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      變頻器過流與過載的原因分析
      蘇州度飛電氣有限公司
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      變頻器過流與過載的原因分析

      1  過電流跳閘和過載跳閘的區別

          過載也一定過電流,變頻器為什么要把過電流和過載分開呢?主要有2個區別:
          (1) 保護對象不同
          過電流主要用于保護變頻器,而過載主要用于保護電動機。因為變頻器的容量有時需要比電動機的容量加大一檔甚或兩檔,在這種情況下,電動機過載時,變頻器不一定過電流。
      過載保護由變頻器內部的電子熱保護功能進行,在預置電子熱保護功能時,應該準確地預置“電流取用比”,即電動機額定電流和變頻器額定電流之比的百分數:
      IM%=IMN*100%I/IM
      式中,IM%—電流取用比;
          IMN—電動機的額定電流,A;
          IN—變頻器的額定電流,A。
          (2) 電流的變化率不同
          過載保護發生在生產機械的工作過程中,電流的變化率di/dt通常較小;
      除了過載以外的其他過電流,常常帶有突發性,電流的變化率di/dt往往較大。
          (3) 過載保護具有反時限特性
          過載保護主要是防止電動機過熱,故具有類似于熱繼電器的“反時限”特點。就是說,如果與額定電流相比,超過得不多,則允許運行的時間可以長一些,但如果超過得較多的話,允許運行的時間將縮短,如圖1所示。
          此外,由于在頻率下降時,電動機的散熱狀況變差。所以,在同樣過載50%的情況下,頻率越低則允許運行的時間越短。

      2  過電流跳閘及原因分析
          變頻器的過電流跳閘又分短路故障、運行過程中跳閘和升、降速過程中跳閘等情況,分述如下:


      圖1   過載保的反時限特性


      2.1 短路故障
      短路故障是最危險的故障之一,應注意觀察和分析, 如圖2所示。


      2   變頻器輸出側短路

          (1) 故障特點
           a) 第一次跳閘有可能在運行過程中發生,但如復位后再起動,則往往一升速就跳閘。
           b) 具有很大的沖擊電流,但大多數變頻器已經能夠進行保護跳閘,而不會損壞。由于保護跳閘十分迅速,難以觀察其電流的大小。
          (2) 判斷與處理  
          第一步,首先要判斷是否短路。為了便于判斷,在復位后再起動前,應在輸入側接入一個電壓表,如圖2所示。重新啟動時,電位器從零開始緩慢旋動,同時,注意觀察電壓表。如果變頻器的輸出頻率剛上升就立即跳閘,且電壓表的指針有瞬間回“0”的跡象,則說明變頻器的輸出端已經短路或接地。
          第二步,要判斷是在變頻器內部短路,還是在外部短路。這時,應將變頻器輸出端的接線脫開,再旋動電位器,使頻率上升,如仍跳閘,說明變頻器內部短路;如不再跳閘,則說明是變頻器外部短路,應檢查從變頻器到電動機之間的線路,以及電動機本身。

      2.2 輕載過電流
          負載很輕,卻又過電流跳閘,這是變頻調速所特有的現象。
          (1) 變頻調速系統的特殊問題
          在V/F控制模式下,存在著一個十分突出的問題:就是在運行過程中,電動機磁路系統的不穩定。其基本原因在于:
          低頻運行(fX下降)時,由于電壓UX的下降,電阻壓降I1r1所占比例增加,而反電動勢E1所占的比例減小,比值E/f和磁通也隨之減小。為了能帶動較重的負載,常常需要進行轉矩補償(即提高U/f比,也叫轉矩提升)。
          而當負載變化時,電阻壓降I1r1和反電動勢E1所占的比例、比值E/f和磁通量等也都隨之變化。結果是:導致電動機磁路的飽和程度也在隨負載的輕重而變化。
          在進行變頻器的功能預置時,通常是以重載時也能帶得動負載作為依據來設定U/f比的。顯然,重載時電流I1和電阻壓降ΔUr都大,需要的補償量也大。但這樣一來,在負載較輕,I1和電ΔUr都較小時,必將引起“補償過分”,導致磁路飽和。
          (2) 磁路飽和的后果
          當磁路飽和時,磁通和勵磁電流的波形如圖3所示:
                 

