变频器的主要保护功能.doc

变 频 器 讲 座 资 料
第七讲：变频器的主要保护功能

张燕宾
1  变频器的过载保护功能
    过载保护功能是保护电动机过载的。从根本上说，对电动机进行过载保护的目的，是使电动机不因过热而烧坏。因此，进行保护的主要依据便是电动机的温升不应超过其额定值。
1.1  发热保护的反时限特性
    电动机的热保护功能具有反时限特性。即电动机的过载电流越大，允许过载的时间越短，保护动作的时间也越短。
    例如，当运行电流为额定电流的105%时，可维持5.8min后才进行保护跳闸；当运行电流为额定电流的150%时，运行1min就需进行保护跳闸；而当运行电流为额定电流的180%时，允许的持续运行时间只有36s（0.6min），如图1所示。 

图1  过载保护的反时限特性
1.2  温升与频率的关系
(1)  电动机的发热与频率的关系
    电动机在低频运行时，由于散热情况变差，故发热比较严重。即使在IM=100%IMN的情况下，其稳定温升也会超过电动机的允许温升。 

图2  低频时的发热曲线
(2)  温升曲线
    例如，在图2中，当频率ƒX=50Hz、IM=100%IMN时，其温升曲线为曲线①；而当频率fX=20Hz、IM=100%IMN时，其温升曲线为曲线②。允许运行的时间将缩短为t’。
1.3   变频器的电子热保护功能
(1)  电子热保护的特点
    根据电动机发热的上述规律，所有的变频器都配置了电子热保护功能，其热保护曲线如图3所示。主要特点有：
    ①  具有反时限特性；
    ②  在不同的运行频率下有不同的保护曲线，如图3所示：当频率为50Hz、运行电流为150%IMN时，允许连续运行的时间较长，为t1；当频率为20Hz时，允许连续运行的时间缩短为t2；而当频率为10Hz时，允许连续运行的时间进一步缩短为t3。可见，频率越低，允许连续运行的时间越短。 

图3  电子热保护曲线
(2)  电子热保护功能的预置
    在实际应用中，变频器的容量和电动机容量之间的配用情况不是固定的。例如，对于长期不变的负载，一台55kVA的变频器配用的电动机应该是37kW。但对于变动负载、断续负载和短时负载，由于电动机是允许短时间过载的，而变频器则不能。因此，也可能配用22kW甚至15kW的电动机。
针对这种情况，在预置电子热保护功能时，必须预置“电流取用比”：
                      (1)
式中IM%为电流取用比；IMN为电动机的额定电流，A；IN为变频器的额定电流，A。
变频器将根据用户所预置的电流取用比，来决定进行保护跳闸的时间。
(3)  不同变频器对相关功能的称谓
    电子热保护选择、电机负载曲线、过载过热保护动作方式、电机过载保护系数、电子热过载继电器、电子热动电驿选择。
    英文名称有：overload setting、electronic thermal overload relay、electronic thermal level adjustment、electronic thermal characteristic selection、motor thermal protection mode selection。
2  变频器的自处理功能
    变频器的保护功能是比较准确而灵敏的，但过多的跳闸，也会使用户感到不方便。为此，变频器对于某些持续时间不长、电流或电压在上升时的变化率（和）不高的“故障”，设置了避免跳闸的自处理功能，也叫防失速功能。例如，在升、降速过程中的过电流和过电压，以及偶发性的短时间过载等。
2.1  加速过电流的自处理功能
(1)  加速过程中的过电流
    众所周知，加速时间预置得太短，会增大加速电流，产生过电流。
这里需要注意的是：在电力拖动系统中，加速时间的长短是一个相对的概念。它是和拖动系统的惯性大小（由GD2表示）有关的。如果拖动系统的惯性很大，即使预置的加、减速时间并不短，但只要拖动系统的实际转速跟不上频率的上升，使电动机的转差增大，转子绕组切割旋转磁场的速度增大，也会形成过电流。
总之，在加速过程中，只要出现拖动系统的转速跟不上频率的变化，导致过电流者，就是加速时间预置得太短所形成的。
(2)  变频器对加速过电流的自处理功能
    在加速过程中，如果加速电流超过了某一设定值Iset（即起动电流的最大允许值），变频器的输出频率将暂停增加，待拖动系统的转速跟了上来，电流下降到设定值Iset以下后再继续升速，如图4所示。 

图4  加速过电流的自处理功能
(3)  不同变频器对相关功能的称谓
    加速中过电流失速防止准位设定、加速时电流基准值、加速中防止失速电平、加速中防止失速极限。
英文名称有：reference current for acceleration、stall P acceleration selection、stall P acceleration level。
2.2  运行过电流的自处理功能
    在拖动系统中，运行过电流主要有两种情况：
(1)  正常过载
    例如，当电动机拖动变动负载、断续负载或短时负载时，只要电动机的温升不超过额定值，短时间的过载是允许的。而这短时间的过载，有可能导致变频器的过电流。
(2)  非正常过载
    这主要发生在生产机械本身发生故障，或因保养不当，润滑系统干涸等原因，导致电动机负荷加重。
(3)  变频器对运行过电流的自处理功能
    变频器在运行过程中出现过电流时，其自处理方法是：当电流超过设定值Iset时，变频器首先将工作频率适当降低，到电流低于设定值Iset时，工作频率再逐渐恢复，如图5所示。 

