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    變頻器的四大保護功能

    說到變頻器的保護功能,當然是圍繞變頻器發生的一些故障保護,實際應用中,通常指包含變頻器在內的傳動系統的保護功能,比如線路保護、變頻器自身保護、電機保護、機械負載保護等等。

    一、變頻器的線路保護
    變頻器的線路保護,可以理解成在變頻器發生短路故障時,變頻器能夠從電網上分離,防止電網問題擴大化,所以會涉及到變頻器的進線開關器件、熔斷器的配置,具體器件的容量的選擇,西門子小功率變頻器的標準配置是刀熔開關加接觸器的形式,大功率的變頻器采用3WL斷路器作為進線保護。

    S120的整流側結構圖

    S120的整流側結構圖


    對于進線側的開關熔斷器等,一些設計人員考慮成本問題, 總想盡可能的省去一些東西,其實有些得不償失。

    1、 空氣斷路器的響應時間是保護不了變頻器的整流橋的。比如,進線不加快速熔斷器,在變頻器前端配上一個空氣斷路器,后邊直接就連接到變頻器的進線端子上,實際上這種設計從保護角度是不完善的, 當變頻器直流發生短路故障時,大電流流經變頻器的整流橋,很容易造成整流側的損壞。

    2、 操作空氣開關瞬間,可能發生拉弧現象。比如,不加進線接觸器,在變頻器前端配上一個空氣斷路器,后邊直接就連接到變頻器的進線端子上,從安全角度也是存在隱患的,可能對操作工造成傷害,實際上這種設計從操作角度是不方便的,打開變頻器柜門,操作變頻器上電掉電;如果在變頻器的柜門通過按鈕操作接觸器,既方便又安全;另外在變頻器發生故障時,還能夠自動分斷進線側的接觸器, 防止故障擴大化 。

    3、 有關變頻器線路保護,進線側必要的器件不能省去, 盡管說變頻器故障后會封鎖輸出, 但是變頻器前端整流橋、直流回路的有些問題,變頻器自身可能保護不了,從系統保護的可靠性方面分析,開關器件也存在失效的可能,而且各自的功能也不一樣,所以變頻器進線保護器件不能省,不能因小失大。

    4、 進線沒有保護損失慘重,血的教訓。

    由變頻器本身的條件所限,功率器件的耐壓、電流的限制、工作溫度等等,當變頻器運行過程中達到或者接近變頻器的允許范圍,就會發出報警或者故障信號,進行預警或者停機保護;變頻器的保護功能很多,這里以更常見保護功能舉例,比如過壓、欠壓、過流、過熱、缺相等等。

    1、 過壓保護(F2):此功能是為了防止出現直流母線電壓過高,造成電容或者IGBT等器件損壞,變頻器判斷過壓的檢測點在直流母線,以3AC380-480V 交流電壓等級為例, 正常直流母線電壓約為1.35倍的交流進線電壓計算,通常為DC 520V-DC 540V之間,當變頻器所驅動的負載慣量比較大,快速降速時,或者變頻器拖動位能性負載下放時,電機轉子實際轉速高于變頻器輸出給電機的轉速,造成負載反拖電機,電機 處于發電運行狀態,機械能轉化為電能,通過變頻器的逆變橋IGBT反并聯二極管回饋到變頻器的直流母線,由于直流母線的電容容量固定, 隨著回饋能量的增加,直流母線電壓隨之升高,達到一定的限值可能導致器件的損壞,所以此時必須抑制過壓趨勢,比如投入制動單元制動電阻,激活更大直流電壓控制器等等。
    2、 欠壓保護(F3):此功能檢測出變頻器直流母線電壓低于某個值,比如正常1.35倍的交流電壓,如果電壓再低10%,此時變頻器可能發生欠電壓報警或故障,欠壓故障間接反映的是交流側可能出現了問題,欠壓保護的功能是防止變頻器直流母線電壓過低時,輸出功率受限,功率器件的工作特性發生變化,控制電壓異常,防止變頻器硬件出現損壞,通常操作也要先停止變頻器輸出,再分斷進線開關,避免人為造成欠電壓故障。

    3、 過流保護(F1):通常變頻器的輸出電流超過變頻器的額定輸出電流某個限制值,通常是變頻器廠家研發層面的細節,與IGBT功率器件選型設計裕量有關, 不同廠家,不同功率段也不一樣。變頻器本身的過流保護區別于電機的過流保護,一般滯后于電機的過流保護。

    4 、過熱保護(F4):變頻器運行過程中,功率器件會發熱,正常情況下,變頻器的散熱風機能夠使得變頻器發熱散熱平衡,不至于變頻器報故障,但是當環境溫度過高,變頻器過載運行,冷卻風機故障、冷卻風道不通暢,也會導致變頻器過熱,極端情況會導致功率器件損壞;通常引發過熱故障,多數由于變頻器柜安裝環境差,風道堵塞所致。

    5 、變頻器輸入缺相(F20):一般變頻器的輸入缺相不直接測量,通過直流母線電壓的紋波進行判斷,當變頻器負載運行,如果變頻器輸入缺相發生時,直流母線的紋波加大,對于6脈動整流,導致另外的整流二極管負載加重,可能導致整流橋損壞情況。


    二、電機的保護

    1、 過熱保護(F11):電機運行過程中,當負載比較重,運行電流長時間超過電機額定電流時, 電機的溫度會升高,如果環境溫度過高, 也會導致電機溫度升高,如果長時間超過電機的額定溫升,可能導致電機燒毀;通常電機的過熱保護,可以通過軟件方式實現,變頻器根據電機的運行電流,結合電機的模型,估算電機的發熱情況,更直接更可靠的方式是在電機繞組中預裝溫度傳感器,根據傳感器實測溫度,對電機進行保護。

    2、 缺相保護(F30015): 由于變頻器輸出與電機之間的電纜可能出現松動等情況, 導致電機缺相。電機的缺相保護,由變頻器的輸出側霍爾元件測量,當三相電流的不平衡度超過一定限制值,變頻器報電機缺相故障,此時需要檢查電機電纜、變頻器輸出接線端子、電機 接線端子的可靠性。

    3、 過流保護(F7801):電機的過流保護實際上通過變頻器運行中檢測實際輸出電流,當檢測到的實際電流超過,2*電機電流的限制值(2*P640)或者電機額定電流的4倍,取較小的值,電機發生過流故障保護。

    4 、過載保護(F7011):電機可以瞬時過載運行, 但是有一個過載保護曲線,變頻器根據電機模型,運行中監測電機運行電流,通過 I*I*t的累計,判斷電機是否過載,該功能俗稱電子熱繼電器。

    三、機械負載保護(負載監控功能)
    1、 轉矩保護:當變頻器所驅動的負載重,實際負載轉矩大于某個值時,可能導致機械損壞,變頻器自動控制輸出轉矩,防止過大的輸出扭矩導致機械損壞。
    2、 斷帶保護:在變頻器運行中,通過設置正常負載的轉矩窗口比較,當機械負載低于窗口下限值,認為機械傳動機構發生故障,變頻器停機保護。

    四、其它保護功能
    變頻器的保護功能很多,要根據實際情況進行設置,目的使得傳動系統穩定運行;通常正確的調試,比如合適的加減速時間、合理設置變頻器的限幅值,也是保障變頻器正常運行的條件, 另外設置轉矩限幅、功率限幅、電流限幅等,也可以減少變頻器的故障發生。