聶夢(mèng)麒，劉 麗

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000）

0 引 言

冷軋?jiān)谝苯痤I(lǐng)域中處于至關(guān)重要的地位。在冷軋生產(chǎn)線中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)大多采用變頻調(diào)速形式的交流調(diào)速電機(jī)。由于冷軋生產(chǎn)線對(duì)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和連續(xù)性要求極高，一旦變頻器出現(xiàn)故障，將會(huì)造成整條生產(chǎn)線停車，從而產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在冷軋?jiān)O(shè)備中處于重要地位，變頻器故障的快速排除及預(yù)防對(duì)策是冷軋?jiān)O(shè)備管理工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

1 變頻器工作原理及過(guò)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(guò)壓保護(hù)是指變頻器工作時(shí)，電路中間直流回路電壓峰值超出最高設(shè)定值，為確保變頻器元器件的穩(wěn)定性及使用安全而采取的停機(jī)保護(hù)措施，此時(shí)面板上顯示“OU”。當(dāng)變頻器中間直流回路電壓過(guò)高時(shí)，會(huì)使電機(jī)磁路處于飽和狀態(tài)，勵(lì)磁電流增大，進(jìn)而造成電機(jī)過(guò)熱，并且過(guò)高的電壓脈沖幅度還會(huì)損害電機(jī)的絕緣，從而直接影響電機(jī)的使用壽命。因此，變頻器過(guò)壓保護(hù)是確保變頻器及電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間安全運(yùn)行的重要保護(hù)機(jī)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(dāng)取380 V時(shí)，直流回路電壓Ud=380×1.414=537 V[2]。電壓升高時(shí)，直流回路中主電容兩端的電壓隨之升高，兩端電壓繼續(xù)增加并超過(guò)主電容額定電壓時(shí)，便會(huì)觸發(fā)變頻器過(guò)壓保護(hù)[2]。

圖1 變頻器主電路原理圖

1.2 變頻器過(guò)電壓原因分析

變頻器發(fā)生過(guò)電壓最常見(jiàn)的原因是負(fù)載端故障。此類過(guò)電壓故障是由于電機(jī)因某種原因產(chǎn)生了再發(fā)電，即電機(jī)的瞬間實(shí)際轉(zhuǎn)速超過(guò)了變頻器的輸出轉(zhuǎn)速，使得被驅(qū)動(dòng)負(fù)載所攜帶的動(dòng)能通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)化為電能，電壓通過(guò)逆變模塊中的續(xù)流二極管（D1～D6）傳至直流母線端，主電容C進(jìn)行充電，加上再生電壓無(wú)法通過(guò)三相橋式整流模塊，從而造成直流母線端的電壓升高。當(dāng)直流母線端電壓超過(guò)檢測(cè)值時(shí)，便會(huì)引發(fā)變頻器過(guò)壓保護(hù)。

因負(fù)載端引起的變頻器過(guò)電壓保護(hù)有如下幾種情況。

（1）未開(kāi)啟減速過(guò)壓自處理功能，且減速時(shí)間設(shè)定過(guò)短。變頻器通常均設(shè)置有減速過(guò)壓自處理功能。當(dāng)系統(tǒng)減速后產(chǎn)生再生發(fā)電時(shí)，變頻器的輸出轉(zhuǎn)速會(huì)自動(dòng)停止下降，直至電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速逐漸下降并接近輸出轉(zhuǎn)速時(shí)，直流母線端電壓降低，變頻器的輸出轉(zhuǎn)速才會(huì)繼續(xù)降低。若該功能未被投入使用，且變頻器的減速設(shè)定時(shí)間較短，對(duì)于慣性較大的負(fù)載減速，變頻器輸出轉(zhuǎn)速下降較快，而電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速下降緩慢，此時(shí)變頻器輸出轉(zhuǎn)速低于電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)則會(huì)產(chǎn)生再生發(fā)電，易造成直流母線端電壓過(guò)高而觸發(fā)過(guò)壓保護(hù)。

（2）電機(jī)的位能負(fù)載下降過(guò)快。此時(shí)系統(tǒng)中會(huì)生成較多回饋能量，當(dāng)回饋能量超過(guò)變頻器的能量處理能力時(shí)，便會(huì)觸發(fā)過(guò)壓保護(hù)。

