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李方園（1973-）

男，浙江舟山人，畢業于浙江大學電氣自動化專業，高級工程師，長期從事于變頻器等現代工控產品的應用與研究工作。

摘要：變頻器中過流保護的對象主要指帶有突變性質的、電流的峰值超過了過流檢測值，變頻器則顯示過流，由于逆變器件的過載能力較差，所以變頻器的過流保護是至關重要的一環。本文分析了變頻器過流故障發生的原因，以及解決過流問題的一些通用措施，并以“罐車變頻器過流”案例闡述了過流故障排除的步驟。

關鍵詞：變頻器；過流故障；轉矩提升；矢量控制

Abstract: AC inverter Inverter overcurrent mainly refers to the object with the current 
peak value by detection. Due to poor overload IGBT device of the inverter, AC`inverter’ s 
overcurrent protection is the essential element. This paper analyzes the inverter over-current fault causes, as well as overcurrent problem to solve some common measures. Finnaly 
the example of  “tanker inverter overcurrent” is explained and the overcurrent 
troubleshooting steps are carried out.

Key words: AC inverter; Overcurrent fault; Torque Boost; Vector Control

1 前言

    變頻器中過流保護的對象主要指帶有突變性質的、電流的峰值超過了過流檢測值(約額定電流的200％，不同變頻器的保護值不一樣)，變頻器則顯示OC（Over Current）表示過流，由于逆變器件的過載能力較差，所以變頻器的過流保護是至關重要的一環。

    過流故障可分為加速、減速、恒速過流等，其可能是由于變頻器的加減速時間太短、負載發生突變、負荷分配不均、輸出短路等原因引起的。

    本文將主要探討變頻器過流形成的原因及其處理辦法。

2 變頻器過流故障的原因

    根據變頻器過流故障顯示，可從以下幾方面尋找原因。

    （1）工作中過流，即電機拖動系統在工作過程中出現過流。

    其原因大致有以下幾方面：

    一是電動機遇到沖擊負載或傳動機構出現“卡住”現象，引起電動機電流的突然增加；

    二是變頻器輸出側發生短路（如圖1所示），如輸出端到電動機之間的連接線發生相互短路，或電動機內部發生短路等、接地（電機燒毀、絕緣劣化、電纜破損而引起的接觸、接地等）；

                               圖1   變頻器輸出側短路

    三是變頻器自身工作不正常，如逆變橋中同一橋臂的兩個逆變器件在不斷交替的工作過程中出現異常。如環境溫度過高，或逆變器元器件本身老化等原因，使逆變器的參數發生變化，導致在交替過程中，一個器件已經導通、而另一個器件卻還未來得及關斷，引起同一個橋臂的上下兩個器件的“直通”（如圖2所示），使直流電壓的正、負極間處于短路狀態。

                               圖2   橋臂直通故障

    （2）升速、降速時過流：當負載的慣性較大，而升速時間或降速時間又設定得太短時，也會引起過流。在升速過程中，變頻器工作頻率上升太快，電動機的同步轉速迅速上升，而電動機轉子的轉速因負載慣性較大而跟不上去，結果是升速電流太大；在降速過程中，降速時間太短，同步轉速迅速下降，而電動機轉子因負載的慣性大，仍維持較高的轉速，這時同樣可以使轉子繞組切割磁力線的速度太大而產生過流。

    （3）變頻器上電或一運行就過流

    這種保護大部分是因變頻器內部故障引起的，若負載正常，變頻器仍出現過流保護，一般是檢測電路所引起，類似于短路故障的排除，如電流傳感器、取樣電阻或檢測電路等。該處傳感器波形如圖3所示，其包絡類似于正弦波，若波形不對或無波形，即為傳感器損壞，應更換之。

                               圖3   傳感器的波形圖

    過流保護用的檢測電路是模擬運放電路，如圖4所示。在靜態下，測A點的工作電壓應為2.4V，若電壓不對即為該電路有問題，應查找原因予以排除。R4為取樣電阻，若有問題也應更換之。

