昵称31021939 / 变频技术 / 《变频器世界》小孙学变频 | 变频器的保护...

分享

   

《变频器世界》小孙学变频 | 变频器的保护功能

2017-07-19  昵称31021...

七、变频器的保护功能

过载和过电流的区别


厂里使用的变频器多了,难免不出现各种各样的故障跳闸。怎样查找跳闸的原因,小孙感到有些困惑,就又来请教张老师。他提出的第一个问题是:“大多数电气设备里,过载和过电流是一回事,过载必过电流,过电流也一定过载。为什么变频器里把过载保护和过电流保护分开了呢?”


“变频器会不会单独使用呢?”张老师笑嘻嘻地问。


“不会,它总是和电动机一起使用的。”小孙似有所悟地回答。


“就是说,一个变频调速系统里必须同时有两种设备:变频器和电动机。两者各有自己的额定电流,两者在超过额定电流时的后果并不相同。有时候,变频器的容量还要比电动机容量大一挡,则两者的额定电流还差得较远。所以,变频器把这两件事情分开了:把对电动机的保护称为过载保护,而把对变频器自身的保护称为过电流保护。”张老师说。


“超过额定电流的后果不都是发热么?”小孙问。


“但发热的后果又是什么呢?对电动机而言,主要是绝缘材料的碳化;而对变频器来说,则igbt管的关断时间将延长,从而使上下两个igbt管交替导通的过程中,容易‘直通’。此外,关断时间的延长,又并不完全取决于温度,当集电极电流增大后,‘载流子’多了,也会延长关断时间。所以说,两者在超过额定电流时的后果是并不相同的。”张老师说。


“什么是反时限特性?”小孙又问。张老师回答说:


“所谓反时限特性,是指保护动作的时间和过载的倍数之间的关系。过载的倍数越大,产生的热量越多,温度上升得快,保护动作的时间当然应该短一些,如图3-44(a)所示。”


小孙又问:“变频器里的电子热保护功能和热继电器的功能有什么区别?”

“热继电器是模拟电动机的发热过程而设计的。但是,在模拟过程中,有几个问题难以解决:


(1)热继电器和电动机的发热特性不一致;

(2)热继电器和电动机所在位置的环境温度和散热条件不一样;

(3)电动机的转子铜损、铁损和机械损失等无法在热继电器中得到反映;

(4)电动机的散热时间常数比发热时间常数长得多,而热继电器则两者相等。


因此,当电动机拖动断续负载和变动负载时,热继电器和电动机在发热方面的差异更大。


而变频器里的电子热保护功能是通过计算机进行计算的,它能够尽量地把各方面的因素考虑进去,从而使保护功能更为准确。


除此以外,根据电动机频率越低,散热条件越差的特点,变频器可以根据运行频率自动地改变保护特性,如图(b)所示。”张老师回答说。


“变频器的过电流保护也有反时限特点吗?”小孙又问。


“当然有啊。”张老师边说,边画出了图3-45,然后说:


“变频器说明书上一般都标明,过载能力是:150%,1min。部分说明书上进一步说明,当输出电流达到额定电流的200%时,允许的过载时间只有0.5s,如图3-45所示。所以,它也是反时限的。”


小孙又问:“变频器根据什么来判断是过载还是过电流?”

“这很简单。”张老师边说,边拿出了图3-46,然后说:


“当电流超过了电动机的额定电流时,要是没有超过变频器允许电流,则根据过载系数的大小,到一定时间后实施过载跳闸,如图(a)所示。如果电流超过了变频器的允许电流范围,变频器就实施过电流跳闸,如图(b)和图(c)所示。”


小孙又问:“要是变频器的容量比电动机大了一挡,它怎么知道电动机的额定电流呢?”


