浅谈变频器的保护及应用

乔俊生

(山西焦煤汾西矿业集团公司机电处)

浅谈变频器的保护及应用

乔俊生①

(山西焦煤汾西矿业集团公司机电处)

围绕变频器阐述了电动机的允许持续电流和工作频率的关系,分析了电子热保护器的反时保护功能、过电流、过电压、欠电压产生的原因,提出变频器过电流、过电压、欠电压保护措施。并分析了过热保护、负载侧接地保护等变频器的其它保护功能。

变频器;过电流;过电压;保护功能

1 过 载

在变频器内,由于能够方便而准确地检测电流,并可通过精密的计算来实现反时限的保护特性,大大提高了保护的可靠性和准确性。由于它能实现和热继电器类似的保护功能,故称为电子热保护器或电子热继电器。

1)电动机的允许持续电流和工作频率的关系。电动机在低速运行时,由于散热条件变差,允许持续电流将减小。

图1 允许持续电流和工作频率的关系示意图

电动机的允许持续电流IMa和工作频率fX的关系曲线图见图1。

由于同一容量的变频器配用的电动机容量并不是一定的。例如,一台55 kVA的变频器,当用于不变负载时,可配用37 kW的电动机,而用于变动负载或断续负载时,由于允许电动机短时过载,故只能配用22 kW甚至15 kW的电动机。为此,变频器提供了由用户根据配用电动机的额定电流来设定IMa=f (fX)曲线的功能。用户在设定时,应先求出配用电动机的额定电流与变频器额定电流之比:IM%=( IMN/IN)×100%。

IM%是电动机向变频器取用电流的百分比,简称电流取用比。

例如:有1台电动机,PMN=3 kW,UMN=380 V, IMN=6.2 A。所选变频器的额定容量SN=6 kVA,额定电流IN=8.5 A。则IM%=(IMN/IN)×100% =(6.2/8.5)×100%=73%。可设定为IM%= 75%。

2)电子热保护器的反时限保护功能。根据电动机在过载后的发热情况,要求过载保护能够做到,过载越多,保护动作时间越短。这就是所谓的反时限保护特性。

2 过电流

变频器中,过电流主要指带有突变性质的、电流的峰值超过了变频器的容许值的情形。

2.1 过电流的原因

1)工作中过电流,即拖动系统在工作过程中出现过电流。其原因大致来自以下几个方面:

a)电动机遇到冲击负载,或传动机构出现“卡住”现象,引起电动机电流的突然增加。

b)变频器的输出侧短路,如输出端到电动机之间的连接线发生相互短路,或电动机内部发生短路等。

c)变频器自身工作的不正常。如逆变桥中同一桥臂的两个逆变器件在不断交替导通的工作过程中出现异常。例如由于环境温度过高,或逆变器件本身老化等原因,使逆变器件的参数发生变化,导致在交替过程中,一个器件已经导通,而另一个器件却还未来得及关断,引起同一桥臂的上、下两个器件间的“直通”,使直流电压的正、负极间处于短路状态,见图2。

图2 逆变桥的直通示意图

2)升速中的过电流。当负载的惯性较大,而升速时间又设定的太短时,将产生过电流。因为升速时间太短,意味着在升速过程中,变频器的工作频率上升太快,电动机的同步转速no迅速上升,而电动机转子的转速nM则因负载惯性较大而跟不上去,导致转子绕组切割磁力线的速度太快(等于转差太大),结果是升速电流太大。

3)降速中的过电流。当负载的惯性较大,而降速时间设定得太短时,也会引起过电流。因为,降速时间太短,同步转速迅速下降,而电动机转子因负载的惯性大,仍维持较高的转速,这也同样使转子绕组切割磁力线的速度太快而产生过电流。

2.2 变频器对过电流的处理

对变频器过电流的处理原则,尽量不跳闸,为此而配置了防止跳闸的自处理功能(也称防止失速功能);只有当冲击电流的峰值太大,或防止跳闸措施不能解决问题时,才迅速跳闸。

1)工作过程中过载。由用户根据电动机的额定电流和负载的具体情况设定一个电流限值Iset,当工作电流超过此限值时,变频器将自动地适当降低其工作频率,当工作电流下降到限值以下时,工作频率也逐渐恢复,见图3。

