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变频器过压、欠压故障的原因及处理方法

所谓变频器的过电压，是指由于各种原因造成变频器的电压超过额定电压。变频器的过电压集中表现在直流母线的直流电压上，正常情况下，变频器的直流电压为线电压经三相全波整流后的平均值。若以380V线电压进行计算，则平均直流电压UD=1.35UAC=513V。当发生过电压时，直流母线的储能电容将被充电，当电压上升至760V左右时，变频器开启过电压保护动作。

1. 输入交流电源过电压

输入交流电源过电压表示变频器的输入电压超过了正常范围。它一般发生在供电系统负载较轻时，会使供电系统的电压升高，对此采用有载调压电力变压器是有效的解决措施。而对由于电力系统故障引起的电压升高，如电力系统的电压由于谐振而升高，应断开变频器电源，检查电力系统的故障，待故障排除后再闭合变频器的电源开关。

正常情况下，对于电源电压为380V的变频器，其允许误差为-5%～+10%，经三相桥式全波整流后中间直流的峰值为591V，个别情况下电源线电压可达到450V，其峰值电压也只有636V，因此一般不会使变频器的过电压保护动作。电源输入侧的过电压主要是指电源侧的冲击过电压，如雷电引起的过电压、补偿电容在合闸或断开时形成的过电压等，其主要特点是电压变化率dudt和幅值都很大。例如，由于雷电串入变频器的电源中，使变频器直流侧的电压检测器动作而跳闸，在这种情况下，通常只需断开变频器电源1min左右，再合上电源，即可复位。

2. 再生过电压

再生过电压主要分为三种：加速时过电压、减速时过电压、恒速时过电压。由于某种原因使电动机处于再生发电状态时，即电动机处于实际转速比由变频器频率决定的同步转速高的状态时，负载的传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，再通过逆变器的6个续流二极管回馈到变频器的中间直流回路中，由于此时的逆变器处于整流状态，如果变频器中没采取消耗这些能量的措施，则这些能量将会导致中间直流回路电容器的电压上升，当电压达到过电压限值时就会使过电压保护动作。产生再生过电压的原因主要有以下几种。

[1] 当变频器拖动大惯性负载时，其减速时间设置得比较小。在这种情况下，变频器的减速停止属于再生制动。在停止过程中，变频器的输出频率线性下降，负载电动机处于发电状态，机械能转化为电能，并被变频器直流侧的平波电容吸收，当这种能量足够大时，就会产生所谓的“泵升现象”，则变频器直流侧的电压会超过直流母线的最大允许电压而使过电压保护动作。对于这种故障，若工艺条件允许，可将减速时间参数设置长一些或将变频器的停止方式设置为自由停车，并在系统中按负载特性增加制动单元，而对已设置制动单元的系统可增大制动电阻的能耗容量。

[2] 电动机受外力影响（如风扇、牵伸机）或由位能负载（如电梯、起重机）引起的过电压。当位能负载下放时下降过快，使电动机的实际转速高于变频器的给定指令转速，即电动机的转子转速超过了同步转速时，电动机的转差率为负，转子绕组切割旋转磁场的方向与电动机状态相反，其产生的电磁转矩为阻碍旋转方向的制动转矩，因此电动机实际上处于发电状态，负载的动能被“再生”为电能。再生能量经逆变器的续流二极管对变频器的直流储能电容器充电，使直流母线电压上升，回馈能量超过中间直流回路及其能量处理单元的承受能力，过电压保护将动作。因为再生过电压的过程中产生的转矩与原转矩相反，为制动转矩，所以再生过电压的过程也就是再生制动过程。如果再生能量不大，因变频器与电动机本身具有20%的再生制动能力，则这部分电能将被变频器及电动机消耗掉。若这部分能量超过了变频器与电动机的消耗能力，则直流回路的电容将被过充电，变频器的过电压保护功能便会动作，使运行停止。处理这种过电压故障时，可在系统中按负载特性增加制动单元，而对已设置制动单元的系统可增大制动电阻的吸收容量。还可以修改变频器的参数，如把变频器的减速时间设置长一些。

[3] 多个电动机拖动同一个负载时也会出现再生过电压故障，这主要是由于负载匹配不佳引起的。以两台电动机拖动一个负载为例，当一台电动机的实际转速大于另一台电动机的同步转速时，转速高的电动机相当于原动机，转速低的电动机处于发电状态，从而会引起再生类过电压故障。处理此类故障时，需要在传动系统中增加负荷分配控制装置。还可以把处于传动速度链分支的变频器的特性调节软一些。

引起变频器过电压保护动作的原因还有以下几个。

[1] 未使用变频器的减速过电压自处理功能。大多数变频器为了避免过电压保护动作，专门设置了减速过电压自处理功能。例如，在减速过程中，如果直流电压超过了设定的电压上限值，变频器的输出频率将不再下降，并暂缓减速，待直流电压下降到设定值以下后再继续减速；如果减速时间设定不合适，又没有利用减速过电压的自处理功能，就可能出现过电压保护动作故障。

[2] 变频器负载突降会使负载的转速明显上升，使负载电动机进入再生发电状态，并从负载侧向变频器的中间直流回路回馈能量。短时间内能量的集中回馈，可能会超过中间直流回路及其能量处理单元的承受能力而引发过电压故障。

[3] 工艺流程限定了负载的减速时间。若合理设定相关参数也不能排除这一故障，而且系统也没有采取处理多余能量的措施，则必然会引发过压跳闸故障。

[4] 变频器在运行长时间后，中间直流回路的电容容量下降将不可避免，中间直流回路对直流电压的调节程度也将减弱，在工艺状况和设定参数未曾改变的情况下，发生变频器过电压跳闸的概率会增大，这时需要对中间直流回路的电容容量下降情况进行检查。

