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李方園（1973-）

男，浙江舟山人，畢業(yè)于浙江大學(xué)電氣自動(dòng)化專業(yè)，高級(jí)工程師，長期從事于變頻器等現(xiàn)代工控產(chǎn)品的應(yīng)用與研究工作。

摘要：變頻器中過流保護(hù)的對(duì)象主要指帶有突變性質(zhì)的、電流的峰值超過了過流檢測(cè)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(hù)是至關(guān)重要的一環(huán)。本文分析了變頻器過流故障發(fā)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(guān)鍵詞：變頻器；過流故障；轉(zhuǎn)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(hù)的對(duì)象主要指帶有突變性質(zhì)的、電流的峰值超過了過流檢測(cè)值(約額定電流的200％，不同變頻器的保護(hù)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(hù)是至關(guān)重要的一環(huán)。

    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(shí)間太短、負(fù)載發(fā)生突變、負(fù)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(jù)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(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)過流。

    其原因大致有以下幾方面：

    一是電動(dòng)機(jī)遇到?jīng)_擊負(fù)載或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)“卡住”現(xiàn)象，引起電動(dòng)機(jī)電流的突然增加；

    二是變頻器輸出側(cè)發(fā)生短路（如圖1所示），如輸出端到電動(dòng)機(jī)之間的連接線發(fā)生相互短路，或電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生短路等、接地（電機(jī)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(cè)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(gè)逆變器件在不斷交替的工作過程中出現(xiàn)異常。如環(huán)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(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致在交替過程中，一個(gè)器件已經(jīng)導(dǎo)通、而另一個(gè)器件卻還未來得及關(guān)斷，引起同一個(gè)橋臂的上下兩個(gè)器件的“直通”（如圖2所示），使直流電壓的正、負(fù)極間處于短路狀態(tài)。

                               圖2   橋臂直通故障

    （2）升速、降速時(shí)過流：當(dāng)負(fù)載的慣性較大，而升速時(shí)間或降速時(shí)間又設(shè)定得太短時(shí)，也會(huì)引起過流。在升速過程中，變頻器工作頻率上升太快，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速迅速上升，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速因負(fù)載慣性較大而跟不上去，結(jié)果是升速電流太大；在降速過程中，降速時(shí)間太短，同步轉(zhuǎn)速迅速下降，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子因負(fù)載的慣性大，仍維持較高的轉(zhuǎn)速，這時(shí)同樣可以使轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線的速度太大而產(chǎn)生過流。

    （3）變頻器上電或一運(yùn)行就過流

    這種保護(hù)大部分是因變頻器內(nèi)部故障引起的，若負(fù)載正常，變頻器仍出現(xiàn)過流保護(hù)，一般是檢測(cè)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(cè)電路等。該處傳感器波形如圖3所示，其包絡(luò)類似于正弦波，若波形不對(duì)或無波形，即為傳感器損壞，應(yīng)更換之。

                               圖3   傳感器的波形圖

    過流保護(hù)用的檢測(cè)電路是模擬運(yùn)放電路，如圖4所示。在靜態(tài)下，測(cè)A點(diǎn)的工作電壓應(yīng)為2.4V，若電壓不對(duì)即為該電路有問題，應(yīng)查找原因予以排除。R4為取樣電阻，若有問題也應(yīng)更換之。

                               圖4   過流檢測(cè)電路

3 過流故障處理對(duì)策

    通常有以下集中處理對(duì)策

    （1）負(fù)載側(cè)檢查

    負(fù)載側(cè)的原因是引起變頻器過流的最主要因素，因此一旦發(fā)生過流故障，首先要檢查：

    工作機(jī)械有沒有卡住，以避免電機(jī)負(fù)載突變，引起的沖擊過大造成過流；

    負(fù)載側(cè)有沒有短路，以避免電機(jī)和電機(jī)電纜相間或每相對(duì)地的絕緣破壞、造成匝間或相間對(duì)地短路，此項(xiàng)內(nèi)容可以用兆歐表檢查對(duì)地或者相間有沒有短路；

    電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩過小，拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)不起來；

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

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

    當(dāng)負(fù)載電機(jī)裝有測(cè)速編碼器時(shí)，速度反饋信號(hào)丟失或非正常時(shí)，也會(huì)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(qū)動(dòng)電路壞、電流檢測(cè)電路壞等。具體檢查內(nèi)容如下：

    a)電流互感器損壞，其現(xiàn)象表現(xiàn)為，變頻器主回路送電，當(dāng)變頻器未起動(dòng)時(shí)，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(cè)通道被損壞，也會(huì)出現(xiàn)過流。 

    c)由于連接插件不緊、不牢。例如電流或電壓反饋信號(hào)線接觸不良，會(huì)出現(xiàn)過流故障時(shí)有時(shí)無的現(xiàn)象。　　

    d)電路板損壞，其原因可能是：1)由于環(huán)境太差，導(dǎo)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(jī)殼連在一起，由于柜體與地角焊接時(shí)，強(qiáng)大的電弧，會(huì)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(huì)造成電路板損壞。