      3   磁路在飽和區工作時的勵磁電流

          圖3(a)是電動機磁路的磁化曲線;圖3(b)是磁通的波形,由于磁路飽和的原因,磁通波形的上面被“削平”了,變成了平頂波;圖3(c)是勵磁電流的波形,其橫坐標是勵磁電流i0,與磁化曲線圖3(a)的橫坐標對應?v坐標是時間t,它和磁通曲線的橫坐標相對應。因此,它是由圖3(a)和圖3(b)綜合作出的。由圖3可以看出,勵磁電流i0的波形將發生嚴重畸變,是一個峰值很高的尖峰波。磁路越飽和,勵磁電流的畸變越嚴重,峰值也越大。
          由于尖峰波的電流變化率di/dt很大,但電流的有效值不一定很大。結果是:往往在負載很輕時發生過電流跳閘。
          這種由電動機磁路飽和引起的過電流跳閘,主要發生在低頻、輕載的情況下。常見的例子如:
          a) 負載在運行過程中,阻轉矩的變化較大。例如,某廠的車床采用變頻調速,所購變頻器無矢量控制功能。為了能在低速時進行切削,將U/f比預置得較大,但一退刀就跳閘。
      解決方法:反復調整U/f比,使之既能在低速時進行切削,退刀時又不跳閘。
          b) 變頻器用于風機或水泵,但U/f比卻預置得較大。例如,某廠有一臺變頻器,原來用在傳輸帶上,運行情況一直很好。后改接到風機上,起動時,頻率剛上升到10Hz左右就因“過流”而跳閘了。這是因為,傳輸帶是恒轉矩負載,當變頻器用到傳輸帶上時,其U/f比必預置得較大。而風機是二次方律負載,低速時負荷級輕,導致電動機磁路嚴重飽和,勵磁電流嚴重畸變,峰值很大,使變頻器跳閘。
          解決方法:將U/f比預置為最小檔后就不再跳閘了。

      2.3 重載過電流
          (1) 故障現象
          有些生產機械在運行過程中負荷突然加重,甚至“卡住”,電動機的轉速因帶不動而大幅下降,電流急劇增加,過載保護來不及動作,導致過電流跳閘。
          (2) 解決方法
          a) 首先了解機械本身是否有故障,如果有故障,則修理機器。
          b) 如果這種過載屬于生產過程中經?赡艹霈F的現象,則首先考慮能否加大電動機和負載之間的傳動比?適當加大傳動比,可減輕電動機軸上的阻轉矩,避免出現帶不動的情況。但這時,電動機在最高速時的工作頻率必將超過額定頻率,其帶負載能力也會有所減小。因此,傳動比不宜加大得過多。同時還應注意:應根據計算結果重新預置變頻器的“最高頻率”。
          如無法加大傳動比,則只有考慮增大電動機和變頻器的容量了。
          例如,某廠的注塑機在運行過程中,每遇“噴塑”時,常常因過電流跳閘,據觀察,有時是電動機堵轉后跳閘。
          解決方法:將電動機軸上的皮帶輪御下,略“車”小一點(如皮帶變松,則將電動機底座適當后移),就不再過電流跳閘了。

      2.4 升速或降速中過電流
          這是由于升速或降速過快引起的,可采取的措施有如下。
          (1) 延長升(降)速時間
          首先了解根據生產工藝要求是否允許延長升速或降速時間,如允許,則可延長升(降)速時間。
          (2) 準確預置升(降)速自處理(防失速)功能
          變頻器對于升、降速過程中的過電流,設置了自處理(防失速)功能。當升(降)電流超過預置的上限電流Iset時,將暫停升(降)速,待電流降至設定值Iset以下時,再繼續升(降)速,如圖4所示。


