七、变频器的保护功能
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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。” |
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