    當(dāng)檢查以上4項(xiàng)有問題，必須更換為同型號(hào)配件或者修復(fù)該配件。

    （3）變頻器參數(shù)檢查

    變頻器參數(shù)設(shè)定問題是在負(fù)載、變頻器確認(rèn)都正常的情況下必須懷疑的因素，這里面包括加速時(shí)間太短、PID調(diào)節(jié)器的比例P和積分時(shí)間I參數(shù)不合理、超調(diào)過大等等，所有這些參數(shù)的不合理設(shè)置都將造成變頻器輸出電流振蕩或直接過流。

    針對(duì)變頻器問題，主要檢查：

    升速時(shí)間設(shè)定太短，加長加速時(shí)間；

    減速時(shí)間設(shè)定太短，加長減速時(shí)間；

    轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償（U/f比）設(shè)定太大，引起低頻時(shí)空載電流過大；

    電子熱繼電器整定不當(dāng)，動(dòng)作電流設(shè)定得太小，引起變頻器誤動(dòng)作。

    另外，當(dāng)負(fù)載不穩(wěn)定時(shí)，建議使用矢量控制模式或DTC模式，因?yàn)榇藘煞N模式控制速度非常快，每隔25微秒產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通的實(shí)際值，再經(jīng)過電機(jī)轉(zhuǎn)矩比較器和磁通比較器的輸出，優(yōu)化脈沖選擇器決定逆變器的最佳開關(guān)位置，這樣有利用抑制過流。同時(shí)使用速度環(huán)的自適應(yīng)(AUTOTUNE)功能來自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)，從而使變頻器輸出電機(jī)電流平穩(wěn)。

    （4）輸入輸出線路檢查

    根據(jù)很多現(xiàn)象表明，過流保護(hù)的其中一個(gè)原因就是缺相。當(dāng)變頻器輸入缺相時(shí)，勢(shì)必引起母線電壓降低，負(fù)載電流加大，引起保護(hù)。而當(dāng)變頻器輸出端缺相時(shí)，勢(shì)必使電動(dòng)機(jī)的另外兩相電流加大而引起過流保護(hù)。所以對(duì)輸入及輸出都應(yīng)進(jìn)行檢查，排除故障。

4 案例分析：罐車變頻器過流

    （1）故障現(xiàn)象

    某煉鋼廠現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，在煉鋼廠平車（鋼包車、渣罐車、鐵水車）系統(tǒng)一直采用傳統(tǒng)的接觸器控制方案，故障率高，維護(hù)量大。隨著交流調(diào)速控制技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)成為交流傳動(dòng)的主流調(diào)速控制方案，所以該煉鋼廠KR罐車應(yīng)用了西門子變頻器構(gòu)成的控制系統(tǒng)。

    KR罐車系統(tǒng)由1臺(tái)45kW的變頻專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用西門子6SE7031-2EF60（55kW）全數(shù)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(huán)控制模式，調(diào)速范圍為1∶25。系統(tǒng)采用速度擋位開關(guān)量輸入PLC，經(jīng)軟件處理后，再由PLC輸出模塊輸出開關(guān)量信號(hào)給變頻裝置，通過變頻裝置內(nèi)部的參數(shù)設(shè)定，輸出相應(yīng)的速度信號(hào)。速度分為兩檔40%和80%額定速度；起動(dòng)、停止和各檔速度過渡平穩(wěn)無沖擊，屬于檔位無級(jí)調(diào)速方式。KR罐車系統(tǒng)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(tái)KR罐車（1#、2#KR）調(diào)試情況良好，空車使用一切正常，但自投入使用后，兩臺(tái)罐車不間斷報(bào)“F011”過流故障。經(jīng)過對(duì)故障時(shí)罐車的工作狀況的監(jiān)測(cè)，變頻器報(bào)故障主要集中在罐車滿載啟動(dòng)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(cè)對(duì)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(jī)與變頻器是否匹配；③ 負(fù)載處于過載狀態(tài)；④ 是否動(dòng)態(tài)要求過高。

    對(duì)于上述四種原因，一一進(jìn)行排查：① 經(jīng)過對(duì)變頻器輸出電纜以及電機(jī)搖測(cè)絕緣，電纜和電機(jī)絕緣情況良好，無短路和接地故障；② 電機(jī)和變頻器規(guī)格匹配；③ 根據(jù)監(jiān)測(cè)到滿載啟動(dòng)時(shí)頻繁報(bào)故障，可能是負(fù)載處于過載狀態(tài)，造成過流；④ 罐車系統(tǒng)是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，道軌上有積渣，阻力增大或有變化，負(fù)載就發(fā)生變化，系統(tǒng)如果動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，也會(huì)造成過流故障。