                               圖4   過流檢測電路

3 過流故障處理對策

    通常有以下集中處理對策

    （1）負載側檢查

    負載側的原因是引起變頻器過流的最主要因素，因此一旦發生過流故障，首先要檢查：

    工作機械有沒有卡住，以避免電機負載突變，引起的沖擊過大造成過流；

    負載側有沒有短路，以避免電機和電機電纜相間或每相對地的絕緣破壞、造成匝間或相間對地短路，此項內容可以用兆歐表檢查對地或者相間有沒有短路；

    電動機的起動轉矩過小，拖動系統轉不起來；

    過流故障還與電機的漏抗、電機電纜的耦合電抗有關，所以選擇電機電纜一定按照要求去選；

    在變頻器輸出側有無功率因數矯正電容或浪涌吸收裝置，如果有，就必須撤除；

    當負載電機裝有測速編碼器時，速度反饋信號丟失或非正常時，也會引起過流，因此也必須正確檢查編碼器和其電纜。

    （2）變頻器檢查

    變頻器硬件問題主要包括模塊壞、驅動電路壞、電流檢測電路壞等。具體檢查內容如下：

    a)電流互感器損壞，其現象表現為，變頻器主回路送電，當變頻器未起動時，有電流顯示且電流在變化，這樣可判斷互感器已損壞。 

    b)主電路接口板電流、電壓檢測通道被損壞，也會出現過流。 

    c)由于連接插件不緊、不牢。例如電流或電壓反饋信號線接觸不良，會出現過流故障時有時無的現象。　　

    d)電路板損壞，其原因可能是：1)由于環境太差，導電性固體顆粒附著在電路板上，造成靜電損壞。或者有腐蝕性氣體，使電路被腐蝕。2)電路板的零電位與機殼連在一起，由于柜體與地角焊接時，強大的電弧，會影響電路板的性能。3)由于接地不良，電路板的零伏受干擾，也會造成電路板損壞。

    當檢查以上4項有問題，必須更換為同型號配件或者修復該配件。

    （3）變頻器參數檢查

    變頻器參數設定問題是在負載、變頻器確認都正常的情況下必須懷疑的因素，這里面包括加速時間太短、PID調節器的比例P和積分時間I參數不合理、超調過大等等，所有這些參數的不合理設置都將造成變頻器輸出電流振蕩或直接過流。

    針對變頻器問題，主要檢查：

    升速時間設定太短，加長加速時間；

    減速時間設定太短，加長減速時間；

    轉矩補償（U/f比）設定太大，引起低頻時空載電流過大；

    電子熱繼電器整定不當，動作電流設定得太小，引起變頻器誤動作。

    另外，當負載不穩定時，建議使用矢量控制模式或DTC模式，因為此兩種模式控制速度非?？?，每隔25微秒產生一組精確的轉矩和磁通的實際值，再經過電機轉矩比較器和磁通比較器的輸出，優化脈沖選擇器決定逆變器的最佳開關位置，這樣有利用抑制過流。同時使用速度環的自適應(AUTOTUNE)功能來自動調整PID參數，從而使變頻器輸出電機電流平穩。

    （4）輸入輸出線路檢查

    根據很多現象表明，過流保護的其中一個原因就是缺相。當變頻器輸入缺相時，勢必引起母線電壓降低，負載電流加大，引起保護。而當變頻器輸出端缺相時，勢必使電動機的另外兩相電流加大而引起過流保護。所以對輸入及輸出都應進行檢查，排除故障。

4 案例分析：罐車變頻器過流

    （1）故障現象

    某煉鋼廠現場環境惡劣，在煉鋼廠平車（鋼包車、渣罐車、鐵水車）系統一直采用傳統的接觸器控制方案，故障率高，維護量大。隨著交流調速控制技術的迅速發展，變頻調速控制系統成為交流傳動的主流調速控制方案，所以該煉鋼廠KR罐車應用了西門子變頻器構成的控制系統。

    KR罐車系統由1臺45kW的變頻專用電機驅動，采用西門子6SE7031-2EF60（55kW）全數字矢量控制變頻器控制，變頻器帶輸入、輸出電抗器以消除諧波、抑制尖峰電壓，變頻器采用v/f速度開環控制模式，調速范圍為1∶25。系統采用速度擋位開關量輸入PLC，經軟件處理后，再由PLC輸出模塊輸出開關量信號給變頻裝置，通過變頻裝置內部的參數設定，輸出相應的速度信號。速度分為兩檔40%和80%額定速度；起動、停止和各檔速度過渡平穩無沖擊，屬于檔位無級調速方式。KR罐車系統的電路原理如圖5所示。

                               圖5   KR罐車變頻器電路原理圖

    兩臺KR罐車（1#、2#KR）調試情況良好，空車使用一切正常，但自投入使用后，兩臺罐車不間斷報“F011”過流故障。經過對故障時罐車的工作狀況的監測，變頻器報故障主要集中在罐車滿載啟動和道軌上有積渣阻力較大的這兩種情況。

    （2）分析處理

    查西門子變頻器手冊對造成F011過流故障原因的解釋：① 變頻器輸出短路或有接地故障；② 電機與變頻器是否匹配；③ 負載處于過載狀態；④ 是否動態要求過高。

    對于上述四種原因，一一進行排查：① 經過對變頻器輸出電纜以及電機搖測絕緣，電纜和電機絕緣情況良好，無短路和接地故障；② 電機和變頻器規格匹配；③ 根據監測到滿載啟動時頻繁報故障，可能是負載處于過載狀態，造成過流；④ 罐車系統是恒轉矩負載，道軌上有積渣，阻力增大或有變化，負載就發生變化，系統如果動態響應慢，也會造成過流故障。

