變頻器加速過流與減速過壓的原因分析與參數(shù)設(shè)置方法

為什么這兩個(gè)參數(shù)設(shè)定不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致過電流和過電壓故障停機(jī)呢？目前為止，還沒有看到很專業(yè)的有關(guān)理論分析的文章。本文從電機(jī)學(xué)理論出發(fā)，較詳細(xì)地分析了變頻器加速時(shí)間過短與減速時(shí)間過短，導(dǎo)致加速過流與減速過壓的原因，并提出這兩個(gè)參數(shù)的設(shè)定方法。

一、加速時(shí)間過短的過電流分析

從電機(jī)學(xué)可知電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)渉及到同歩轉(zhuǎn)速n0，實(shí)際運(yùn)行速度n，轉(zhuǎn)矩M。電機(jī)在加速過程中，時(shí)間變化從t1到t2。同歩轉(zhuǎn)速的n01到n02變化對(duì)應(yīng)于時(shí)間變化t1到t2。實(shí)際轉(zhuǎn)速變化在電機(jī)加速過程對(duì)應(yīng)于同歩轉(zhuǎn)速n01和n02，是n1和n2。理想的加速過程是實(shí)際轉(zhuǎn)速以最短的時(shí)間t接近同步轉(zhuǎn)速n0，使轉(zhuǎn)差率S最小。如果設(shè)定變頻器加速時(shí)間過短，則會(huì)出現(xiàn)同步轉(zhuǎn)速?gòu)?開始幾秒鐘就升到了最高運(yùn)行頻率轉(zhuǎn)速nmax；而電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速n卻由于機(jī)械阻力的巨大，上升緩慢。

例如，同步轉(zhuǎn)速到了40Hz，而此時(shí)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速卻還在20Hz。這時(shí)電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)差率為0.5。由此可知，加速時(shí)間過短會(huì)使實(shí)際運(yùn)行的轉(zhuǎn)速變化跟不上同歩轉(zhuǎn)速的變化，使轉(zhuǎn)差率S過大。負(fù)載阻力越大，電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)差率越大。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率越大為什么電運(yùn)機(jī)的運(yùn)行電流會(huì)越大呢？

異歩電動(dòng)機(jī)等值電路歸算到定子側(cè)如圖1所示。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率S≈0和S=1的兩種特殊運(yùn)行情況是空載和起動(dòng)瞬間。S≈0時(shí)運(yùn)行電流最小，S=1時(shí)運(yùn)行電流最大。在圖1電路中，r1，x1，x2′，r2′，xm，rm都是固定參數(shù)(1-S/S)×r2′是變動(dòng)的阻值。這個(gè)變動(dòng)的電阻是機(jī)械負(fù)載的等效電阻。負(fù)載大這個(gè)變動(dòng)電阻就小；負(fù)載小這個(gè)變動(dòng)電阻就大。從圖1可知，總電流I1但與(1-S/S)×r2′有關(guān)，而且還主要取決于它。

總電流I1的計(jì)算公式如下：

I1=U1/{Z1+Zm/}…………（1）

式①I1—電機(jī)相電流，A；U1—電機(jī)相電壓，V；Z1—定子阻抗，Ω；Z2′—轉(zhuǎn)子折算到定子側(cè)的阻抗，Ω；Zm—定子勵(lì)磁阻抗，Ω；S—轉(zhuǎn)差率；r2′—轉(zhuǎn)子折算到定子側(cè)的電阻，Ω。

從式以上分析中可以知道：加速時(shí)間過短導(dǎo)致變頻器過電流的原因是：實(shí)際運(yùn)行速度跟不上同步轉(zhuǎn)速增速，導(dǎo)致轉(zhuǎn)差率升高，從而導(dǎo)致附加電阻減少，電機(jī)運(yùn)行電流超過變頻器設(shè)定值而跳閘。要使變頻器在加速時(shí)不過電流應(yīng)該增加加速時(shí)間保證在加速過程中轉(zhuǎn)差率控制在不發(fā)過流故障跳閘信號(hào)。以上分析是基于電機(jī)負(fù)載在額定負(fù)載范圍內(nèi)。

二、 加速時(shí)間過短過電壓分析

在圖1的電路中，(1-S/S)×r2′是一個(gè)附加電阻，在附加電阻中，會(huì)發(fā)生損耗I22(1-S/S)×r2′。這部分損耗并不是轉(zhuǎn)子電路中的電功卒損耗，而是一種表征異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率。異歩電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系如下：當(dāng)0<S <1時(shí)， 異步電動(dòng)機(jī)作機(jī)械運(yùn)行， 電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率是正值， 并且附加電阻所產(chǎn)生的功率I22(1-S/S)×r2′也是正值， 異歩電動(dòng)機(jī)輸出杌械功率。

