變頻器過(guò)電壓產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施
所謂變頻器的過(guò)電壓,是指由于種種原因造成的變頻器電壓超過(guò)額定電壓,集中表現(xiàn)在變頻器直流母線的直流電壓上。正常工作時(shí),變頻器直流部電壓為三相全波整流后的平均值。若以380V線電壓計(jì)算,則平均直流電壓Ud=1.35U線=513V。
在過(guò)電壓發(fā)生時(shí),直流母線上的儲(chǔ)能電容將被充電,當(dāng)電壓上升至700V左右時(shí),(因機(jī)型而異)變頻器過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作。造成過(guò)電壓的原因主要有兩種:電源過(guò)電壓和再生過(guò)電壓。電源過(guò)電壓是指因電源電壓過(guò)高而使直流母線電壓超過(guò)額定值。而現(xiàn)在大部分變頻器的輸入電壓最高可達(dá)460V,因此,電源引起的過(guò)電壓極為少見(jiàn)。
本文主要討論的問(wèn)題是再生過(guò)電壓。產(chǎn)生再生過(guò)電壓主要有以下原因:當(dāng)大GD2(飛輪力矩)負(fù)載減速時(shí)變頻器減速時(shí)間設(shè)定過(guò)短;電機(jī)受外力影響(風(fēng)機(jī)、牽伸機(jī))或位能負(fù)載(電梯、起重機(jī))下放。由于這些原因,使電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速高于變頻器的指令轉(zhuǎn)速,也就是說(shuō),電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過(guò)了同步轉(zhuǎn)速,這時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率為負(fù),轉(zhuǎn)子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向與電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)相反,其產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為阻礙旋轉(zhuǎn)方向的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。所以電動(dòng)機(jī)實(shí)際上處于發(fā)電狀態(tài),負(fù)載的動(dòng)能被“再生”成為電能。
再生能量經(jīng)逆變部續(xù)流二極管對(duì)變頻器直流儲(chǔ)能電容器充電,使直流母線電壓上升,這就是再生過(guò)電壓。因再生過(guò)電壓的過(guò)程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與原轉(zhuǎn)矩相反,為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,因此再生過(guò)電壓的過(guò)程也就是再生制動(dòng)的過(guò)程。換句話說(shuō),消除了再生能量,也就提高了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。如果再生能量不大,因變頻器與電機(jī)本身具有20%的再生制動(dòng)能力,這部分電能將被變頻器及電機(jī)消耗掉。若這部分能量超過(guò)了變頻器與電機(jī)的消耗能力,直流回路的電容將被過(guò)充電,變頻器的過(guò)電壓保護(hù)功能動(dòng)作,使運(yùn)行停止。為避免這種情況的發(fā)生,必須將這部分能量及時(shí)的處理掉,同時(shí)也提高了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,這就是再生制動(dòng)的目的。
過(guò)電壓的防止措施
由于過(guò)電壓產(chǎn)生的原因不同,因而采取的對(duì)策也不相同。對(duì)于在停車過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓現(xiàn)象,如果對(duì)停車時(shí)間或位置無(wú)特殊要求,那么可以采用延長(zhǎng)變頻器減速時(shí)間或自由停車的方法來(lái)解決。所謂自由停車即變頻器將主開(kāi)關(guān)器件斷開(kāi),讓電機(jī)自由滑行停止。
