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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：變頻器過載的基本特征是電流雖然超過了額定值，但超過的幅度不大，并與過流故障有嚴格區分。本文將主要探討變頻器過載形成的原因及其處理辦法，并以“水泵變頻器過載”和“離心風機變頻器過載”兩個案例闡述了過載故障排除的步驟，最終得出電機與變頻器的選型規律。

關鍵詞：變頻器；過載故障；反時限曲線；電機參數

Abstract: The basic feature of AC Inverters overload fault is that the current is greater
 than the given value, but is only little greater. It has a strict difference from the 
overcurrent. This paper analyzes the causes of overload problem of the inverter , and some
 measurement to solve these problems. Finally, two examples of “pump inverter overload” 
and “centrifugal fan inverter overload” are given to describe the processing steps for the
 overload troubleshooting, and meanwhile we give the selection rules of the motor and AC 
inverter.

Key words: AC inverter; Overload fault; Inverse-time curve; Motor parameter

1 前言

    電動機能夠旋轉，但運行電流超過了額定值，稱為過載。過載的基本特征是：電流雖然超過了額定值，但超過的幅度不大，一般也不形成較大的沖擊電流（否則就變成過流故障），而且過載是有一個時間的積累，當積累值達到時才報過載故障。

    本文將主要探討變頻器過載形成的原因及其處理辦法。

2 變頻器過載故障的原因及解決對策

    變頻器過載的工作機制如圖1所示。根據變頻器的結構原理可以知道，變頻器過載發生的主要原因有以下幾點：

    （1）機械負荷過重，其主要特征是電動機發熱，可從變頻器顯示屏上讀取運行電流來發現；

    （2）三相電壓不平衡，引起某相的運行電流過大，導致過載跳閘，其特點是電動機發熱不均衡，從顯示屏上讀取運行電流時不一定能發現(因很多變頻器顯示屏只顯示一相電流)；

    （3）誤動作，變頻器內部的電流檢測部分發生故障，檢測出的電流信號偏大，導致過載跳閘。

                                       圖1   變頻器過載工作機制

    而對于變頻器過載故障的檢查方法和解決對策包括以下兩點：

    （1）檢查電動機是否發熱，如果電動機的溫升不高，則首先應檢查變頻器的電子熱保護功能預置得是否合理，如變頻器尚有余量，則應放寬電子熱保護功能的預置值。

    如果電動機的溫升過高，而所出現的過載又屬于正常過載，則說明是電動機的負荷過重。這時，應考慮能否適當加大傳動比，以減輕電動機軸上的負荷。如能夠加大，則加大傳動比。如果傳動比無法加大，則應加大電動機的容量。

    （2）檢查電動機側三相電壓是否平衡，如果電動機側的三相電壓不平衡，則應再檢查變頻器輸出端的三相電壓是否平衡，如也不平衡，則問題在變頻器內部。如變頻器輸出端的電壓平衡，則問題在從變頻器到電動機之間的線路上，應檢查所有接線端的螺釘是否都已擰緊，如果在變頻器和電動機之間有接觸器或其它電器，則還應檢查有關電器的接線端是否都已擰緊，以及觸點的接觸狀況是否良好等。

    如果電動機側三相電壓平衡，則應了解跳閘時的工作頻率：如工作頻率較低，又未用矢量控制(或無矢量控制)，則首先降低U/f 比，如果降低后仍能帶動負載，則說明原來預置的U/f 比過高，勵磁電流的峰值偏大，可通過降低U/f 比來減小電流；如果降低后帶不動負載了，則應考慮加大變頻器的容量；如果變頻器具有矢量控制功能，則應采用矢量控制方式。

3 案例分析1：水泵變頻器過載

    （1）故障現象

    某供水單位使用艾默生TD2000-4T0300P（30kW）變頻器拖動水泵負載如圖2所示，使用過程中變頻器經常報E013故障，檢查故障電流記錄58A，變頻器額定電流60A，經查說明書：風機、水泵變頻器過載能力110％額定電流1分鐘，是否與上述現象發生沖突？

                                         圖2   水泵變頻控制

    （2）分析處理

    經現場了解和查看，發現水泵負載長期工作在48Hz，電流長期在58A左右，E013的原因為變頻器帶載能力不夠，需要更換更高一級的變頻器，即TD2000-4T0370P或EV2000-4T0370P（37kW）。

    變頻器運行過程輸出電流大于等于變頻器額定電流，但達不到變頻器過流點，在運行一段時間后產生過載保護，變頻器過載保護按反時限曲線不同分為G型和P型。反時限曲線i2t即指動作時限與通入電流大小的平方成反比，通入電流越大，則動作時限越短，該曲線在出廠時由機型參數唯一確定，用戶不能改。

    本例機型分為P型機，其P型反時限曲線（圖3所示）說明當變頻器輸出電流達到95％持續時間達到1小時則報E013，當變頻器輸出電流達到110％持續時間達到1分鐘也同時報E013。

