摘要：对于交—直—交电压源型中性点钳位三电平高压变频器而言，过电压主要体现在直流环节过电压，过电压保护主要是对变频器系统中的电力电子开关器件进行保护。过电压的危害在于：对直流滤波大电容寿命有直接影响，严重时会击穿电容器；对开关器件的安全构成威胁，严重时会损坏器件。过电压保护是高压变频器的一个重要组成部分，它对变频器安全稳定的运行具有重要的意义。
关键词：高压变频器；过电压保护；控制
1变频器产生过电压的原因
过电压对变频器的影响：通用变频器的基本组成电路是整流电路和逆变电路两部分，整流电路是将工频交流电整流成直流电。逆变电路再将直流电逆变成频率和电压可调的交流电。变频调速装置一般是均采用交一直一交电压模式。变频器过电压一般是指中间直流回路过电压，其危害主要有以下三点：一是电网电压升高会增加电机铁芯磁通，很容易造成磁路饱和，加大励磁电流，导致电机温升过大，损伤电机;二是电网电压升高会使中间直流回路电压升高后，变频器输出电压的脉冲幅度过大，对电机绝缘寿命有很大的影响;三是对中间直流回路滤波电容器寿命影响很大，甚至会引起电容器爆裂。
变频设备在运行的过程中，经常因故障发生停运事故，而造成变频器停运原因，一半以上是过电压事故。变频器电压过高的故障，一般是由以下原因造成的。
1.1输入侧（电源）电压原因
三相交流额定电压是380V，允许误差在7%—10%，也就是说变频器的输入电压允许在353.4V—418V波动，当供电电压高于或低于此范围值时，会造成变频器过电压或者欠电压故障。夜间或者节假日供电系统负载较轻时，供电系统电压将会升高，最有效的解决措施就是采用有载调压电力变压器。而对电力系统故障时引起的电压升高，如电力系统由于谐振而引起的的电压升高，应断开变频器电源，检查电力系统故障，等故障排除后再进行变频器启动。
1.2输出侧负载原因
①再生类过电压：产生再生类过电压主要有一下原因：当大飞轮力矩负载减速时，变频器减速时间设定过短；电动机受外力影响或位能负载下放。这些原因使电动机实际转速高于变频器的指令转速，也就是说，电动机转子超过了同步转速，这时电动机的转差率为负，转子绕组切割旋转磁场的方向与电动机状态时相反，其产生的电磁转矩为阻碍旋转方向的制动转矩。电动机实际上处于发电状态，负载的动能被“再生”成为电能。再生能量经逆变器的续流二极管对变频器直流储能电容器充电，使直流母线电压上升，这就是再生过电压。因再生过电压的过程中产生的转矩与原转矩相反，为制动转矩，因此再生过电压的过程就是再生制动的过程。换句话说，消耗了再生能量，也就提高了制动扭矩。如果再生能量不大，因变频器与电动机本身具有20%的再生制动能力，这部分电能将被变频及电动机消耗掉。若这部分能量超出了变频器与电动机的消耗能力，则直流回路的电容将被过充电，变频器的过电压保护功能就会动作。
②电动机正在运行时所带负载突然消失（如抽油机皮带断、柱塞泵柱塞失效），电动机产生自感电动势，并且与电源电压（变频器输出的电压）同方向叠加，形成高电压，使变频器产生过电压故障。
1.3其他原因
①变频器所带电动机或变频器出线电缆接地，这种时候启动电机，输出电流突增，变频器停运，报过电压。
②外部环境，雷电、大风等恶劣天气等因素，也是产生过电压的原因。
③操作不当，在进行变频器参数设置时，因减速时间过短电机反馈产生的大量能量会积聚在滤波电容上，从而造成变频器过电压故障。
2.变频器的过电压故障解决措施
解决电网过电压对变频器的影响，主要思路是对变频器中间直流回路多余能量进行有效及时处理，同时要预防或者降低多余能量馈送到变频器的中间直流回路，让电网产生的过电压处于一定的允许值内。
1)装设浪涌吸收装置或者串联电抗器作为吸收装置
电网的冲击过电压、雷电导致过电压以及补偿电容在合闸或断开时是造成变频器输入端过电压的主要原因。对于此类隐患，可以在变频器装设浪涌吸收装置或者串联电抗器预防。浪涌吸收装置就是在连接逆变器和电动机的U、V、W相的各动力线间、以及这些动力线和地之间，分别连接半导体浪涌吸收元件。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆这些半导体浪涌吸收元件在两端子间达到规定的电压以上就流过电流并箝位电压的特性。串联电抗器能够降低电容器组的涌流倍数和涌流频率，提高短路阻抗，减小短路容量，降低短路电流，减小操作电容器组引起的过电压幅值，避免电网过电压保护等作用，是抑制过电压有效方法。