“你告诉它呀。变频器里有一个‘电流取用比’的功能,定义如下:(3-13)


“要是变频器的容量和电动机相配的话,也必须预置电流取用比么?”小孙问。

张老师没有直接回答,而是要小孙找几种变频器,算一算针对不同磁极对数电动机时的电流取用比。


小孙于是从书包里找出了两种变频器的说明书,并向张老师借了一本电工手册,以便查阅不同磁极对数电动机的额定数据。


张老师提示说:“只需找一种容量就可以了。”


小孙就以75kw的变频器和电动机为例,列了一个表,如表3-1。


小孙列完表后,高兴地说:“啊,我明白了,即使在变频器的容量和电动机相配的情况下,由于变频器型号的不同,和电动机磁极对数的不同,电流取用比也是不一样的。所以,严格地说,都应该预置电流取用比。”


张老师满意地点点头,然后说:“下面,我们来探讨一下过载的可能原因,你先说说看。”


过载的原因


“负载过重了呗。”小孙脱口而出。


“一般说来,在接近于额定频率的高频区,这么说还是可以的,但也不全面。例如,电压偏低时,电动机的电流也可能超过额定电流。那么,用了变频器后,在什么情况下,电压可能偏低呢?”张老师问。


小孙想了一想,说:“载波频率太高时,变频器的输出电压会偏低。”


“是啊,需要进一步说明的是,当由于载波频率偏高而导致电动机的运行电流超过额定电流时,电流的过载幅度一般不会很大,所以,只能是过载,而不大可能是过电流。”张老师说。


“还有,”小孙仿佛想起了什么似地,说:“要是电源电压偏低的话,变频器的输出电压也会偏低吧?”


“是的,不过„„”张老师停顿了一下,说:“变频器针对电源电压偏低的情形,设置了‘自动电压调整’功能,代号是avr功能,可以自动地进行补偿。所以,在电源电压偏低的场合,或电源电压经常波动的场合,应该预置avr功能有效。”


“它只能根据电源电压进行调整吗?要是能根据输出电压来调整就好了。”小孙天真地说。


张老师说:“电源电压的高低,具体地反映在直流电压上。avr功能的实施,是变频器根据直流电压的大小,通过调整输出电压的占空比来实现的。当直流电压偏高时,占空比就小一点,如图3-47(a)所示;反之,当直流电压偏低时,占空比就大一点,如图(b)所示。变频器由于采用了正弦脉宽调制技术,像这样的调整,是比较方便的。


至于输出电压,因为它要随频率、转矩提升的预置值,或者经矢量变换的计算结果而不断改变的,它无法得到一个基准值,所以是不能作为调整的依据的。

除此以外,电动机在低频运行时,如果负载太轻,也会‘过载’。”


“负载已经轻了,为什么会‘过载’?”小孙感到迷惑。


只见张老师不慌不忙地拿出了图3-48,说:“我们以前曾经提到过轻载时补偿过分的结果吧?如果在低频轻载时,转矩提升功能预置得很大的话,励磁电流将发生畸变,出现很大的尖峰电流,足以使变频器因过电流而跳闸。那么,如果转矩提升功能预置得偏大,磁路的饱和程度并不严重,励磁电流的峰值不足以超过变频器的额定电流,但超过了电动机的额定电流,电动机也会‘过载’。”


图3-48 低频轻载时的“过载”


“还有没有其他原因,可能导致变频器因过载而跳闸吗?”小孙心里想,大概是没有了,但还是要问一问。没想到,张老师居然回答说:


“还有,因为变频器输出电压是高频脉冲电压,所以当电动机和变频器之间的距离很远时,通过导线与导线之间的分布电容的漏电流增加。这些漏电流将会反映到变频器的输出电流上,如果电动机的负载已经很接近于额定负载的话,变频器也会以为是电动机过载了,如图3-49所示。虽然,这种‘过载’对电动机并无影响。”


“有没有因为变频器的原因,导致因过载而跳闸的情况?”小孙又问。


张老师说:“那就是变频器的逆变部分或者电动机发生故障了。检查的方法,是测量变频器的输出电压和电流,如图3-50所示。要点是:


变频器的输出电压必须绝对平衡,如果不平衡,则逆变电路必不正常:应检查逆变模块和驱动电路。


如果变频器的输出电压是平衡的,但输出电流不平衡,则问题在电动机或线路上。”


这时,小孙的手机响了,张老师风趣地说:“啊,下课铃响了,那就放学吧。回去后,把过电流、过电压和欠电压的原因考虑一下。”


过电流的原因

过了几天,小孙又在张老师家落座后,就从书包里拿出了一张图纸,开始向张老师汇报自己考虑到的过电流原因。他解释说:


“第一种情况,是负载很重,电动机的运行电流持续地超过变频器的额定电流,如前面的图3-46(b)所示。因为变频器逆变管的过载承受能力较低,所以,应该是过电流跳闸在前。”