图3 工作中的防跳闸示意图

2)升、降速时的过电流。逆变桥的直通在升速和降速过程中,当电流超过Iset时,变频器将暂停升速(或降速),待电流下降到Iset以下时,再继续升速(或降速)。这样处理后,实际上自动地延长了升速(或降速)的时间。

3 过电压

1)产生过电压的原因。

a)电源过电压。

b)降速时因反馈能量来不及释放而形成的再生过电压。

c)在SPWM调制方式中,电路是以系列脉冲的方式工作的。由于电路中存在着绕组电感和线路分布电感,所以在每一个脉冲的上升和下降过程中,可能产生峰值很大的脉冲电压。这个脉冲电压将叠加到直流电压上去,形成具有破坏作用的脉冲高压。

2)过电压的保护措施。

a)电源过电压。对于电源电压的上限,一般规定不能超过额定电压的10%,当电源线电压为380 V时,其上限值为420 V。某些国外进口的变频器的最高工作电压可达460 V,这对于国内用户来说,是十分有利的。

由于电源电压过高,将直接反应在整流后的直流电压上;同时,再生过电压也直接反映在直流电压上,所以,进行电压保护的“取样电压”总是从主电路的直流电路中取出。

b)再生制动时的防止跳闸功能。和升速过程中过电流时的防止跳闸功能一样,在降速过程中出现的过电压,也可以采取暂缓降速的方法来防止它跳闸。即由用户设定一个电压的限值Uset(通常由变频器自行设定),如在降速过程中,UD>Uset时,则暂停降速,当UD降至Uset以下时,再继续降速,降速时防止防跳闸功能见图4。

图4 降速时防止跳闸示意图

c)脉冲过电压的保护。对于由线路电感引起的脉冲过电压,采用常规的“检测—判断—保护”的方式是来不及保护的,通常采用吸收的方法来解决。常见的吸收装置有压敏电阻吸收和阻容吸收电路等。

4 欠电压保护

1)产生欠电压的原因。

a)电源方面的原因有:电源电压过低和电源缺相。b)电路方面的原因有:(1)整流器件损坏,如果六个整流二极管中有部分因损坏而断路,则整流后的电压将下降。(2)限流电阻RL未“切出”电路。

2)变频器对欠电压的处理。

a)对于电源方面引起的欠电压,变频器设定的动作电压一般都较低,显得不严格。这是因为:(1)欠电压的后果之一,是电动机的转矩下降,而新系列的变频器都有各种补偿功能,使电动机能够继续运行。(2)欠电压的另一个后果是电动机的电流增大,而变频器又具有完善的过载保护功能。

b)对于整流器件和晶闸管的损坏,应注意检修及时更换。

5 其他保护功能

1)过热保护。

a)风扇运转保护。变频器的内装风扇是箱体内部散热的主要手段,它将保证逆变器件和控制电路的正常工作。所以,如果风扇运转不正常,应立即进行保护。

b)逆变模块散热板的过热保护。逆变模块是变频器内产生热量的主要部件,也是变频器中最重要而又最脆弱的部件。所以,各变频器都在散热板上配置了过热保护器件。

c)制动电阻过热保护。制动电阻的标称功率是按短时运行选定的,所以一旦通电时间过长,就会过热,这时,应暂停使用,待冷却后再用。

2)负载侧接地保护。当电动机的绕组或变频器到电动机之间的传输线中有一相开路或有一相接地时,将导致三相电流的不平衡(两相以上同时接地时则形成短路,属于过电流保护的对象)。因此,当变频器检测出三相电流不平衡时,将立即进行保护。

Discussion on Protection and Application of Converter

Qiao Jun-sheng

Around the converter elaborates the relationship of allowed continuous current and operating frequency of the motor,analyzes the inverse time protection function of electronic thermal protection device, the causes of over-current,over-voltage,under voltage,proposes protection measures of over-current, over-voltage,under voltage of converter.And analyze other protection functions of converter,such as thermal protection,load side grounding protection and so on.

Converter;Over-current;Over-voltage;Protection function

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TD611.5

A

1672-0652(2010)04-0023-03

2010-03-17

乔俊生 男 1964年出生 2009年毕业于中央电视大学 工程师 介休 032000