图5  运行过电流的自处理功能
(4)  不同变频器对相关功能的称谓
    选择运行中防止失速功能、运行中防止失速电平、电流限幅功能、电流限幅动作水平、失速过流点、运转中过电流失速防止准位设定。
英文名称有：stall P run selection、stall P run level 、maximum output current、current limit。
2.3  减速过电压的自处理功能
(1)  变频调速系统的减速过程
    变频调速系统是通过降低频率来减速的。正常运行时，电动机的实际转速总是低于同步转速的，设为1 440r/min。这时，转子绕组以转差Δn反方向（与旋转磁场方向相反）切割旋转磁场，转子电流和转子绕组所受电磁力FM的方向如图6(a)上方所示。由图知，由FM构成的电磁转矩TM的方向是和磁场的旋转方向相同的，从而带动转子旋转。
    当频率刚下降（设下降为45Hz）的瞬间，由于惯性原因，转子的转速仍为1 440r/min，但旋转磁场的转速却已经下降了（例如，下降为1 350r/min）。因此，转子绕组切割旋转磁场的方向、转子电动势和电流等都与原来相反，电动机变成了发电机，处于再生制动状态，如图6(a)下方所示。
从能量平衡的观点看，降速过程是拖动系统释放动能的过程，所释放的动能转换成了再生电能。再生电能由逆变管旁边的二极管进行三相全波整流后反馈到直流电路，使直流电压上升，称为泵升电压，如图6(b)所示。
(2)  减速过程中的过电压
    即降速过快引起的过电压。和升速过程相仿，对于惯性较大的负载，如果降速时间预置得过短，会因拖动系统的动能释放得太快而引起直流回路的过电压。为了避免跳闸，变频器设置了降速过电压的自处理功能。如果在降速过程中，直流电压超过了某一设定值Uset，变频器的输出频率将不再下降，电动机暂缓降速，待直流电压下降到设定值以下后再继续降速，如图7所示。 

(a) 电动机的状态 (b) 直流电压上升
图6  变频调速系统的减速过程 

图7  降速自处理功能
(3)  不同变频器对相关功能的称谓
    过电压保护功能、再生过电压处理方式、过压失速功能选择、失速过压点、过电压失速防止功能设定、直流过压控制器、过电压控制器。
    英文名称有：DC over voltage controller、over voltage controller。
3  变频器的跳闸与重合闸功能
3.1  变频器的跳闸
(1)  过电流跳闸
    变频器过电流跳闸主要发生在电流上升的变化率较大，可能对变频器构成威胁的情况下，其主要原因有：①  变频器输出侧短路；②  变频器的转矩补偿（U/f）预置过高，而负载又较轻，电动机的磁路因补偿过分而严重饱和，励磁电流出现很高的尖峰，变频器因很大而跳闸；③  电动机因负荷过重而堵转。
(2)  过电压跳闸
    主要原因有：①  电源电压过高；②  减速时间预置过短，而又未预置自处理功能；③  受到电压冲击的干扰。比较常见的是变电所内的补偿电容在合闸瞬间产生冲击电压，虽然时间很短，但电压的变化率很高，如图8所示。

(a) 投入电路                (b) 电压波形
图8  电容投入
(3)  欠电压跳闸
    主要原因有：①  电源电压过低；②  电源缺相（有的变频器另有缺相保护功能）；③  附近有其他大容量的电子设备，尤其是晶闸管设备。大容量晶闸管在导通瞬间，容易使电源电压出现凹口，如图9所示。 

图9  晶闸管设备引起的电压畸变
3.2  重合闸功能
(1)  设置重合闸功能的必要性
    ①  避免误动作 因为变频器的保护环节较多，且灵敏度较高，存在着误动作的可能。为了防止拖动系统因误动作而停机，变频器在跳闸后，将自动试行重合闸；
    ②  防止因外部的不重复冲击而跳闸 如上述，电容器补偿柜投入瞬间的尖峰电压（如图8），以及晶闸管设备导通瞬间的电压凹口（如图9）等。对于这种重复率较低的过电压或欠电压，变频器在跳闸后，可以重合闸；
    ③  电源的瞬间过电压或停电 电源网络如因某种原因（如雷电等）出现瞬间过电压或停电，变频器可以再试重合闸。
3.3  重合闸功能的预置
(1)  重合闸功能的预置项目主要有两个：
    ①  重合闸次数 即允许重合闸的次数，有的变频器最多可重合闸10次之多；
    ②  重合闸的间隔时间 即每两次重合闸之间的时间间隔，预置的范围通常是0~10s，也有可长达20s的。
(2)  不同变频器对相关功能的称谓
    故障自恢复次数、故障自恢复间隔时间、故障自动复位重试中故障继电器动作选择、异常再起动次数选择故障后重新起动、自动重起的次数、自动重起的延迟时间、重试次数、重试等待时间、自动重新起动尝试次数、自动重新起动尝试时间。
    英文名称有：retry selection、number of retries at alarm occurrence、retry number、retry delay、number of retries、retry wait time、auto restart(restart time、frequency fall rate)、retry waiting time。

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