（3）電機(jī)負(fù)載突然降低。當(dāng)負(fù)載因某種原因突然降低時(shí)，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速迅速升高并超過(guò)變頻器的輸出轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)產(chǎn)生再生發(fā)電，直流母線端電壓瞬間升高，觸發(fā)過(guò)壓保護(hù)。

（4）同一負(fù)載由多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，負(fù)荷分布不均。由于電機(jī)間的負(fù)荷不同，電機(jī)轉(zhuǎn)速必然存在差異，此時(shí)轉(zhuǎn)速較慢的電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，從而觸發(fā)過(guò)壓保護(hù)。

引起變頻器過(guò)電壓保護(hù)的其他原因具體如下。

（1）輸入端電流電壓升高，導(dǎo)致中間直流回路電壓升高，造成變頻器過(guò)電壓。

（2）諧波干擾。除變頻器工作環(huán)境中的諧波干擾外，變頻器自身也會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的高次諧波。當(dāng)受到干擾產(chǎn)生的諧波電壓高于中間直流回路電壓時(shí)，便會(huì)引發(fā)過(guò)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(shí)間較長(zhǎng)，電機(jī)存在回饋發(fā)電現(xiàn)象，直流回路中電容C的容量不可避免會(huì)降低，回路對(duì)直流電壓的調(diào)節(jié)能力隨之下降，相同工作環(huán)境下更容易觸發(fā)過(guò)壓保護(hù)。

（4）當(dāng)斷開(kāi)或閉合電閘、遭遇雷擊時(shí)，在補(bǔ)償電容端產(chǎn)生的瞬間沖擊電壓也會(huì)引發(fā)變頻器過(guò)電壓保護(hù)。

以最常見(jiàn)的380 V電源為例，電壓允許偏差為±5%。通過(guò)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(yuǎn)低于變頻器默認(rèn)過(guò)壓保護(hù)電壓（800 V）。因此，變頻器通常情況下不會(huì)因電源電壓波動(dòng)而發(fā)生過(guò)電壓故障。只有在特有的極少情況下，如雷擊使電源側(cè)產(chǎn)生過(guò)高的沖擊電壓而引發(fā)過(guò)電壓。

變頻器再生發(fā)電是因變頻器輸出減速時(shí)間相對(duì)于負(fù)載減速時(shí)間過(guò)小且通常未投入再生發(fā)電自處理功能所致[3]。變頻器頻率調(diào)整方式包括手動(dòng)設(shè)定和自動(dòng)設(shè)定兩種。手動(dòng)時(shí)，變頻器輸入為4～20 mA固定的電流信號(hào)，其運(yùn)行頻率為固定值。自動(dòng)時(shí)，外部壓力、溫度等參數(shù)設(shè)定好后，變頻器頻率會(huì)隨這些參數(shù)的變化而自行調(diào)節(jié)；當(dāng)其中的某一參數(shù)發(fā)生較大波動(dòng)時(shí)，變頻器頻率隨之產(chǎn)生較大變化，加減速也就更加頻繁，因此更容易因電機(jī)的再生發(fā)電引發(fā)變頻器過(guò)壓故障。

2 變頻器過(guò)電壓故障的處理方法

首先應(yīng)根據(jù)變頻器過(guò)電壓故障的特點(diǎn)來(lái)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(guò)電壓故障為偶然發(fā)生，則多因電機(jī)負(fù)載空降、電機(jī)堵轉(zhuǎn)、保護(hù)電路損壞及外部控制線路斷路等造成；若同部位過(guò)電壓故障經(jīng)常發(fā)生，則多是由于工藝參數(shù)設(shè)定不合理、變頻器輸出減速給定時(shí)間較短造成。重新啟動(dòng)變頻器，如果故障得到排除，則通常為系統(tǒng)軟故障，若故障未能消除，則多是因變頻器硬件電路問(wèn)題所致。

2.1 觀察并重新設(shè)定變頻器內(nèi)部參數(shù)