    根據(jù)以上的情況分析以及選用的變頻器v/f開環(huán)控制模式，對(duì)罐車F011過流故障的結(jié)論是：系統(tǒng)選用的v/f開環(huán)控制模式在低頻時(shí)啟動(dòng)力矩小以及開環(huán)動(dòng)態(tài)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(xiàn)場(chǎng)兩臺(tái)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(bǔ)償功能

    1#罐車仍采用v/f模式，增加低頻補(bǔ)償，轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能，其參數(shù)設(shè)置如下：

    增加低頻補(bǔ)償P318=1

    6SE70變頻器有兩種低頻轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能，即直接提升電壓數(shù)值（電壓模式）和間接提升電壓數(shù)值（電流模式），后者涉及到定子電阻的計(jì)算、測(cè)量，相對(duì)比較復(fù)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(shù)值輸入?yún)?shù)P325即可，變頻器就能根據(jù)圖6所示的邏輯示意輸出合適的V/F曲線。

                               圖6   轉(zhuǎn)矩提升邏輯

    增加轉(zhuǎn)差補(bǔ)償 P336=100%。

    轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能的使用，可補(bǔ)償因KR罐車負(fù)載波動(dòng)引起的電機(jī)轉(zhuǎn)差變化，從而得到良好機(jī)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(shù)修改如下：

    P100=3，系統(tǒng)參數(shù)重新設(shè)定優(yōu)化。

    1#罐車和2#罐車系統(tǒng)采用上述法處理后，系統(tǒng)不再報(bào)F011過流故障，操作工也明顯感到系統(tǒng)啟動(dòng)快，動(dòng)作也快，參數(shù)優(yōu)化取得了很好的效果。需要注意的是，低頻補(bǔ)償和轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能在實(shí)際應(yīng)用中，調(diào)試時(shí)應(yīng)逐漸增加數(shù)值，滿足系統(tǒng)的需要即可，不能過補(bǔ)償了

    （3）案例歸納

    變頻器在啟動(dòng)或極低速運(yùn)行時(shí)，根據(jù)V/f曲線，電動(dòng)機(jī)在低頻時(shí)對(duì)應(yīng)輸出的電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，這就導(dǎo)致勵(lì)磁不足而使電動(dòng)機(jī)不能獲得足夠的旋轉(zhuǎn)力，因此需要對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)充補(bǔ)償，這稱為轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。通常的做法是對(duì)輸出電壓做一些提升補(bǔ)償，以補(bǔ)償定子電阻上電壓降引起的輸出轉(zhuǎn)矩?fù)p失，從而改善電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

                                圖7   轉(zhuǎn)矩提升補(bǔ)償

    圖7中，V0表示手動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升電壓、Vmax表示最大輸出電壓、f0表示轉(zhuǎn)矩提升的截止頻率、fb表示基本運(yùn)行頻率。

    對(duì)于V0的設(shè)置原則一般有以下幾點(diǎn)：① 當(dāng)電動(dòng)機(jī)與變頻器之間的距離太遠(yuǎn)時(shí)，由于線路壓降增大，應(yīng)適當(dāng)增大V0值；② 當(dāng)電動(dòng)機(jī)容量小于變頻器額定容量時(shí)，由于此奧容量電動(dòng)機(jī)的繞組電阻比大容量電動(dòng)機(jī)大，電阻壓降也大，應(yīng)適當(dāng)增大V0值；③ 當(dāng)電動(dòng)機(jī)抖動(dòng)厲害時(shí)，說明轉(zhuǎn)矩過大，轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償增益調(diào)得過高，應(yīng)適當(dāng)減小V0值。這里必須避免這樣一個(gè)誤區(qū)：即使提高很多輸出電壓，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩并不能和其電流相對(duì)應(yīng)的提高。這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)電流包含電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量和其它分量（如勵(lì)磁分量）。

    關(guān)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(shè)置的，如艾默生EV2000變頻器f0=0~50%基本運(yùn)行頻率。

    轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償可以根據(jù)變頻器的參數(shù)設(shè)置選擇手動(dòng)和自動(dòng)，如手動(dòng)設(shè)置則允許用戶V0在0－20%或30％Umax之間任意設(shè)定，如自動(dòng)設(shè)置則是變頻器根據(jù)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中的力矩情況進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，其參數(shù)是隨著負(fù)載變化而更改的。

    當(dāng)然，本案例除了轉(zhuǎn)矩補(bǔ)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(shí)支持矢量控制和V/f控制。

5 結(jié)束語

    對(duì)于變頻器過流故障的處理，關(guān)鍵一是要確定負(fù)載本身是否符合正常運(yùn)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(shù)能與負(fù)載運(yùn)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(xiàn)

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