丝束总旦较低，系统开车正常。在投产一段时间后，由于工艺调整，增大了牵伸比及丝束总旦，（牵伸比由工艺决定，总旦通俗的说，就是丝束的粗细及根数多少，总旦越高，丝束越粗。牵伸倍数或总旦越大，三辊对二辊、一辊的拖力越大。）这时出现了问题。开车时间不长，一辊变频器频繁显示SC（过电压防止），二辊变频器偶尔也有这种现象。时间稍长，一辊变频器保护停机，故障显示E006（过电压）。通过对故障现象进行仔细的分析，得出以下结论：由于一辊与二辊之间的牵伸比占总牵伸倍数的70%，而二辊、三辊电机功率均大于一辊，因此一辊电机实际工作于发电状态，它必须产生足够的制动力矩，才能保证牵伸倍数。二辊则根据工艺状况工作于电动与制动状态之间，只有三辊为电动状态。也就是说，一辊变频器若不能将电机产生的再生能量处理掉，它就不能产生足够的制动力矩，那么将会被二辊"拖跑"。被"拖跑"的主要原因在于变频器为防止过电压跳闸而采取的自动提高输出频率的功能（即"SC"失速防止功能）。变频器为了降低再生能量，将会自动增加电机转速，试图降低再生电压，但是因再生能量过高，所以并不能阻止过电压的发生。因此，问题的焦点是必须保证一辊、二辊电机具有足够的制动力矩。增加一辊、二辊电机及变频器容量可以达到这个目的，但这显然是不经济的。而将一辊、二辊产生的过电压及时处理掉，不让变频器的直流电压升高，也能够提供足够的制动力矩。由于在系统设计时未考虑到这点，采用共用直流母线吸收型或能量回馈型的方法已不可能。经仔细论证，只有采用将一辊、二辊变频器各增加一组外接制动单元的方案。经计算选用了两组华为 TDB-4C01-0300制动组件。开车后两组制动单元电阻尤其是一辊制动阻工作频率非常之高，说明我们的分析是正确的。整个系统运行近一年，再也没有发生过过电压现象。

六、结束语
　　本文详细说明了变频器产生过电压的各种原因及相应的防止措施，讨论了再生制动的几种方式，并通过应用实例对过电压的防止及再生制动的应用进行了仔细的分析。结果证明，再生制动功能是解决过电压现象的最主要的方法。
变频器基础讲座（九）--压频比的正确设定
一、引言
　　随着变频调速技术的发展，变频器调速已成为交流调速的主流，在化纤、纺织、钢铁、机械、造纸等行业得到广泛的应用。由于通用变频器一般采用V/f控制，即变压变频（VVVF）方式调速，因此，变频器在使用前正确地设定其压频比，对保证变频器的正常工作至关重要。变频器的压频比由变频器的基准电压与基准频率两项功能参数的比值决定，即基准电压/基准频率=压频比。基准电压与基准频率参数的设定，不仅与电动机的额定电压与额定频率有关（电机的压频比为电机的额定电压与额定频率之比），而且还必须考虑负载的机械特性。对于普通异步电机在一般调速应用时，其基准电压与基准频率按出厂值设定（基准电压380V，基准频率50Hz），即满足使用要求。但对于某些行业使用的较特殊的电机，就必须根据实际情况重新设定基准电压与基准频率的参数。由于变频器使用说明书以及有关书籍中没有对这两个参数作详细介绍，因此正确的设定该参数对于不少使用者来说，并非很容易的事。为此，本文结合变频调速的基本控制方式及负载的机械特性与基准电压、基准频率参数的关系，列举实例，详细说明基准电压与基准频率参数的设定方法。

二、变频调速的基本控制方式与基准电压、基准频率的关系
　　电机用变频器调速时有两种情况--基频（基准频率）以下调速和基频以上调速（见图1）。必须考虑的重要因素是：尽量保持电机主磁通为额定值不变。如果磁通过弱（电压过低），电机铁心不能得到充分利用，电磁转矩变小，负载能力下降。如果磁通过强（电压过高），电机处于过励磁状态，电机因励磁电流过大而严重发热。根据电机原理可知，三相异步电机定子每相电动势的有效值： E1=4.44f1N1Φm 式中：E1--定子每相由气隙磁通感应的电动势的有效值，V ；f1--定子频率，Hz；N1--定子每相绕组有效匝数 ；Φm-每极磁通量 由式中可以看出，Φm的值由E1/f1决定，但由于E1难以直接控制，所以在电动势较高时，可忽略定子漏阻抗压降，而用定子相电压U1代替。那么要保证Φm不变，只要U1/f1始终为一定值即可。这是基频以下调时速的基本情况，为恒压频比（恒磁通）控制方式，属于恒转矩调速。从图1可以看出，基准频率为恒转矩调速区的最高频率，基准频率所对应的电压为即为基准电压，是恒转矩调速区的最高电压，在基频以下调速时，电压会随频率而变化，但两者的比值不变。 在基频以上调速时，频率从基频向上可以调至上限频率值，但是由于电机定子不能超过 电机额定电压，因此电压不再随频率变化，而保持基准电压值不变，这时电机主磁通必须随频率升高而减弱，转矩相应减小，功率基本保持不变，属于恒功率调速区。由图1可见，基准频率为恒功率调速区的最低频率，是恒转矩调速区与恒功率调速区的转折点，而基准电压值在整个恒功率调速区内不再随频率变化而改变。

