变频器在制动过程中跳闸的原因剖析

马国治

（白银有色金属股份有限公司铜业公司甘肃白银730900）

摘要：风机、水泵类设备需要经常调节负荷大小，变频器具有传统的调节方式所无法比拟的优势，我公司使用了几台变频装置，但是在使用过程中由于风机惯性及前级风机的抽拉作用，导致电机减速时处于发电运行状态，能量无法消除，引起单元过电压故障保护动作，造成变频器频繁跳闸，经分析讨论，采取了加装能耗电阻及改进控制系统等解决方案，取得了一定的效果。

关键词：高压变频器电机转速功率单元单元过电压能耗制动

1概述

风机、水泵是冶金行业中普遍使用的设备，在实际的使用过程中，因工艺的需要经常调节风机、水泵的流量、压力等。在使用变频器之前，大多数风机、水泵采用传统的挡板或阀门进行调节，即在需要降低流量时以增加阻力的方式部分关闭挡板或阀门，使大量能量消耗在挡板或阀门上。

采用变频调速技术后，通过调节用电的频率来调节电机的转速，使电机出力与需求相当，在调节流量保证风机、水泵高效运行的同时，减少消耗在挡板或阀门上的电量，不会造成能量浪费，大幅减少能耗。另外，工频启动电机时，启动电流是电机额定电流的6~7倍，大电流的冲击经常造成电机、电缆、开关及机械设备的损坏，并造成系统被迫降低容量；而高压变频器可以降低频率，低转速启动，电流小且平稳，具有软启动功能，不仅延长了电机等设备的使用寿命，也减轻了轴承的磨损，提高了设备的可靠性。变频调速装置都配有计算机接口，可以与工业标准通讯系统、能源管理系统和其它系统联接，极大地提高了机组的自动控制水平，并可以做到配合工况迅速响应，及时进行操作控制，方便调整生产。

我公司属于有色金属冶金企业，风机、水泵类负载应用非常广泛，使用的两台高温排风机（6KV1250KW，扭矩4000N.m），根据多台冶金炉不同的运行模式及炉体工况，负荷调整非常频繁，波动较大，考虑到运行要求，为两台高温排风机配置了高压变频器（6KV1400KW），此风机作用为抽取经过电收尘处理的冶金炉高温烟气，再经200多米烟气管道送至硫酸系统的SO2风机（5800KW），风机处于一个相对密闭且带压的系统中。

2结构及原理

2.1结构

选用的高压变频器由隔离移相变压器、功率单元、控制柜、旁路柜（根据控制要求选配）等几部分组成。变频调速系统输入端移相变压器采用柜式结构，与变频器可并柜安装，其采用的多重化移相叠加整流技术，电压电流谐波小，对电网产生的污染较小；调速输出利用成熟的低压变频器技术和功率器件IGBT，采用多单元串联，叠加起来实现高压输出，功率单元抽屉式设计，功率单元与主回路都是通过动静触头接插件方式连接，无需人工接线，具有良好的互换性，方便更换；控制系统采用空间矢量控制的正弦脉宽调制（PWM）叠波技术，功率单元和控制系统之间采用光纤通讯，实现强弱电间的完全电气隔离，提高了整个系统的抗干扰能力。

2.2工作原理

高压变频器由多个功率单元串联而成，通过将多个低压功率模块的输出串联叠加起来实现高压输出（单元串联脉宽调制叠波技术）。从电网送来的三相6kV交流电，高压直接输入，经隔离移相变压器，由其副边每相的二次线圈分为5级，电压逐个移动相位角12o，供电给5个功率单元，三相共15个功率单元，构成30脉冲整流方式，相邻功率单元的输出联接起来，每个功率单元的额定输入电压为690V，经整流后直流母线电压为690V*1.414，再经过逆变后，其输出电压可最大输出1.15*690V，5个单元串联的值Un’=1.15*690*5=3967V，线电压UL=3967V*1.732=6870V，功率模块为“交-直-交”模式，输入输出为“高-高”式，可直接输出高压正弦波拖带普通高压电动机，且电流电压的谐波失真非常小，无需加装输出滤波装置，对输出电缆的长度也没有要求，并且彻底消除谐波引起的电机发热现象，对电动机的绝缘影响很小。

