变频器过压产生的原因及解决方法.doc

变频器过压产生的原因及解决方法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。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。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。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。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。過電壓的產生與再生制動所謂變頻器的過電壓，是指由於種種原因造成的變頻器電壓超過額定電壓，集中表現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後的平均值。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。由於這些原因，使電機實際轉速高於變頻器的指令轉速，也就是說，電機轉子轉速超過瞭同步轉速，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於發電狀態，負載的動能被再生成為電能。再生能量經逆變部續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，消除瞭再生能量，也就提高瞭制動轉矩。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。若這部分能量超過瞭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生，必須將這部分能量及時的處理掉，同時也提高瞭制動轉矩，這就是再生制動的目的。過電壓的防止措施由於過電壓產生的原因不同，因而采取的對策也不相同。對於在停車過程中產生的過電壓現象，如果對停車時間或位置無特殊要求，那麼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，那麼可以采用直流制動（DC制動）功能。直流制動功能是將電機減速到一定頻率後，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於電機轉子回路中，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瞭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。由於將能量消耗於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，因而直流制動不能用於正常運行中產生的過電壓，隻能用於停車時的制動。對於減速（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，延長減速時間隻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。至於那些由於外力的作用（包括位能下放）而使電機處於再生狀態的負載，因其正常運行於制動狀態，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於在正常工作過程中為負載提供制動轉矩。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並聯一個制動電阻，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。由於再生能量沒能得到利用，因此屬於能量消耗型。同為能量消耗型，它與直流制動的不同點是將能量消耗於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並聯直流母線吸收型：適用於多電機傳動系統（如牽伸機），在這個系統中，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，所有的逆變部並接在一條共用直流母線上。這種系統中往往有一臺或數臺電機正常工作於制動狀態，處於制動狀態的電機被其它電動機拖動，產生再生能量，這些能量再通過並聯直流母線被處於電動狀態的電機所吸收。在不能完全吸收的情況下，則通過共用的制動電阻消耗掉。這裡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定性要求較高，一旦突然停電，將發生逆變顛覆。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，系統開車正常。在投產一段時間後，由於工藝調整，增大瞭牽伸比及絲束總旦，（牽伸比由工藝決定，總旦通俗的說，就是絲束的粗細及根數多少，總旦越高，絲束越粗。牽伸倍數或總旦越大，三輥對二輥、一輥的拖力越大。）這時出現瞭問題。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象。時間稍長，一輥變頻器保護停機，故障顯示E006（過電壓）。通過對故障現象進行仔細的分析，得出以下結論：由於一輥與二輥之間的牽伸比占總牽伸倍數的70%，而二輥、