2)调整变频器已设定的参数
如果工艺流程中对负载减速时间不限定，在设置变频器减速时间参数时，以不引起中间回路过电压为限为条件设定，不能太短，避免出现负载动能释放太快情况，尤其是变频器所控制负载惯性较大的设备，减速参数要适当增加;如果生产工艺流程对负载减速时间有一定的要求，为预防变频器在限定时间内出现过电压跳停，要设定变频器失速自整定功能，也可设定变频器的频率值，通过减缓频率降低所控制设备的转速。
3)增加泄放电阻
泄放电阻就是在储能元件两端并联的电阻，给储能元件提供一个消耗能量的通路，使电路安全。这个电阻叫泄放电阻。可以是二极管，如电感(继电器线包)并联的二极管。当前功率较小变频器一般在制造时内部中间直流回路都设计了控制单元与泄放电阻，而大功率的变频器为给其中间直流回路能够很好的释放多余的能量提供通道，应该根据工艺需要增加泄放电阻，从而预防过电压。
4)增加逆变电路
逆变电路基本作用是在控制电路的控制下，将中间的直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源，在变频器的输入侧增加逆变电路，可以使变频器中间直流回路多余的能量回馈给电网。但造价较高，技术要求复杂。
5)在中间直流回路上加合适电容
根据变频器的容量以及其中间直流回路的电流电压的估算，可以在其中间直流回路上增加合适的电容，此电容能够稳定回路电压，提升回路承受过电压的能力，也可在设计阶段选用较大容量的变频器来有效防治过电压的影响。
6)降低工频电源电压
当前，常用变频器电源侧均是采不可控整流桥，其特点是电源电压较高，中间直流回路产生的电压也跟着升高。譬如电源电压为380V时，变频器的直流回路电压达到537V，如果变频器离变压器的位置较劲，其输入电压一般为400V以上，导致中间直流回路承受过电压会更高。因此，在条件容许下，可利用变压器的分接开关，通过低压档的放置降低电源电压来提升变频器过电压能力。
7)多台变频器共用直流母线
可根据实际需要进行设计将多台变频器的直流母线回路并联在一起(变频器本身设计有外接的直流母线输出端子)，这样任何一台变频器从直流母线上取用的电流通常情况下都是大于同时间从外部馈入的多余电流，可以保持共用直流母线的电压，因此，至少两台同时运行的变频器具有共用直流母线能够平衡变频器的直流母线电压，使设备启动、停止时对电网的冲击也低，同时在电机停机成了发电机，能量回馈到直流母线。
8)通过控制系统功能优势解决变频器过电压问题
变频器的减速和负载的突降一般受在工艺流程中的受控制系统控制。因此，可以在变频器的减速和负载的突降前，通过支配的工艺流程控制系统对变频器进行控制，降低过多的能量馈入变频器的中间直流回路。譬如把变频器输入侧的不可控整流桥换成半可控或全控整流桥规律性减速过电压，在工艺流程减速前，可以把中间直流电压控制符合要求低值范围内，同时增加了中间直流回路承受馈入能量的能力，预防过电压。如果生产工艺流程使变频器规律性负载突降，在负载突降前，可以通过FOXBORO的DCS集散系统的控制功能的控制系统，适当提升将变频器的频率，减少变频器中间直流回路被负载侧过多的能量馈入。
结语
综上所述，根据高圧变频器的实际情况做好过电压保护和控制工作，可以在很大程度上保证中性点箱位三电压的稳定性，进而确保高压变频器安全稳定的工作状态和使用性能。这样才能保证输电线路的稳定和安全，保证电力供给的持续性。
参考文献
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论文作者:段学鹏
论文发表刊物:《电力设备》2019年第14期
论文发表时间:2019/11/7
标签：过电压论文; 变频器论文; 电压论文; 回路论文; 负载论文; 电动机论文; 母线论文; 《电力设备》2019年第14期论文;