                                       圖3   變頻器P型機反時限曲線

    本案例可以選擇高一檔的EV2000-4T0370P變頻器，在更換完變頻器之后，還必須設置以下參數。

    F0.08：變頻器機型選擇為P型。

    0：G型（恒轉矩負載機型）；1：P型（風機、水泵類負載機型）

    由于變頻器出廠參數設置為G型，本案例中選擇P型機，需要將F0.08功能碼設置為1。

    FH.00～FH.02：電機參數按照實際情況進行設定。

    為了保證控制水泵的性能，務必按照電機的銘牌參數進行正確設置電機極數、額定功率和額定電流。

    （3）案例歸納

    很多品牌的變頻器在45kW及以下機型都采用G/P合一方式，即用于恒轉矩負載G型適配電機功率比用于風機、水泵類負載P型時小一檔。G/P合一方式是考慮到風機、泵類負載基本不過載的實際情況，但是由于G/P合一的變頻器本質上并沒有擴大容量，只是變頻器的軟件發生變化，實際上就是反時限i2t曲線發生了變化，但使用中往往容易遭到誤解，尤其是當用戶的工藝過程發生變化，比如水泵流量增加、濃度增大、風量增大等等，電機的實際電流往往會上升，從而導致變頻器過載保護。

4 案例分析2：離心風機變頻器過載

    （1）故障現象

    某化工廠離心風機15kW，如圖4所示，采用EV2000-4T0150P帶動，2極，額定轉速2950轉/分。變頻器帶電機空載運行，經常會出現運行到12Hz左右時，輸出頻率在此附近振蕩，振蕩幾次后有時頻率會繼續上升，有時就報E013過載故障，但有時啟動又能正常。

                                       圖4   離心風機變頻控制

    （2）分析處理

    觀察在12Hz附近振蕩時的變頻器狀態，電流很大，基本上達到額定電流，在電流振蕩的情況下出現限流，因此造成頻率上不去。測量此時的波形，如圖5所示。

                                       圖5   12Hz時的振蕩電流波形

    做電機辨識，辨識出來的電機參數與默認值基本一致，重新運行，變頻器仍然會出現振蕩現象，而且是基本在同一頻率段12Hz附近，懷疑是軟件PWM調制問題，因為該頻段剛好是EV2000的三相調制SVPWM到改進的兩相SVPWM調制的切換點，如圖6所示。

                                        圖6   調制及其切換

    從波形上確認后，決定修改電機穩定因子FH.10，變頻器啟動正常，再沒有發生過載問題。

    本例中設置參數如下。

    FH.10：電機穩定因子

    電機穩定因子用于抑止變頻器與電機配合時所產生的固有振蕩。本例中恒定負載運行時輸出電流反復變化，在出廠參數（穩定因子為10）的基礎上調整為40，完全消除振蕩，使電機平穩運行，其波形如圖7所示。

                              圖7   電機穩定因子調整后的12Hz輸出電流波形

    （3）案例歸納

    艾默生EV2000系列變頻器綜合考慮了變頻器運行損耗、電機運行噪音和穩定性等多方面的要求，將經典的三相SVPWM（任意開關周期內又三相開關）與改進的兩相調制SVPWM（任意開關周期內僅有兩相開關）完美得結合在一起。低頻時采用三相調制，有效地改善輸出波形；高速時采用兩相調制，有效地減少開關次數，降低開關損耗，減少死區的影響。但是12Hz附近剛好是三相調制與兩相調制的切換點，在電機空載、輕載時易發生振蕩。

    為了彌補切換點的問題，EV2000采用獨特的控制方式，通過調整電機穩定因子，可以抑制變頻器與電機配合時的固有振蕩以適應不同的應用場合，確保輕載運行的穩定性，從而最終消除E013過載故障。

5 結束語

    綜上所述，變頻器過載故障說明了電機與變頻器的選型存在嚴格的關系。

    電機選型首先應該根據負載運動時所需要的平均功率、最高功率，折算到電機軸側（可能有減速機、皮帶輪等減速裝置）選擇電機的功率，同時也要考慮電機的過載能力。電機廠商可以提供電機的力矩特性曲線，不同溫度下電機特性會變化。順便說，選型的順序當然是先選電機再根據電機選擇變頻器，因為控制的最終目的不是變頻器也不是電機，而是機械負載。

    而變頻器的選型第一應該強調的是根據電流選型。對于一般負載，可以根據電機的額定電流選擇變頻器，即變頻器額定電流（即常規環境下的最大持續工作電流）大于電機額定電流即可。但是必須要考慮極限狀況的出現。因此變頻器還需要可以提供短時間的過載電流。（注意：電機的電流是由機械負載決定的）

    變頻器有一條過載電流曲線，是一條反時限曲線，描述了過載電流和時間的關系。這就是變頻器說明書上經常說到的過載能力可以達到150％額定電流2秒、180％額定電流2秒等，實際上是一條曲線。因此，只要電機的電流曲線在變頻器的過載電流曲線之內，就是正確的選型。這就是為什么有時候變頻器功率要大于電機功率1檔或2檔（比如起重應用），有時候小功率變頻器仍然可以驅動大功率電機（比如輸送帶）的原因。

    另一個必須注意的，在非正常環境下，比如高海拔、高環境溫度（例如大于50度小于60度環境）、并排安裝方式（有些變頻器并排安裝不降容，有些要降容，根據變頻器設計決定）等情況下，要考慮變頻器的降容。因此，變頻器的額定功率可能大于電機功率，也可以小于電機功率，事實上變頻器的選型也是根據機械負載決定的。

    總之，變頻器選型的最終依據，是變頻器的電流曲線包括機械負載的電流曲線。


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.