摘要：本文结合华能海口电厂#8炉空气预热器运行中因变频器过电压跳闸事件，详细介绍了低压变频器的结构原理，分析了变频器过电压的原因及危害，讨论了防止过电压的几种措施，探索出利用制动电阻实现再生制动的方法并计算出制动电阻的参数选型及具体的应用过程，从而有效的防止变频器过电压跳闸，确保机组的安全稳定运行。结果证明，制动电阻再生制动的方法是解决低压变频器过电压故障最简单有效的方法。
关键词：低压变频器；过电压故障；原因；对策
引言
变频器过电压现象是低压变频器运行中常见的故障之一，过电压产生后，变频器为了防止内部电路损坏，其过电压保护功能将动作，使变频器停止运行，导致设备无法正常工作。海口电厂#8/9炉每台空气预热器各配备两台电机，一运一备，电机由AB PowerFlex70变频器驱动，功率为11KW，额定电流为22A，正常运行频率为额定50HZ运行。2012年4月9日16时57分，#8炉8A空气预热器主电机变频器过电压故障跳闸，跳闸时故障参数为：频率60HZ，电流为7.3A，直流母线电压为730V（正常为530V左右）。电流变化如下图1
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1 变频器的工作原理
变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
电压型变频器主电路一般包括：整流电路、中间直流电路、逆变电路、控制电路四部分组成。
1.1整流电路：由VD1-VD6六个整流二极管组成不可控全波整流桥。对于380V的额定电源，一般二极管反向耐压值应选1200V，二极管的正向电流为电机额定电流的1.414-2倍。
1.2中间滤波电路：整流后的电压为脉动电压，必须加以滤波；滤波电容除滤波作用外，还在整流与逆变之间起去耦作用、消除干扰、提高功率因素，由于该大电容储存能量，在断电的短时间内电容两端存在高压电，因而要在电容充分放电后才可进行操作。
1.3逆变部分：把直流电又变为三相交流电，这种逆变电路一般是利用功率开关元件按照电路的驱动、输出脉冲宽度被调制的PWM波，当这种波形的电压加到负载上时，由于负载电感作用，使电流连续化，变成接近正弦波形的电流波形。逆变管V1~V6组成逆变桥将直流电逆变成频率、幅值都可调的交流电，是变频器的核心部分。常用逆变模块有：GTR、BJT、GTO、IGBT、IGCT等，一般都采用模块化结构有2单元、4单元、6单元。
续流二极管D1~D6：其主要作用为：
（1）电机绕组为感性具有无功分量，VD1~VD7为无功电流返回到直流电源提供通道
（2）当电机处于制动状态时，再生电流通过VD1~VD7返回直流电路。
（3）V1~V6进行逆变过程是同一桥臂两个逆变管不停地交替导通和截止，在换相过程中也需要D1~D6提供通路。
1.4控制电路：是用来产生输出逆变桥所需要的各驱动信号。主要由控制核心CPU、输入信号、输出信号和面板操作指示信号、存储器、LSI电路组成。
2 过电压产生原因
变频器的过电压，是指由于种种原因造成的变频器电压超过额定电压，集中表现在变频器直流母线的直流电压上。正常工作时，变频器直流电压为三相全波整流后的平均值。若以380V线电压计算，则平均直流电压Ud=1.35U线=513V。在过电压发生时，直流母线上的储能电容将被充电，当电压上升至700V左右时，（因机型而异）变频器过电压保护动作。造成过电压的原因主要有两种：电源过电压和再生过电压。
2.1电源过电压
电源过电压是指因电源电压过高而使直流母线电压超过额定值，查看事故当时锅炉PC 8A/8B段400V母线电压为394.5V-391.2V之间，电源波动较小，不可能发生电源过电压，故排除此原因。
2.2再生过电压
再生过电压主要有以下原因：当大GD2（飞轮力矩）负载减速时变频器减速时间设定过短；电机受外力影响（风机、牵伸机）或位能负载（电梯、起重机）下放。由于这些原因，使电机实际转速高于变频器的指令转速，也就是说，电机转子转速超过了同步转速，这时电机的转差率为负，转子绕组切割旋转磁场的方向与电动机状态相反，其产生的电磁转矩为阻碍旋转方向的制动转矩。所以电动机实际上处于发电状态，负载的动能被“再生”成为电能。再生能量经逆变部续流二极管（图3中的D1-D6）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。如果再生能量不大，因变频器与电机本身具有20%的再生制动能力，这部分电能将被变频器及电机消耗掉。若这部分能量超过了变频器与电机的消耗能力，直流回路的电容将被过充电，变频器的过电压保护功能动作，使运行停止。
从8A空气预热器跳闸的故障数据记录来看，当时由于空气预热器机械内部存在卡涩，使变频器运行电流波动较大，电流变化率大（dI/dt值大），当时为从15.33A瞬间降至7.3A，而正常电流为9.4A左右，又因电机为感性负载，根据电磁感应及楞次定律可知，电机线圈中将感应出很大的感应电势及感应电流，方向为阻碍电流的减小，这部分能量经逆变部分的续流二极管对变频器直流储能电容器充电，使直流母线电压迅速上升，导致变频器过电压保护跳闸。
3变频器过电压的危害