如果對(duì)停車時(shí)間或停車位置有一定的要求,那么可以采用直流制動(dòng)(DC制動(dòng))功能。直流制動(dòng)功能是將電機(jī)減速到一定頻率后,在電機(jī)定子繞組中通入直流電,形成一個(gè)靜止的磁場(chǎng)。電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組切割這個(gè)磁場(chǎng)而產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,使負(fù)載的動(dòng)能變成電能以熱量的形式消耗于電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中,因此這種制動(dòng)又稱作能耗制動(dòng)。在直流制動(dòng)的過(guò)程中實(shí)際上包含了再生制動(dòng)與能耗制動(dòng)兩個(gè)過(guò)程。這種制動(dòng)方法效率僅為再生制動(dòng)的30-60%,制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小。由于將能量消耗于電機(jī)中會(huì)使電機(jī)過(guò)熱,所以制動(dòng)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。而且直流制動(dòng)開(kāi)始頻率,制動(dòng)時(shí)間及制動(dòng)電壓的大小均為人工設(shè)定,不能根據(jù)再生電壓的高低自動(dòng)調(diào)節(jié),因而直流制動(dòng)不能用于正常運(yùn)行中產(chǎn)生的過(guò)電壓,只能用于停車時(shí)的制動(dòng)。
對(duì)于減速(從高速轉(zhuǎn)為低速,但不停車)時(shí)因負(fù)載的GD2(飛輪轉(zhuǎn)矩)過(guò)大而產(chǎn)生的過(guò)電壓,可以采取適當(dāng)延長(zhǎng)減速時(shí)間的方法來(lái)解決。其實(shí)這種方法也是利用再生制動(dòng)原理,延長(zhǎng)減速時(shí)間只是控制負(fù)載的再生電壓對(duì)變頻器的充電速度,使變頻器本身的20%的再生制動(dòng)能力得到合理利用而已。至于那些由于外力的作用(包括位能下放)而使電機(jī)處于再生狀態(tài)的負(fù)載,因其正常運(yùn)行于制動(dòng)狀態(tài),再生能量過(guò)高無(wú)法由變頻器本身消耗掉,因此不可能采用直流制動(dòng)或延長(zhǎng)減速時(shí)間的方法。
再生制動(dòng)與直流制動(dòng)相比,具有較高的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,而且制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小可以跟據(jù)負(fù)載所需的制動(dòng)力矩(即再生能量的高低)由變頻器的制動(dòng)單元自動(dòng)控制。因此再生制動(dòng)最適用于在正常工作過(guò)程中為負(fù)載提供制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
再生制動(dòng)的方法:
1.能量消耗型:
這種方法是在變頻器直流回路中并聯(lián)一個(gè)制動(dòng)電阻,通過(guò)檢測(cè)直流母線電壓來(lái)控制一個(gè)功率管的通斷。在直流母線電壓上升至700V左右時(shí),功率管導(dǎo)通,將再生能量通入電阻,以熱能的形式消耗掉,從而防止直流電壓的上升。由于再生能量沒(méi)能得到利用,因此屬于能量消耗型。同為能量消耗型,它與直流制動(dòng)的不同點(diǎn)是將能量消耗于電機(jī)之外的制動(dòng)電阻上,電機(jī)不會(huì)過(guò)熱,因而可以較頻繁的工作。
2.并聯(lián)直流母線吸收型:
適用于多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)(如牽伸機(jī)),在這個(gè)系統(tǒng)中,每臺(tái)電機(jī)均需一臺(tái)變頻器,多臺(tái)變頻器共用一個(gè)網(wǎng)側(cè)變流器,所有的逆變部并接在一條共用直流母線上。這種系統(tǒng)中往往有一臺(tái)或數(shù)臺(tái)電機(jī)正常工作于制動(dòng)狀態(tài),處于制動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)被其它電動(dòng)機(jī)拖動(dòng),產(chǎn)生再生能量,這些能量再通過(guò)并聯(lián)直流母線被處于電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)所吸收。在不能完全吸收的情況下,則通過(guò)共用的制動(dòng)電阻消耗掉。這里的再生能量部分被吸收利用,但沒(méi)有回饋到電網(wǎng)中。