3使用过程中出现的问题

当变频器减速至26~22Hz时，控制系统故障显示：单元过电压，保护动作导致变频器跳闸，后与厂家沟通，将系统减速时间调整至可设定的最大值450s，此种情况稍有缓解，但还是不能从根本上解决问题，跳闸事件仍频繁发生，且调频减速过慢，响应滞后，会造成冶金炉负压太大，炉况不稳定，烟气中含尘量太高，后续电收尘工序压力增大，收尘效果变差，对稳定生产有较大的影响。

4原因分析及解决方案

4.1原因分析：经过与供货商多次沟通协调，并与其技术人员从设计、生产及选型等多角度深入分析后，认为：电机在减速时，由于风机机组巨大的惯性，再加上前级二氧化硫风机（5800KW）的抽拉作用，导致该变频器拖动的电机运行处于发电机状态，即能量从电机反灌回变频器，此能量会聚积在储能电容器中，产生大量的回馈电压，造成直流母线过压现象，导致直流母线上的电压升高至保护电压，引起单元过电压故障保护动作，造成变频器跳闸。

4.2解决方案：

1)从单元选型的角度：将反馈的能量进行消除，将功率单元更换为带能耗制动功能的功率单元或在原功率单元内部加装制动电阻。

2)从软件设计角度：改进控制系统，计算反灌回变频器的能量大小，自动调整电机的减速时间，防止这种故障的发生，同时使电机以最快速度减速到零。

5实施方案

考虑到变频器已在生产现场安装并投入使用，参与工业生产控制，且变频器整机及功率单元尺寸已定型，在对现有的设备改动量最小、最经济的前提下，提出对原功率单元进行改造，即：单元内增加能耗制动电阻及能耗制动开关（IGBT），更改驱动板，增加制动驱动回路，更改单元内部分控制线（主要是制动的部分），同时，功率单元后封板做相应更换。

当单元检测到直流母线的电压超过1000V时，就会启动能耗制动开关，接入能耗制动电阻，从而将直流母线电压拉低，当检测到直流母线电压低于950V时，断开能耗制动开关。

先将一台变频器的功率单元拆卸返厂进行改造，完成后运回现场安装调试正常后，再择机将另一台变频器的所有功率单元拆卸返厂进行改造，完成后再安装调试。变频器功率单元的改造升级是在变频器生产基地完成，功率单元出厂前做一系列检测及老化工作，现场只是安装功率单元及柜内挡板的工作，工作量相对较小，符合生产过程中停机时间短的要求。

6改造效果

供货商进行各种试验及检测后，对原功率单元进行改造，增加制动电阻，并完善控制系统设计，并对我公司现场使用的两台6KV变频器进行了更换改造，并根据实际情况将减速时间适当延长，经过两方面的改进后，大大缓解了因为功率单元过电压故障跳闸的情况，保证了正常的连续生产。

7类似情况拓展及应用

经过对这两台设备的故障分析及解决方案实施，了解了变频器工作的原理及运行过程，此后我公司综合利用车间有一台吸收塔排风机（380V37KW），运行工况与上述6KV高温排风机类似，处于带一定压力的系统内，同样出现了在减速过程中因为过电压频繁跳闸的情况，后经分析判断也认为是因为在减速的过程中系统反馈的能量无法消除，产生大量的回馈电压，造成过压现象，引起过电压故障保护动作，造成风机跳闸，在要求加装了选配的能耗制动单元后，因为功率单元过电压故障跳闸的情况就很少发生了，保证了生产的连续、正常。