（1）引起电动机磁路饱和。对于电动机来说，电压主过高必然使电机铁芯磁通增加，可能导致磁路饱和，励磁电流过大，从面引起电机温升过高；
（2）损害电动机绝缘。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；
（3）对中间直流回路滤波电容器寿命有直接影响，严重时会引起电容器爆裂。因而变频器厂家一般将中间直流回路过电压值限定在DC700V左右，一旦其电压超过限定值，变频器将按限定要求跳闸保护。
4过电压的防止措施
防止过电压的措施主要有两种：直流制动（DC制动）和再生制动。
4.1直流制动
直流制动是指将电机减速到一定频率后，在电机定子绕组中通入直流电，形成一个静止的磁场。电机转子绕组切割这个磁场而产生一个制动转矩，使负载的动能变成电能以热量的形式消耗于电机转子回路中，因此这种制动又称作能耗制动。在直流制动的过程中实际上包含了再生制动与能耗制动两个过程。这种制动方法效率仅为再生制动的30-60％，制动转矩较小。由于将能量消耗于电机中会使电机过热，所以制动时间不宜过长。而且直流制动开始频率，制动时间及制动电压的大小均为人工设定，不能根据再生电压的高低自动调节，因而直流制动不能用于正常运行中产生的过电压，只能用于停车时的制动。
4.2再生制动
再生制动方法是指在变频器直流回路中并联一个制动电阻RB，通过检测直流母线电压来控制一个功率管VB的通断（如图3中制动电路所示）。在直流母线电压上升至700V左右时，功率管导通，将再生能量通入电阻，以热能的形式消耗掉，从而防止直流电压的上升。由于再生能量没能得到利用，因此属于能量消耗型。同为能量消耗型，它与直流制动的不同点是将能量消耗于电机之外的制动电阻上，电机不会过热，因而可以较频繁的工作。
5 再生制动的应用
经过以上比较分析，我们选择了利用制动电阻再生制动的方法防止过电压的产生，即增加了如下图2中的制动电路
5.1制动电阻的选择
5.1.1 制动电阻设计
（1）工程设计
实践证明，当放电电流等于电动机额定电流的一半时，就可以得到与电动机的额定转矩相同的制动转矩了，因此制动电阻的粗略计算是：
RB = 2*UD / IMN
其中：
UD 制动电压准位。
IMN 电机的额定电流。
为了保证变频器不受损坏，强制限定当流过制动电阻的电流为额定电流时的电阻数值为制动电阻的最小数值。选择制动电阻的阻值时，不能小于该阻值。
RBmin = UD / IMN
根据以上所述，制动电阻的阻值R的选择范围为：
UD / IMN ＜ R ≤ 2*UD / IMN
制动电阻的耗用功率：
当制动电阻R在直流电压为UD的电路工作时，其消耗的功率为：
P0 = UD2 / R
耗用功率的含义：如果电阻的功率按照此数值选择，该电阻可以长时间的接入在电路里工作。
现场中使用的电阻功率主要取决于刹车使用率ED%。因为系统的进行制动时间比较短，在短时间内，制动电阻的温升不足以达到稳定温升。因此，决定制动电阻容量的原则是，在制动电阻的温升不超过其允许数值（即额定温升）的前提下，应尽量减小容量，粗略算法如下：
PB = λ*P*ED% = λ*UD2 / R*ED%
λ为制动电阻的降额系数：λ = 1-|R-RB| / RB
R为实际的选用电阻阻值。
PB为制动电阻的功率。
以海口电厂#8炉空气预热器AB PowerFlex70型变频器驱动7.5KW的电机为例，7.5KW电机额定电流是15A，输入电压AC400V，则有：
RB = 2*UD / IMN = 2*650/15 = 86Ω
RBmin = UD / IMN = 650/15 =43Ω
因此制动电阻的阻值取值范围：
43Ω＜ R ≤86Ω
PB = λ*UD2/R*ED% = 0.84*650*650/56*0.1 = 634W
根据实际的情况可以在计算的数值功率上适当的扩大。
选择市场上能够买到的型号和功率段为宜，我们选择阻值为56Ω，功率为750W的制动电阻。
6 加装制动电阻后的效果
经过改造加装制动电阻后，2012年6月15日23时，当电机电流波动很大时，变频器仍能很好通过制动电阻消耗能量，达到抑制过电压的作用，从而避免了变频器的过电压跳闸事故。
7 结束语
本文详细介绍了变频器的结构原理，分析了变频器产生过电压的各种原因及相应的防止措施，讨论了再生制动的几种方式，并通过应用实例对过电压的防止及再生制动的应用进行了仔细的分析。结果证明，制动电阻再生制动的方法是解决过电压现象的最简单有效的方法。
参考文献：
[1]满永奎.通用变频器及其应用.北京：机械工业出版社，1995.8-15
[2]吴忠智.变频器应用手册.北京：机械工业出版社，2002.87-95
[3]北京德润电器有限公司.变频器用制动电阻选型.2-4
[4]AB PowerFlex70变频器用户手册
作者简介：
李植冲，毕业于湖南大学电气工程及其自动化专业电力系统方向，现从事发电厂电气设备检修管理工作。
论文作者:李植冲
论文发表刊物:《电力设备》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/6
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