3.能量回饋型:
能量回饋型的變頻器網(wǎng)側(cè)變流器是可逆的,當(dāng)有再生能量產(chǎn)生時(shí),可逆變流器將再生能量回饋給電網(wǎng),使再生能量得到完全利用。但這種方法對(duì)電源的穩(wěn)定性要求較高,一旦突然停電,將發(fā)生逆變顛覆。
再生制動(dòng)的應(yīng)用
一條化纖長(zhǎng)絲牽伸生產(chǎn)線,由三臺(tái)牽伸機(jī)組成,分別由三臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。一輥電機(jī)功率22KW、4極,采用蝸桿減速器,速比為25:1;二輥電機(jī)功率37KW、4極,蝸桿減速器,速比16:1;三輥電機(jī)功率45KW,采用圓柱齒輪減速器,速比6:1。電機(jī)分別采用華為TD2000-22KW三墾IHF37K,45K變頻器驅(qū)動(dòng)。三臺(tái)變頻器根據(jù)牽伸比及速比采用比例控制。它的工作過(guò)程是這樣的:絲束繞在一輥、二輥、三輥上,由變頻器控制三輥之間不同的速度對(duì)絲束進(jìn)行牽伸。
開(kāi)車調(diào)試時(shí)因牽伸比小,絲束總旦較低,系統(tǒng)開(kāi)車正常。在投產(chǎn)一段時(shí)間后,由于工藝調(diào)整,增大了牽伸比及絲束總旦,(牽伸比由工藝決定,總旦通俗的說(shuō),就是絲束的粗細(xì)及根數(shù)多少,總旦越高,絲束越粗。牽伸倍數(shù)或總旦越大,三輥對(duì)二輥、一輥的拖力越大。)這時(shí)出現(xiàn)了問(wèn)題。開(kāi)車時(shí)間不長(zhǎng),一輥?zhàn)冾l器頻繁顯示SC(過(guò)電壓防止),
二輥?zhàn)冾l器偶爾也有這種現(xiàn)象。時(shí)間稍長(zhǎng),一輥?zhàn)冾l器保護(hù)停機(jī),故障顯示E006(過(guò)電壓)。通過(guò)對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行仔細(xì)的分析,得出以下結(jié)論:由于一輥與二輥之間的牽伸比占總牽伸倍數(shù)的70%,而二輥、三輥電機(jī)功率均大于一輥,因此一輥電機(jī)實(shí)際工作于發(fā)電狀態(tài),它必須產(chǎn)生足夠的制動(dòng)力矩,才能保證牽伸倍數(shù)。二輥則根據(jù)工藝狀況工作于電動(dòng)與制動(dòng)狀態(tài)之間,只有三輥為電動(dòng)狀態(tài)。
也就是說(shuō),一輥?zhàn)冾l器若不能將電機(jī)產(chǎn)生的再生能量處理掉,它就不能產(chǎn)生足夠的制動(dòng)力矩,那么將會(huì)被二輥“拖跑”。被“拖跑”的主要原因在于變頻器為防止過(guò)電壓跳閘而采取的自動(dòng)提高輸出頻率的功能(即“SC”失速防止功能)。
變頻器為了降低再生能量,將會(huì)自動(dòng)增加電機(jī)轉(zhuǎn)速,試圖降低再生電壓,但是因再生能量過(guò)高,所以并不能阻止過(guò)電壓的發(fā)生。因此,問(wèn)題的焦點(diǎn)是必須保證一輥、二輥電機(jī)具有足夠的制動(dòng)力矩。增加一輥、二輥電機(jī)及變頻器容量可以達(dá)到這個(gè)目的,但這顯然是不經(jīng)濟(jì)的。而將一輥、二輥產(chǎn)生的過(guò)電壓及時(shí)處理掉,不讓變頻器的直流電壓升高,也能夠提供足夠的制動(dòng)力矩。
由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)未考慮到這點(diǎn),采用共用直流母線吸收型或能量回饋型的方法已不可能。經(jīng)仔細(xì)論證,只有采用將一輥、二輥?zhàn)冾l器各增加一組外接制動(dòng)單元的方案。經(jīng)計(jì)算選用了兩組華為TDB-4C01-0300制動(dòng)組件。開(kāi)車后兩組制動(dòng)單元電阻尤其是一輥制動(dòng)阻工作頻率非常之高,說(shuō)明我們的分析是正確的。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行近一年,再也沒(méi)有發(fā)生過(guò)過(guò)電壓現(xiàn)象。
本文詳細(xì)說(shuō)明了變頻器產(chǎn)生過(guò)電壓的各種原因及相應(yīng)的防止措施,討論了再生制動(dòng)的幾種方式,并通過(guò)應(yīng)用實(shí)例對(duì)過(guò)電壓的防止及再生制動(dòng)的應(yīng)用進(jìn)行了仔細(xì)的分析。結(jié)果證明,再生制動(dòng)功能是解決過(guò)電壓現(xiàn)象的最主要的方法。
評(píng)論