    根據以上的情況分析以及選用的變頻器v/f開環控制模式，對罐車F011過流故障的結論是：系統選用的v/f開環控制模式在低頻時啟動力矩小以及開環動態性能差是造成過流故障的原因。

    西門子6SE70變頻器有多種控制模式可供選擇以及在v/f模式下的各種功能，現場兩臺罐車有相同的問題，于是就選擇了兩種處理方式，也有利于比較使用效果，其處理方法如下：

    （1）1#罐車v/f模式下增加補償功能

    1#罐車仍采用v/f模式，增加低頻補償，轉差補償功能，其參數設置如下：

    增加低頻補償P318=1

    6SE70變頻器有兩種低頻轉矩補償功能，即直接提升電壓數值（電壓模式）和間接提升電壓數值（電流模式），后者涉及到定子電阻的計算、測量，相對比較復雜，因此本案例采用直接電壓提升模式。

    P325=25V（一般10V到40V）

    在直接提升電壓模式中，只需將需要的提升電壓數值輸入參數P325即可，變頻器就能根據圖6所示的邏輯示意輸出合適的V/F曲線。

                               圖6   轉矩提升邏輯

    增加轉差補償 P336=100%。

    轉差補償功能的使用，可補償因KR罐車負載波動引起的電機轉差變化，從而得到良好機械特性曲線。

    （2）2#罐車改變控制模式

    2#罐車控制模式改為無編碼器矢量控制，參數修改如下：

    P100=3，系統參數重新設定優化。

    1#罐車和2#罐車系統采用上述法處理后，系統不再報F011過流故障，操作工也明顯感到系統啟動快，動作也快，參數優化取得了很好的效果。需要注意的是，低頻補償和轉差補償功能在實際應用中，調試時應逐漸增加數值，滿足系統的需要即可，不能過補償了

    （3）案例歸納

    變頻器在啟動或極低速運行時，根據V/f曲線，電動機在低頻時對應輸出的電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，這就導致勵磁不足而使電動機不能獲得足夠的旋轉力，因此需要對轉矩進行補充補償，這稱為轉矩補償。通常的做法是對輸出電壓做一些提升補償，以補償定子電阻上電壓降引起的輸出轉矩損失，從而改善電動機的輸出轉矩。

                                圖7   轉矩提升補償

    圖7中，V0表示手動轉矩提升電壓、Vmax表示最大輸出電壓、f0表示轉矩提升的截止頻率、fb表示基本運行頻率。

    對于V0的設置原則一般有以下幾點：① 當電動機與變頻器之間的距離太遠時，由于線路壓降增大，應適當增大V0值；② 當電動機容量小于變頻器額定容量時，由于此奧容量電動機的繞組電阻比大容量電動機大，電阻壓降也大，應適當增大V0值；③ 當電動機抖動厲害時，說明轉矩過大，轉矩補償增益調得過高，應適當減小V0值。這里必須避免這樣一個誤區：即使提高很多輸出電壓，電動機轉矩并不能和其電流相對應的提高。這是因為電動機電流包含電動機產生的轉矩分量和其它分量（如勵磁分量）。

    關于截止頻率f0，在有些變頻器中是固定的頻率值，如ABB ACS550變頻器f0＝20Hz、羅克韋爾AB PowerFlex 400變頻器f0＝25Hz；有些變頻器是可以設置的，如艾默生EV2000變頻器f0=0~50%基本運行頻率。

    轉矩補償可以根據變頻器的參數設置選擇手動和自動，如手動設置則允許用戶V0在0－20%或30％Umax之間任意設定，如自動設置則是變頻器根據電動機啟動過程中的力矩情況進行自動補償，其參數是隨著負載變化而更改的。

    當然，本案例除了轉矩補償之外，采用矢量控制也可以收到同樣的效果，但前提是該變頻器本身同時支持矢量控制和V/f控制。

5 結束語

    對于變頻器過流故障的處理，關鍵一是要確定負載本身是否符合正常運行條件；二是確定變頻器本身是否屬于正常；三是要確定變頻器的參數能與負載運行的工藝條件或加減速過程匹配；四是檢查變頻器輸入輸出接線是否正常。



參考文獻

[1] 李方園. 變頻器行業應用實踐[M]. 北京: 中國電力出版社. 2006.

[2] 李方園. 變頻器自動化工程實踐[M]. 北京: 電子工業出版社. 2007.

[3] 李方園. 變頻器故障排除[M]. 北京: 化學工業出版社. 2009.

[4] 馬駿, 張騰. 濟鋼KR罐車變頻器F011過電流故障的處理[J]. 變頻器世界. 2007 (5).