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引起变频调速系统过电压的原因


《电气与电控》 / 2012-06-07

    所谓变频器的过电压,是指由于各种原因造成的变频器电压超过额定电压。变频器的过电压集中表现在直流母线的直流电压上。正常情况下,变频器直流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Uav=1. 35UAC=513V。在发生过电压时,直流母线的储能电容将被充电,当电压上至760V左右时,则对变频器实施过电压保护动作2959340。常见的变频器过电压有输入交流电源过压和再生类过电压。


    (1)输入交流电源过电压。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。


    这种情况是指变频器输入电压超过正常范围,一般发生在供电系统负载较轻时,使供电系统电压升高,对此采用有载调压电力变压器是有效的解决措施。而对电力系统出现故障时引起的电压升高,如电力系统由于谐振而引起的电压升高,此时应断开变频器电源,检查电力系统故障,待故障排除后再投入变频器电源开关。


    另一类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du/dt和幅值都很大。例如,由于雷电串入变频器的电源中,使变频器直流侧的电压检测器动作而跳闸,在这种情况下,通常只需断开变频器电源1min左右,再合上电源,即可复位。
 

    (2)操作过电压。操作过电压可分为以下几种:


    1)分断变压器出现的过电压。按照截流过电压形成的理论,当断开变压器时,变压器电感中的电流不能突变2959353,其中存储的磁场能量在变压器励磁电感和对地电容间形成振荡,从而出现过电压。


    2)变压器带负载合闸产生的过电压。在实际试验中,合空载变压器曾检测到数倍于电源电压的过电压,其物理原理为:空载变压器仍可等值于一个励磁电感与变压器本身的等效电容的并联,如果变压器的中性点不接地,开关又是非周期合闸(一相或两相先合),由于馈线电容、变压器对地电容、纵向电容与变压器电感产生振荡,结果产生较高的过电压,特别是变压器中性点过电压较高。


    虽然变压器基本上都是带负载合闸,但是变压器带上负载后合闸也会产生过电压,只是相对空载时要小些。在负载中有比较大的电容,由于电容的储能不会突然增加,再加上输送电缆在传输高频率的振荡电压时有对地分布电容,这些电容对过电压有吸收作用。这两者的共同作用使变压器在合闸过程中的过电压受到抑制,但有时候其数值仍然很高,甚至有可能高出元件的耐压值,这是很危险的。


    3)整流元件的换向过电压。整流元件在换向时,由于电压变化率很高,不仅会损坏元件,而且还会产生电磁干扰。


    (3)再生类过电压。产生再生过电压的主要原因有:当GD2(飞轮力矩)负载减速时变频器减速时间设置过短;电动机受外力影响(风机、牵伸机)或位能负载(电梯、起重机)下放。由于这些原因,使电动机实际转速高于变频器的指令转速,即电动机转子转速超过同步转速,此时电动机的转差率为负,转子绕组切割旋转磁场的方向与电动机状态时相反,产生的电磁转矩为阻碍旋转方向的制动转矩。因此,电动机实际上处于发电状态,负载的动能被“再生”成为电能。再生能量经逆变部分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P181120,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,因变频器与电动机本身具有20%的再生制动能力这部分能量将被变频器及电动机消耗掉。若这部分能量超过了变频器与电动机的消耗能力,直流回路的电容将被充电,变频器的过电压保护功能动作,使运行停止。为避免发生这种情况,必须将这部分能量及时处理掉,同时也提高了制动转矩,这就是再生制动的目的。


    变频器负载突降会使负载的转速明显上升,使电动机进入再生发电状态,从负载侧向变频器中间直流回路回馈能量,短时间内能量的集中回馈可能会超出中间直流回路及其能量处理单元的承受能力而引发过电压故障。工艺流程限定了负载的减速时间,合理设置相关参数也不能减缓这一故障,系统也没有采取处理多余能量的措施,必然引发过电压跳闸故障。   


  多个电动机拖动同一个负载时会出现再生类过电压故障,主要由于因负载匹配不佳引起。以两台电动机拖动一个负载为例,当一台电动机的实际转速大于另一台电动机的同步转速时,则转速高的电动机相当于原动机,转速低的处于发电状态,而引起再生类过电压。处理此类故障时需在传动系统增加负载分配控制装置,可以把处于传动速度链分支的变频器特性调节得软一些。


    再生过电压主要表现为3种现象:加速时过电压、减速时过电压、恒速时过电压。主要是指由于某种原因使电动机处于再生发电状态时,即电动机处于实际转速比变频频率决定的同步转速高的状态,此时负载的传动系统中所存储的机械能经电动机转化成电能,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,达到过电压限值而使保护动作。
 

    (4)未使用变频器减速过电压自处理功能。大多数变频器为了避免过电压保护动作,专门设置了减速过电压的自处理功能。如果在减速过程中,直流电压超过了设置的电压上限值,变频器的输出频率将不再下降,暂缓减速,待直流电压下降到设置值以下后再继续减速。如果减速时间设置得不合适P182054,又没有利用减速过电压的自处理功能,就可能出现过电压保护动作故障。


    (5)变频器在运行多年后,中间直流回路电容容量下降将不可避免,中间直流回路对直流电压的调节程度减弱,在工艺状况和设置参数未曾改变的情况下,发生变频器过电压跳闸的几率会增大,此时需要对中间直流回路电容器容量下降的情况进行检查。


    (6)制动电阻值过大,无法及时释放回馈的能量而造成过电压。降速过程中制动单元没有工作或制动单元放电太慢,即制动电阻太大;变频器内部过电压保护电路有故障,来不及放电;制动电阻和制动单元放电支路发生故障,实际并不放电。

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