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摘 要 过电压现象是变频器使用过程中最常见的故障之一,本文对变频器过压故障的原因做简要的总结,并结合西门子S120系列变频器的实际应用寻求有效解决过压故障的方法.
【关 键 词 】变频器 过压 能耗制动 母线电压控制器
1.前言
变频器是电力电子技术和控制技术发展的产物,由于其优越的调速性能,自问世以来,在工业领域得到广泛的应用.随着电子技术的飞速发展,新型电子元件的性能越来越优越,同时一些先进的控制方法逐步趋于成熟,各种新型的变频器也层出不穷,性能较之前的产品更加稳定.尽管如此,变频器在使用过程中仍然会遇到这样或那样的问题,其中一个很常见的故障就是过电压.过电压产生后,变频器内部的保护电路会使变频器停止运行,设备将无法工作.由于变频器的应用环境不尽相同,所以应根据具体情况分析过压产生的原因,采取相应的对策.西门子公司推出的S120系列变频器,较之前的6ES70等产品,功能更加强大,使用起来更加方便,在预防变频器过压故障方面也有很多有效的方法.
2.过电压产生的原因
一般能引起中间直流回路过电压的原因主要来自以下两个方面：
（1）来自电源输入侧的过电压.以西门子S120为例,通常情况下,整流单元进线电源电压为380V,误差不超过10%.变频器工作的直流电压为经过三相桥式全波整流后的平均值,BLM整流模块输出电压平均为560V,峰值也不会超过600V.个别情况下电源线电压达到460V,其峰值电压也不超过650V,并不算很高,因此一般情况下进线电源不会导致变频器过压.如果在电源输入侧有强大的电压冲击时,如雷电等大的电磁干扰,则会导致变频器过电压.但此种情况并不多见.
（2）来自负载侧的过电压.变频器过电压主要来自负载侧,原因主要有以下几方面：当电机带动大负载减速时,由于变频器设置的减速斜坡时间过短,变频器输出频率下降的较快,而负载由于自身惯性很难按照变频器输出频率对应的转速运行,即电机运行速度比变频器设定的速度要高,电机转子转速超过了同步转速,此时电机转差率为负值,转子绕组切割旋转磁场的方向与电机正常运行时状态时相反,其电磁转矩为阻碍电机旋转方向的制动转矩.所以此时电机实际上处于发电状态,负载的动能被“再生”成为电能.再生能量通过变频器中间的逆变回路对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.因变频器与电机本身具有一定的消耗能力,这部分再生能量将被变频器及电机消耗掉.若再生能量超过了变频器与电机的能耗范围,直流回路的储能电容将会过度充电,变频器由于自身的保护功能会动作,使运行停止.
3.过电压的预防措施
变频器在使用过程中产生的过电压主要是由于负载侧引起的再生过电压,如上所述,预防直流母线过电压就是要将负载减速或者是停车过程中产生的过多的能量消耗掉,常用的有如下方法：
（1）能量消耗法：在变频器的直流回路中并联一个制动电阻,实时检测变频器运行中直流母线的电压,并设置合适的阈值来控制一个功率管的通断.在直流母线电压上升至设定的阈值时,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.因为能量消耗于电机之外的制动电阻上,不会导致电机的过热,因此可重复使用.西门子S120系列变频器BLM型整流单元上可以配置制动单元,并联制动电阻.当直流母线电压升高到720V时,制动单元导通,将多余的能量泄放到制动电阻上.下图即为直流母线连接制动单元和制动电阻的示意图.
（2）能量回馈法：有些整流单元进线侧变流器是可逆的,当有再生能量产生时,回馈给进线电网,使再生能量得到完全利用.西门子公司推出的S120系列SLM电源模块具备电网回馈的能力.当负载制动使直流母线电压升高时,SLM电源模块将多余的能量自动回馈给进线电网,保证母线电压维持在一个正常的范围.但是这种方法对电源的稳定性要求较高.
（3）激活直流母线控制器：应对直流侧过压的问题,变频器控制单元通过内部PID算法,以保持直流侧电压不致过高为目的,自行给出频率.当电机转速有所降低,并且直流侧电压降低到设定的限值以内后,继续按减速斜坡减速.如果直流侧电压再次过高,控制器再次动作.S120变频器激活直流母线控制器的方法是将参数P1200设置为1,即激活母线电压最大控制器.此种方法适合于由于负载转动惯量大造成的过压,并且在控制上没有受控减速,因此有一定的局限性.
4.结束语
本文针对变频器在使用中容易出现过电压的问题,从理论上分析了过电压产生的主要原因,并结合西门子公司S120系列变频器的实际应用,提出了预防过电压的几种措施,实践表明能量消耗法是最常用也是最有效的方法.
作者单位
唐山钢铁集团自动化公司 河北省唐山市 063000