      4   ()速自處理功能

          但多數變頻器的降速自處理功能只考慮直流電壓,而無降速電流過大的自處理功能,需要注意閱讀說明書。
          (3)其他措施
          如果采用了自處理功能后,因延長了升、降速時間而不能滿足生產機械的要求,則:
          a) 考慮適當加大傳動比,以減小拖動系統的飛輪力矩,使電動機容易啟動及升速;
         b) 如果不能加大傳動比,則只能考慮加大變頻器的容量了。
          綜上所述,過電流跳閘的判斷流程如圖5所示。


      5    過電流跳閘的判斷流程

      3  過載跳閘及原因分析
          電動機能夠旋轉,但運行電流超過了額定值,稱為過載。
          過載的基本反映是:電流雖然超過了額定值,但超過的幅度不大,一般也不形成較大的沖擊電流。

      3.1 過載的主要原因
          (1) 機械負荷過重 負荷過重的主要特征是電動機發熱,并可從顯示屏上讀取運行電流來發現。
          (2) 三相電壓不平衡 引起某相的運行電流過大,導致過載跳閘,其特點是電動機發熱不均衡,從顯示屏上讀取運行電流時不一定能發現(因顯示屏只顯示一相電流)。
          (3)誤動作 變頻器內部的電流檢測部分發生故障,檢測出的電流信號偏大,導致跳閘。

      3.2 檢查方法
          (1) 檢查電動機是否發熱 如果電動機的溫升不高,則首先應檢查變頻器的電子熱保護功能預置得是否合理,如變頻器尚有余量,則應放寬電子熱保護功能的預置值;如變頻器的允許電流已經沒有余量,不能再放寬,且根據生產工藝,所出現的過載屬于正常過載,則說明變頻器的選擇不當,應加大變頻器的容量,更換變頻器。這是因為,電動機在拖動變動負載或斷續負載時,只要溫升不超過額定值,是允許短時間(幾分鐘,甚或幾十分鐘)過載的,而變頻器則不允許。
          如果電動機的溫升過高,而所出現的過載又屬于正常過載,則說明是電動機的負荷過重。這時,首先應考慮能否適當加大傳動比,以減輕電動機軸上的負荷。如能夠加大,則加大傳動比。如果傳動比無法加大,則應加大電動機的容量。
          (2) 檢查電動機側三相電壓是否平衡 如果電動機側的三相電壓不平衡,則應再檢查變頻器輸出端的三相電壓是否平衡,如也不平衡,則問題在變頻器內部,應檢查變頻器的逆變模塊及其驅動電路;
      如變頻器輸出端的電壓平衡,則問題在從變頻器到電動機之間的線路上,應檢查所有接線端的螺釘是否都已擰緊,如果在變頻器和電動機之間有接觸器或其他電器,則還應檢查有關電器的接線端是否都已擰緊,以及觸點的接觸狀況是否良好等。
          如果電動機側三相電壓平衡,則應了解跳閘時的工作頻率:
          如工作頻率較低,又未用矢量控制(或無矢量控制),則首先降低U/f比,如降低后仍能帶動負載,則說明原來預置的U/f比過高,勵磁電流的峰值偏大,可通過降低U/f比來減小電流;如果降低后帶不動負載了,則應考慮加大變頻器的容量;如果變頻器具有矢量控制功能,則應采用矢量控制方式。
          (3) 檢查是否誤動作
          在經過以上檢查,均未找到原因時,應檢查是不是誤動作。如圖6所示,判斷的方法是在輕載或空載的情況下,用電流表測量變頻器的輸出電流,與顯示屏上顯示的運行電流值進行比較,如果顯示屏顯示的電流讀數比實際測量的電流大得較多,則說明變頻器內部的電流測量部分誤差較大,“過載”跳閘有可能是誤動作。
          綜上所述,過載跳閘的判斷流程如圖7所示。



      6   誤動作的判斷


      7    過載跳閘的判斷流程


       

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