“等一等,”张老师打断了小孙的话,说:“需要补充一下,所谓‘变频器过电流跳闸在前’,实际上是变频器选择不当。例如,电动机的容量是75kw,额定电流是142.4a,其过载保护曲线如图3-51(a)中之曲线①所示。和它适配的变频器容量是114kva,额定电流是150a,虽然比电动机的额定电流略大,但它的过电流保护曲线如曲线②所示,低于电动机的过载保护曲线。当电动机的负载是变动负载或断续负载时,其运行电流有可能超过变频器的过电流保护曲线,如曲线④所示,从而导致‘过电流’跳闸。因此,如果电动机的负载是连续变动负载或断续负载时,变频器的容量应该比电动机加大一挡,如图(b)所示。好,你接着说吧。”

小孙于是继续说:“第二种情况,是负载很轻,但转矩提升量预置得太大,使励磁电流严重畸变,其尖峰电流超过了变频器的过载承受能力,如图3-52(a)所示。

第三种情况,是加速时间预置得太短,使电动机的启动电流超过了变频器的承受能力,如图(b)所示。”


张老师满意地点点头,同时又问道:“你只说了加速时间太短的情况,那么,减速时间太短呢?”


“减速时间太短不是过电压跳闸么?”小孙反问。


“但是,如果配置了制动电阻和制动单元的话,直流过电压就被抑制了,如图3-53(a)所示。当减速太快时,电动机的转子跟不上同步转速的下降,转差增大,转子绕组的感应电动势和电流都增大,如图(b)


所示。所以,在配置了制动电阻和制动单元的情况下,减速时间预置得太短,也会引起过电流跳闸。”张老师一边回答,一边又拿出了一张图,然后说。


“除此以外,你还遗漏了一种情况,就是冲击负载。”


“什么是冲击负载?我好像还没有遇到过。”小孙说。


张老师回答说:“例如,有的机器是靠离合器和减速器相联接的。就是说,电动机先空载启动到一定的工作频率,但生产机械不动。在工序需要时,将离合器吸合,生产机械旋转,如图3-54(a)所示。当离合器吸合的瞬间,电动机的转速必下降,如图(b)所示,并出现冲击电流,如图(c)所示。还有一种塑料机械,有一道工序叫‘发泡’,每次发泡,电动机的电流都特别大,甚至堵转。此外,如果生产机械在运行过程中发生卡住现象,当然也会引起过电流。”

“还有没有其他发生过电流的可能性?”小孙问。

“短路呀。”张老师笑着说,随即在纸上画出了图3-55,然后说:

“一种是变频器的输出侧短路,如图(a)所示。变频器并不能区分外部短路引起的过电流和其他原因引起的过电流。所以,短路后它显示的故障原因也是过电流。现在的变频器对于输出侧短路已经能够进行可靠的保护了。


还有是变频器内部的逆变电路的桥臂直通,如图(b)所示。导致桥臂直通的根本原因,是igbt管的‘关断时间’延长了。而igbt管‘关断时间’延长的主要原因大致有:


(1)igbt管老化。

(2)环境温度过高。

(3)集电极电流过大。”


电压故障的原因

小孙又问:“过电压的原因,除了减速太快外,还有哪些原因?”


张老师一边在纸上画,一边说:“图3-56(a)所示,就是你方才提到的减速太快的原因。这是从负载侧引起的过电压。此外,从电源侧也会输入过电压。例如,当变电所里的电容补偿柜合闸后的暂态过程里,会产生冲击电压,如图(b)所示。还有,如有雷电通过电源线窜入,则因为滤波用的电解电容器具有一定量的电感,不能吸收频率很高的雷电冲击波,如图(c)所示,也可以导致变频器过电压跳闸。”

“欠电压故障的原因,是否主要由于电源电压过低或短时间停电导致的?”

