王振涛
中国有色（沈阳）冶金机械有限公司 辽宁沈阳 110000
摘要：在电路中，空气开关是重要的保护元件，能够起到短路、过载、失压等故障的保护作用。变频器是控制交流电动机的重要控制设备，其作用是在电动机工作时，调节其频率，达到节约电能的目的。变频器涉及到的知识范围十分广泛，包括变频技术、微电子技术等，在运行时会涉及到交流电与直流电之间的转换等，正因如此经常会出现变频器、空气开关之间不匹配的现象，导致空开跳闸的故障发生。本文就空气开关的特点展开分析，研究了变频器引起空气开关跳闸的原因，针对相关问题给出了建议。
关键词：变频器；跳闸故障；对策
引言
社会在不断进步，科技也随之飞速发展，社会中各行各业都与新科技、新能源等相结合，促进企业能够实现现代化发展。在新科技、新产品等的使用过程中，人们对新事物的认知领域也在不断提高。我国崇尚低碳、节能的发展方针，将可持续发展作为始终坚持的基础战略。变频器是新型的一种节能产品，能够在电器运行时，通过改变频率而节约电能。但是变频器引起空气开关跳闸的故障发生比较频繁，发生故障的因素比较多，因此本文就引起故障的几点基本因素展开分析。
1.变频器与空气开关特点简述
变频器，是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。空气开关能够自动监测电力线路中的异常，出现异常情况下能够及时的做出断电等反应，保护电力线路中的用电设备。空气开关原理如下图1所示。
图1 空气开关原理图
2.变频器概述
2.1变频器基本定义
变频器又名逆变器，属于电力控制设备，该设备融合了微电子处理技术、电气生产技术及变频技术，通过改变电机工作电源频率的方式实现对交流电动机的调控管理。变频机主要涵盖了整流、滤波、逆变、制动、驱动、检测处理六大模块，在电路智能化生产过程中发挥重要作用。
2.2变频器工作原理
图1为变频器的基本工作原理，模块P、N组成了交流器电路，具有将交流电整定为直流电的作用，同时将其作用到负荷Z模块上。若在模块P上施加了正弦脉冲信号，此时得到的直流电则呈现正弦规律，其正弦周期为交流电周期的整数倍。在模块P、N的共同作用下，会在负荷Z模块上施加正弦周期电流，其频率能够伴随脉冲信号周期大小调整变化。
2.3变频器发展情况
早在1930年开始，我国学者开始针对交流调试技术展开研究，虽然进展缓慢，但是还是取得了一定成效。在1960~1970年之间，我国的微电子技术、调控技术得到迅猛发展，此时的交流调速能够发挥与直流调速相媲美的功能，并有取代直流调速的趋势。在随后的数十年时间里，我国变频器产业经历从无到有、从有到专的发展历程，并且在全国各个地区都建立了不同规模的变频器生产厂家。目前较为知名的变频器生产厂家有北京ABB公司、上海台达集团、天津SIEMENS公司、无锡台安公司等，在国际市场上也是享有盛名的。
3.变频器应用现状
3.1变频调速方面的应用
变频器最初的研发目的在于对系统电机进行调速管理，以便于确保调速系统满足电动机的各种工作需求。变频器通过改变电机供电频率的方式，实现对同步转速的调速管理，能够大幅降低电机工作成本，同时不会对原有机械性能产生影响。具有高精度无极调速，适用于多种传动机械设备；具有软启软停功能，启动能耗小，不会对电网产生冲击电流影响；具有开环自动/手动、闭环自动/手动多种调控模式，电源频率不会对其产生影响；功率因数与转速呈正比，大幅提升电机使用效率；内部配有微调控器，能够实现一机多控目的；多重保护功能，大幅提高电机安全性能。
3.2高效节能方面的应用
我国作为能耗大国，虽然具有丰富的自然资源，但是对于能源的利用率却相对较低，变频器的出现在很大程度上提高了我国节能环保工作效率。变频器的应用能够大幅提高电机转速控制精度，有助于电机处于最节能的工作状态。就风机水泵而言，结合流体力学知识可知轴功率与转速三次方呈正比，当风量变小引起风机转速降低时，轴功率就会呈现大幅降低趋势，此时就会表现出极佳的节能调速效果。变频机以其优异的节能性能广泛应用于供水系统、空调设备、电梯控制、机床加工、过程调控等多个领域，不仅确保了电机调节精度，同时也降低了人力成本投入，收获较多经营收益。
3.3质量提升方面的应用
变频器技术由于具备简单易控的操作流程、人性化调控管理界面，目前已应用到多种机械设备控制重工业领域。变频器的研发生产在很大程度上提高了电机等电子机械的使用寿命，有效预防噪音污染、降低设备危险的同时，还能进一步提高电子机械的工艺水平及产品质量。例如应用了变频器技术的空调、冰箱、洗衣机等家用电器，在日常使用中具备更小的电压冲击，具有较高的产品质量，因此其使用寿命较传统家电相比更长。
4.变频器引起空气开关跳闸的故障分析
在研究变频器引起空气开关跳闸的故障及对策的研究过程中，我们以某化工厂变配电站的变频器为例进行分析与研究。该变配电站内的变频器品牌为ABB，所使用的型号为ACS510，共有四台同一型号的变频器。接入变频器后，确认变频器与配电柜、水泵等其他配套设备连接正常。