發(fā)生變頻器過(guò)電壓故障后，首先要觀察變頻器參數(shù)設(shè)定，可從兩方面入手：檢查變頻器是否開(kāi)啟了過(guò)電壓自處理功能；檢查變頻器減速時(shí)間設(shè)定是否合理。更改變頻器減速時(shí)間時(shí)，要考慮工藝流程對(duì)負(fù)載減速時(shí)間的硬性要求，無(wú)此要求的，可通過(guò)適當(dāng)增加減速時(shí)間來(lái)排除變頻器過(guò)電壓故障[4]。同時(shí)，需注意，增加減速時(shí)間時(shí)應(yīng)保證減速的線性特性，修改跨度不宜過(guò)大，做到負(fù)載動(dòng)能的緩慢釋放。

2.2 工藝參數(shù)分析，解決負(fù)載突變

由電機(jī)負(fù)載突變引起的變頻器過(guò)電壓故障首選該方法。分析工藝參數(shù)，找出引起負(fù)載突變的原因，然后通過(guò)調(diào)整工藝流程或參數(shù)來(lái)避免負(fù)載發(fā)生突變。若在工藝流程中負(fù)載突變無(wú)法避免，則可以找出負(fù)載突變的規(guī)律，通過(guò)調(diào)整控制系統(tǒng)，在發(fā)生負(fù)載突變前，相應(yīng)改變變頻器輸出頻率，使其與負(fù)載突變保持一致，從而減少輸出端產(chǎn)生的再生電壓回饋至中間直流母線端，從而排除過(guò)電壓故障。

2.3 適當(dāng)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(guān)鍵元件，起著提高直流回路承壓能力和穩(wěn)定電壓的作用。適當(dāng)提高中間直流回路電容的容量能有效消除過(guò)壓保護(hù)故障。變頻器長(zhǎng)期使用造成電容容量降低時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換電容。

2.4 采用制動(dòng)電阻

對(duì)于功率低于7.5 kW的變頻器，其內(nèi)部均設(shè)置有制動(dòng)電阻，當(dāng)中間直流母線電壓超過(guò)一定值時(shí)，制動(dòng)電阻會(huì)被串入回路并消耗回路中的再生能量。對(duì)于高功率變頻器則需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況來(lái)設(shè)置制動(dòng)電阻及其控制單元。

2.5 并聯(lián)直流母線

同一負(fù)載由多臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)可采取該方法。每臺(tái)電機(jī)配備一臺(tái)逆變器，并將其并聯(lián)接入公共直流母線。工作時(shí)，處于制動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)所產(chǎn)生的大部分再生電壓經(jīng)直流母線被其他電機(jī)吸收，剩余的再生能量則通過(guò)制動(dòng)電阻消耗殆盡。

3 變頻器的日常維護(hù)方法

3.1 變頻器的工作環(huán)境要求

變頻器對(duì)環(huán)境溫度的要求通常為-5～40 ℃。文獻(xiàn)表明，變頻器的故障率與環(huán)境溫度有直接關(guān)系，并隨環(huán)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(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，變頻器模塊不能及時(shí)散熱，從而更易導(dǎo)致模塊燒毀。環(huán)境清潔度也是影響變頻器運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命的關(guān)鍵因素。因此，對(duì)變頻器進(jìn)行日常維護(hù)時(shí)，要嚴(yán)格控制變頻器的環(huán)境溫度，保持良好的通風(fēng)，炎熱時(shí)可采取空調(diào)制冷措施。保持清潔的環(huán)境，避免嚴(yán)重的粉塵污染，并定期對(duì)變頻器內(nèi)部的灰塵進(jìn)行清掃。確保變頻器工作環(huán)境干燥，特別是多雨、潮濕的季節(jié)，應(yīng)有可靠的防雨措施，同時(shí)避免因空氣溫差在變頻器柜內(nèi)形成結(jié)露。

3.2 變頻器日常巡視維護(hù)方法

（1）定期巡視并記錄人機(jī)界面上的各參數(shù)，有異常時(shí)及時(shí)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(huán)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(guò)濾網(wǎng)，確保濾網(wǎng)保持良好的通風(fēng)；（5）多雨、潮濕季節(jié)，有良好的防雨、防潮措施；（6）定期檢查變頻室內(nèi)的通風(fēng)、制冷設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，如通風(fēng)扇、空調(diào)等，檢查照明設(shè)施工作是否良好。

4 結(jié) 論

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