“那可不一定,如果:


(1)变频器里的限流电阻烧断了,如图3-57(a)所示;

(2)电源缺相,如图(b)所示;


(3)同一网络内有大容量电动机直接启动,导致电压瞬间下降,如图(c)所示。”


无谓跳闸的防止

小孙从书包里拿出了笔记本,那里除了整理学习内容外,也记载着自己感到不明白,需要了解的问题。他看了一看,问:“说明书里有一种‘防失速’功能,总觉得不大明白。”


张老师说:“这和翻译有关,应该叫‘防止跳闸’功能。在变频器的保护功能中,有一部分故障是必须跳闸的,例如:短路故障、计算机的软件故障等;但也有一部分故障并不是非跳闸不可的,例如部分过电流或过电压故障等。对于这后一种故障,变频器就要尽量避免跳闸,主要有以下几种:


(1)加速防跳闸

在加速过程中如果变频器的输出电流超过了上限值,变频器将暂不加速,即输出频率暂不上升。等到电流下降到上限值以下后再加速。当然,这样一来,总的加速时间要延长一些,但避免了跳闸,如图3-58(a)所示。

(2)减速防跳闸

在减速过程中如果变频器的直流电压超过了上限值,变频器将暂不减速。等到直流电压下降到上限值以下后再减速,如图(b)所示。


(3)运行防跳闸

在运行过程中如果变频器的输出电流超过了上限值,变频器将使输出频率下降一些,等到电流下降到上限值以下后再恢复到原运行频率,如图(c)所示。这种方法主要对二次方律负载或一次方律负载特别有效,因为这些负载在转速下降后,负载转矩将下降,电动机的电流也随之减小。”


自动重合闸

小孙又问:“有时候,变频器跳闸以后,一时查不出什么问题,复位后再启动,又都正常了,对于这种情况,怎样分析和处理?”


“在前面讨论的故障原因里面,有一些原因是既不连续,也不重复的。例如,补偿电容合闸时的过电压、大电动机启动时的欠电压、以及雷电过电压等等。此外,如果在同一个网络中有许多变频器或其他电子设备,则往往存在着许多干扰信号,导致变频器误动作。”张老师回答说,同时又拿出了一张图,接着说:“针对这些情况,变频器设置了‘自动重合闸’功能。当这个功能被预置为‘有效’时,变频器一旦发生故障,变频器虽然也立即将逆变管封锁,但故障继电器并不动作,因而变频器的电源不会被切断。经过由用户预置的等待时间tsp后,变频器将自动地再‘合闸’,就是说,重新把逆变管打开。这时,变频器的输出频率并未改变,和跳闸前相同。如图3-59(a)所示。如果tsp预置得很短,则因为拖动系统有惯性的原因,电动机的转速几乎未变,变频器就好象没有发生过故障一样。通常,变频器可以重合闸多次,有的变频器最多可重合闸10次呢。


与此相仿的还有一个‘瞬时停电的重合闸’功能,所谓瞬时停电,是指停电的时间很短,在停电时间内,变频器的控制回路尚处于工作状态,在此期间,变频器也只封锁逆变管,故障继电器不动作。等到重新来电时,变频器再重新合闸。


瞬时停电的重合闸功能与发生故障后的重合闸功能的主要区别,是用户无法控制停电时间t0,一般说来,t0比tsp长得多。在t0时间内,电动机的转速有可能已经下降得比较多。这时,变频器的输出频率和电动机的实际转速之间,已经不相吻合,变频器需要有一个自动搜索电动机转速的过程。自动搜索的过程大致是:首先恢复到停电前的输出频率,如果输出电流超过允许值,则降低输出频率,一直到变频器的输出电流接近于电动机的额定电流,这时的输出频率就是和电动机的实际转速吻合的频率,然后变频器再按‘加速时间’把输出频率上升到停电前的工作频率,如图(b)所示。”


“停电后,变频器还能工作么?”小孙问。


“变频器里有三种直流稳压电源:直流主电源、驱动电源和控制电源。由于对稳压要求的不同,它们在过渡过程中的时间常数也各不相同。其中,控制电路中,因为主要是计算机电路,对稳压的要求最高,时间常数也最长。一般说来,可达几十秒之久。所以,变频器在每次停电后,都要显示‘欠压’故障,就是因为,直流主电路的时间常数最短,放电最快,而计算机却还在正常工作,所以,当主电路的电压下降到一定程度时,变频器就‘欠压’了。


短时间停电后之所以允许自动重合闸,就是因为在停电时间内,变频器的控制电路仍在正常工作。一般地说,变频器允许的最长停电时间,取决于变频器的控制回路在停电后能够维持正常运行的时间,多数变频器约为(10~20)s。”


    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多