首先是漏电引起跳闸现象。受工作原理的影响，变频器在工作时存在轻微漏电的现象。在正常情况下，变频器工作的电路中电压的频率极小，约为五十赫兹左右，小电流在机箱外可以直接忽略，并不会对机械设备、工作人员等产生影响。但是当变频器变频操作时，会导致线路内电压发生变化，漏电的情况会加重，甚至是原来的数百倍，空气开关具有漏电保护功能，因此当线路内出现漏电的情况就会自动跳闸。其次是谐波干扰问题，在变频器工作的电力线路中，主要应用的是环传感器，在变频器谐波发射的过程中，电力输出端的波会比较明显，常常有电压变形或者尖锐电流的情况，当谐波异常或者漏电的电流超出额定范围内，当空气开关比较灵敏时，就会出现跳闸的现象，如果坚持继续使用该电力线路，就会出现空气开关频繁跳闸的现象。
5.变频器引起空气开关跳闸策略
针对变频器引起空气开关跳闸的原因，主要的解决策略有三个，分别是减少保护开关、使用B型电流剩余保护器以及零地合一，下面我们逐一进行分析。
5.1减少保护开关。在电力线路中，并不是所有的线路都具备安装保护装置的条件与必要。比如在变频器电力线路中，变频器的工作原理就能够使灵敏的空气开关检测出异常，但实际变频器工作过程中并没有危险隐患的存在，所以使用变频器的回路可以适当的将变频器两端的空气开关去除，这样就避免了电力线路频繁被断开的故障。但是为了安全考虑，去除空气开关后，变频器的连接一定要接地，保障线路的正常运行。
5.2B型电流剩余保护器。国家对电力线路的安全知识有一定的规定与建议，国际电工委员会中，提倡变频器电力线路中使用B型电流剩余保护器，该保护器的工作原理与空气开关相似，但是要优于空气开关，因为该保护器在工作时能够将变频器的漏电、变频等情况考虑到工作中，改善了频繁跳闸的问题。
5.3零地合一。变频器线路中漏电的电流最终会通过零线回到电网线路当中，在理论中电流的大小应该与输出的大小相同，但是实际计算过程中发现理论值与实际值还是存在一定的差距，因此零地合一处理能够有效的减少漏电的电流。空气开关跳闸的主要原因是漏电，零地合一能够解决漏电问题，跳闸问题自然迎刃而解。
6.未来变频器发展趋势
随着微电子技术、电气生产技术及变频技术的不断发展，我国变频器逐渐向着主控一体、专业系统、小型集成、低磁除噪的方向发展，变频器控制精度及动态特性将逐渐趋于完善，有助于实现节省时间、节约成本的目的，同时也能在一定程度上提高我国变频器产品的国际竞争力。
6.1主控一体
伴随日本三菱公司DIPIPM模块的成功研发与生产，标志着变频器开始转向调控电路一体化、数字化，并能够满足广大电力用户对于家电产品易操作、较稳定的基本需求。变频器将参数辨识模块、PLC调控模块、PID调控模块、通信模块选择性集成起来，形成的一体化调控系统具有更为完善的功能，不仅提高了整个家电系统的可靠性，同时也减少了系统与外部电路的连接。研究发现，目前研制生产的变频器已经和电动机合二为一，有效降低了系统占地面积，使得系统日常调控更为简洁方便。
6.2专业系统
为了确保变频器在各个领域发挥更多功能，以便适用于各种特殊机械控制系统，专家学者逐渐将研究重心转向专业系统化，其中集中型变频器的研发生产成为大势所趋。我国变频器生产厂家先后研制出适用于各种系统的高性能变频器，像奥圣公司研发的全封闭型变频器能够适用于多种恶劣场所。
6.3小型集成
变频器可谓电气系统功率转换的重要模块，常常伴随系统设计、实装技术的发展而优化创新，为了适应当前系统集成及器件条件的变化，变频器逐渐向着小型集成方向发展。变频器小型集成设计涵盖了较为先进的冷却技术，因此有助于改善功率元件发热情况。北京ABB公司就提出了名为Comp-ACTM的小型变频器理念，他们指出小型变频器应该具备和触发器、启动器相同的操作、安装流程，同时兼具较高的安全性、可靠性。
6.4低磁除噪
随着科技的发展进步，变频器在满足EMC国际标准的前提下需要具备更好的抗干扰性、高次谐波抑制性，通过在变频器输入端安装交流电抗器或连接有源功率因数电路的方式改善输入电流波形，以便于降低电网谐波干扰。利用半谐振方式调控电源开关，这种调控方式控制开关功率在30~50MHz的情况下能够将噪音降至15~20dB。
总结
综上所述，变频器在化工行业中得到了广泛的应用，为节能方面做出了很大的贡献，但是变频器在设计方面、配套元件连接方面等仍然存在很多瑕疵，有待改善。分析、了解变频器引起空气开关跳闸的根本原因，能够在设计中得到优化，并改善与之配套的各种元器件，使此类故障不再出现，保证了变配电站的正常工作，为企业生产经营提供了有效的保障。同时，我们应对各种出现的问题及时做好记录，为以后的研究与改善准备参考资料。
参考文献
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论文作者:王振涛
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第35期
论文发表时间:2019/4/17
标签：变频器论文; 空气论文; 电流论文; 模块论文; 故障论文; 电机论文; 电力线论文; 《建筑学研究前沿》2018年第35期论文;