三、负载的机械特性与基准电压，基准频率的设定
　　合理地使用变频器，必须了解所驱动负载的机械特性。根据不同的使用目的，负载基本上可分为恒转矩负载、恒功率负载以及平方转矩负载等三类。恒转矩负载其所需转矩基本不受速度变化的影响（T=定值），对于该类负载，变频器的整个工作区最好运行在基频以下，这时变频器的输出特性正好能满足负载的要求。恒功率负载在转速越高时，所需转矩越小（T×N=定值），对于恒功率负载来说，电机的工作频率若运行在基频以上，其所要求的机械特性将与变频器的输出特性相吻合。至于平方转矩负载，它所要求的转矩与转速的平方成正比（T/N2=定值），电机应运行在基频以下较为合理。需要注意的是：平方转矩负载的工作频率绝不能超过工频（除非变频器容量大一个等级）。否则变频器与电机将严重过载。

四、设定实例
例一 ：一台化纤纺丝计量泵电机型号为FTY-550-6，既550W 6极三相永磁同步电动机。铭牌参数如下：工作电压：62.5 - 125 - 475V，工作频率：25 - 50 - 190HZ，电机功率：275 - 550 - 2090W，转速：500 - 1000 - 3800R/min，电流：4A。其工作范围较宽，铭牌参数与一般异步电动机不同，左边的数值为电机正常工作时（不失步）的下限，右边数值为电机正常工作时的最大值，中间值为额定值（50HZ）。该电机压频比为125V/50HZ=2.5，使用三 垦SAMCO-I 1HF1.5K变频器。若只按电机参数设定，电机的额定电压与额定频率值既为变频器的基准电压与基准频率值，基准电压（代码为CD005）设为125V，基准频率（CD006）为50HZ（出厂值）不变，这样设定，电机工作在基频以下时，电机驱动计量泵毫无问题，但计量泵属于恒转矩负载，若在计量泵要求较高转速（如90HZ）时，那么频率虽然可调至90HZ，但此时电机工作电压仍为125V，实际压额比为125/90HZ=1.39，电磁转矩变小，无法提供负载所需转矩，使计量泵不能正常工作。正确的设定应为：CD005=475V，CD006=190HZ，在这里基准电压虽设为475V，但由于变频器不具有升压功能，其实际输出电压由输入电压的最大值决定，所以这样设定只对增大V/F图形的斜率有效，并不真能达到475V。因此也可以这样设定：CD005=380V，CD006=152HZ，变频器的压频比仍为380V/152HZ=2.5不变，电机整个工作段都处于恒转矩调速范围，满足了负载特性的要求。
例2：一台纺织用三相异步调速电动机，额定功率60W，额定电压110V，额定频率50HZ，调速范围40-110HZ，额定电流0。34A，4极，因此该电机的压频比为110V/50HZ=2。2。所驱动负载为恒功率特性。驱动变频器原来准备用富士FRN1。5G11S-4CX（驱动六台电机）但该变频器的基准电压（富士变频器额定电压）最低只能调到320V，根据电机的压频比，要保证电机运行在50HZ时工作电压为110V，电机能正常工作。但该负载工作转速调节范围较宽，如果要求运行在110HZ那么此时电机电压将达到242V，高出额定电压一倍多，其结果可想而知。若以110HZ时电机工作电压为110V来设定，则设额定电压为320V（最低值），基准频率为320HZ，那么电机运行在110HZ时，电压正好为电机额定电压。但这时变频器的压频比为320V/320HZ=1，因此在电机运行于40HZ时，其电压仅为40V，显然没有足够的功率驱动负载。所以该型富士变频器不能满足使用要求。改用三星SAMCO-I IHF1.5K变频器，设基准电压CD005=110V，基准频率CD006=50HZ，这样电机从50-110HZ调速时其电压值保持在110V不变，电机工作在恒功率调速区，与负载的机械特性相符，不会再有超过电机额定电压或功率不足的现象发生。

五、结束语
　　本文详细阐述了根据负载的机械特性和电机参数设定变频器的基准电压和基准频率的方法，可以看出，正确的设定好变频器的基准电压，基准频率，既能充分利用变频器的性能，又能满足负载对变频器的要求。如果设定不当，变频器与电机甚至不能工作。因此，正确的设定变频器的压频比是使用好变频器的关键。