[5] 制动电阻值过大，无法及时释放回馈的能量而造成过电压。降速过程中的制动单元没有工作或制动单元放电太慢，即制动电阻太大，会使变频器内部的过压保护电路出现故障，未能泄放再生能量。

3. 过电压的危害

[1] 变频器的过电压主要是指其中间直流回路的过电压。中间直流回路的过电压的主要危害在于造成电动机的磁路饱和。具体来说，对于电动机，电压过高必然使电动机铁芯中的磁通增加，则有可能导致磁路饱和，使励磁电流过大，从而使电动机的温升过高。

[2] 损害电动机的绝缘。当中间直流回路的电压升高后，变频器输出电压的脉冲幅度过大，对电动机的绝缘寿命会有很大的影响。

[3] 过电压对中间直流回路的滤波电容器寿命有直接影响，严重时会造成电容器爆裂。

因此，一般将变频器的中间直流回路的过电压值限定在一定的允许范围内，一旦其电压超过限定值，变频器将按限定要求跳闸保护。

4. 过电压的防止措施

由于过电压产生的原因不同，因而采取的对策也不相同。在处理过电压时，首先要排除由于参数问题而导致的故障，如减速时间过短，以及由于再生负载而导致的过压等。然后检测输入侧电压是否有问题，最后再检查电压检测电路是否出现了故障。一般而言，电压检测电路的电压采样点都是中间直流回路的电压。以三肯SVF303为例，它由直流回路取样后（530V左右的直流）通过阻值较大的电阻降压后再由光耦进行隔离，当电压超过一定值时，它会显示过压信息，对此可以检查其降压电阻是否氧化变值，光耦是否有短路现象等。

对于在停车过程中产生的过电压，如果对停车时间或位置无特殊要求，则可以采用延长变频器的减速时间或自由停车的方法来解决。所谓自由停车，即指变频器将主开关器件断开，让电动机自由滑行停止。如果对停车时间或停车位置有一定的要求，则可以采用制动功能。

对于过电压故障的处理，关键是如何及时处理中间直流回路的多余能量，以及如何避免或减少多余能量向中间直流回路的馈送，使其过电压的程度被限定在允许的限值之内。应采取的主要对策有如下几个。

[1] 在电源输入侧增加吸收装置，减少过电压因素。针对电源输入侧的冲击过电压、雷电引起的过电压、补偿电容在合闸或断开时形成的过电压，可以采用在输入侧并联浪涌吸收装置或串联电抗器等方法加以解决。

[2] 从变频器已设定的参数中寻找解决办法。在工艺流程中，如果不限定负载的减速时间，则变频器减速时间参数的设定值不要太小，以免负载的动能释放得太快。该参数的设定要以不引起中间回路过电压为限，特别要注意负载惯性较大时该参数的设定。如果工艺流程对负载的减速时间有限制，而在限定时间内变频器出现过电压跳闸现象，则需要设定变频器的失速自整定功能或先设定变频器在不过压情况下可减至的频率值。

[3] 采用增加泄放电阻的方法。一般小于7.5kW的变频器在出厂时，其内部的中间直流回路均装有制动单元和泄放电阻；大于7.5kW的变频器需根据实际情况外加制动单元和泄放电阻，以为中间直流回路多余能量的释放提供通道。这是一种常用的泄放能量的方法。其不足之处是能耗高，可能会出现频繁投切或长时间投运的现象，会使电阻的温度升高、设备损坏。

[4] 采用在输入侧增加逆变电路的方法。处理变频器中间直流回路的能量好的方法就是在输入侧增加逆变电路，以将多余的能量回馈给电网。但逆变桥技术要求复杂，因此在实际中其应用受到了限制。

[5] 采用在中间直流回路上增加适当电容的方法。中间直流回路的电容对稳定电压、提高回路承受过电压的能力起着非常重要的作用。适当增大中间直流回路的电容量或及时更换运行时间过长且容量下降的电容是解决变频器过电压的有效方法。

[6] 适当降低工频电源电压。目前，变频器的电源侧一般采用了不可控整流模块，则当电源电压高时，中间直流回路的电压也高，如当电源电压为380V、400V、450V时，中间直流回路的电压分别为537V、565V、636V。另外，有的变频器距离变压器很近，变频器的输入电压高达400V以上，对变频器中间直流回路承受过电压的能力影响很大。在这种情况下，如果条件允许可以将变压器的分接开关放置在低压挡，通过适当降低电源电压的方式，达到相对提高变频器过电压能力的目的。

[7] 采用多台变频器共用直流母线的方法。至少两台同时运行的变频器共用直流母线可以很好解决变频器中间直流回路过电压的问题，这是因为任何一台变频器从直流母线上取用的电流一般均大于同时间从外部馈入的多余电流，这样就可以基本上保持共用直流母线的电压了。

[8] 通过控制系统的优化功能解决变频器的过电压问题。在很多工艺流程中，变频器的减速和负载的突降是由控制系统控制的，因此可以利用控制系统的一些功能，在变频器减速和负载突降前进行控制，以避免过多的能量馈入变频器的中间直流回路，如对于规律性减速过电压故障，可将变频器输入侧的不可控整流模块换成半可控或全控整流模块，在减速前将中间直流电压控制在允许的较低值，相对加大中间直流回路承受馈入能量的能力，从而避免产生过电压故障。而对于规律性负载突降的过电压故障，可利用控制系统的控制功能，在负载突降前对变频器的频率进行适当提升，避免负载侧过多的能量馈入中间直流回路，从而减少由其引起的过电压故障。

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