在-∞<S<0時(shí)，I22(1-S/S)×r2′變?yōu)樨?fù)值。這時(shí)異步電動(dòng)機(jī)輸入機(jī)械功率變?yōu)榘l(fā)電機(jī)。

異歩電動(dòng)機(jī)在發(fā)電狀態(tài)下，機(jī)械特性曲線如圖2所示。電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行電動(dòng)機(jī)狀態(tài)下時(shí)的機(jī)械特性曲線為1。機(jī)械負(fù)荷為Mf。在電機(jī)減速時(shí)，從機(jī)械特性曲線1滑落到機(jī)械特性曲線2. 減速到機(jī)械特性曲線2時(shí)，同步轉(zhuǎn)速為n02，由于機(jī)械負(fù)載的慣性的影響，實(shí)際上運(yùn)行速度并沒有及時(shí)降到n02以內(nèi)，仍然在n02到nr以內(nèi)。這時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在機(jī)械特性曲線2的A點(diǎn)。這時(shí)電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)是：工作在機(jī)械特性曲線第Ⅲ象限，實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速nr高于同歩轉(zhuǎn)速n02，轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向相反，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。從能量守恒定理來看：這是由機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所貯存的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。此時(shí)旳三相異步電動(dòng)機(jī)已成為交流發(fā)電機(jī)，所發(fā)電壓：

U1=4.44kfNΦ……………（2）

（2）式中U1—定子相電壓；k—繞組系數(shù)；f—頻率；N—每相繞組匝數(shù)；Φ—每對(duì)極磁通量。

交流發(fā)電機(jī)所發(fā)電壓的頻率為：

f =Pn/60（3）

（3）式中f—頻率；P—極對(duì)數(shù)；n—轉(zhuǎn)速。

把（3）式代入（2）式中，得

U1=4.44kN(Pn/60)Φ=CeΦn （4）

（4）式中Ce—電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)。

從（4）式中可知，異歩電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)下所發(fā)出的電壓與高出同步轉(zhuǎn)速的實(shí)際運(yùn)行速成正比，實(shí)際運(yùn)行速度高出同歩轉(zhuǎn)速越多，發(fā)電輸出電壓越高。當(dāng)異歩電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)下，變頻器直流母線電壓由兩部分迭加組成：電網(wǎng)輸入電壓整流電壓Ud，和發(fā)電產(chǎn)生的電壓U1，即母線直流電壓為Ud+U1。當(dāng)Ud+U1超過過電壓保護(hù)設(shè)定值時(shí)，變頻器發(fā)出過電壓保護(hù)故障信號(hào)并停止輸出。

三、加咸速時(shí)間設(shè)定方法

機(jī)械設(shè)備的功率越大，加速時(shí)間越長(zhǎng)。一般30kW以內(nèi)的機(jī)械設(shè)備的加速時(shí)間設(shè)在20S以內(nèi)。30kW到75kW內(nèi)設(shè)在30S以內(nèi)。以上數(shù)據(jù)只是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在變頻器加減參數(shù)設(shè)定時(shí)，可把加減速時(shí)間設(shè)大一點(diǎn)，再以4S為臺(tái)階進(jìn)行調(diào)整，以不發(fā)生保護(hù)動(dòng)作為原則，進(jìn)行微調(diào)。

四、過流與過壓故障的原因匯總

1. 加速過大導(dǎo)致的過流：當(dāng)在變頻器啟動(dòng)和加速過程中，變頻器的輸出頻率不斷增加，同時(shí)輸出電壓也會(huì)隨之增加，增大的負(fù)載需求的電流，因此變頻器會(huì)產(chǎn)生過流。此時(shí)，變頻器會(huì)通過保護(hù)機(jī)制將電路關(guān)閉，以避免損壞電路設(shè)備的情況發(fā)生。

2. 電源電壓不穩(wěn)導(dǎo)致的減速過壓：由于電源電壓不穩(wěn)定或當(dāng)電動(dòng)機(jī)的瞬間速度不斷提高，此時(shí)輸出瞬間功率會(huì)加大，因?yàn)楦�電磁感�?yīng)定律，電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差會(huì)增加，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致減速時(shí)系統(tǒng)電路中出現(xiàn)電壓過高。

3. 電容損壞所導(dǎo)致的故障：電容是變頻器中的重要部件之一，如果電容損壞或失效將會(huì)對(duì)變頻器工作造成重大影響。當(dāng)電容老化或燒壞時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致電壓升高或放電速度不夠快，從而導(dǎo)致電容電壓大幅上升，進(jìn)而引發(fā)減速過壓或加速過流等故障。

4. 電機(jī)參數(shù)不匹配：變頻器必須與驅(qū)動(dòng)的電機(jī)機(jī)型相匹配，否則可能會(huì)產(chǎn)生不匹配的應(yīng)力波動(dòng)，導(dǎo)致減速過壓或加速過流故障的發(fā)生。