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电压传感器在日立大容量变频器中的应用及故障

随着越来越多的新技术的发展，电压传感器也得到了进一步发展和应用。例如传动系统的变频器和整流器、不间断电源、有源滤波器、无功补偿、电池充放电、半导体保护、驱动保护等设备或系统中，大量使用了各种各样的电压传感器。电压传感器的作用是自动检测电压，从而使我们能够对设备或系统的电压进行控制和显示，必要时采取过压、欠压等自动保护措施。
本文主要介绍电压传感器在日立大容量hivectol变频传动系统中的应用。
电压传感器在日立大容量hivectol变频器中的应用。日立大容量hivectol变频器主要用于冷轧轧机大马达主传动。大容量变频器为交－直－交三电平式变频器，由整流器柜、逆变器柜及公共控制柜、进线柜以及输出隔离开关柜等组成，其中整流器采用功率因素控制、电压控制、矢量控制及三电平pwm控制，逆变器采用速度控制、矢量控制和三电平pwm控制。变频器的功率元件采用三菱大功率igbt，规格为3.3kv/1.2ka。整流器或逆变器最大功率可达8800kva，两套并联可组成最大17600kva的传动系统。
该变频器采用了某公司两种型号规格的电压传感器，一种是em010系列中的em010-9318，另一种是vs系列中的vs4200b。
电压传感器简介，em010-9318和vs4200b电压传感器各有它们自己的特点，下面分别进行简单介绍。
（1）em010-9318电压传感器》em010-9318电压传感器是一种采用闭环霍尔效应技术的电子式变压器，由于原、副边之间采取了电气绝缘，它可以测量直流电压、交流电压、脉冲电压等。要测量的电压up直接加到传感器原边的端子ht+（高压正极）和ht-（高压负极）上。原边必须串一个输入电阻re，与线圈电阻rp相串联，以限制电流ip和传感器的发热。本系统使用的电压传感器的输入电阻re是在产品制造时集成在内部的，称为校准型em010电压传感器，如果输入电阻re是外接的，则称为非校准型em010电压传感器。em010-9318电压传感器的主要特点是原副边回路间有电气绝缘、可以测量各种波形（直流电压、交流电压、脉冲等）、精度高、可靠性高。
（2）vs4200b电压传感器。vs4200b电压传感器是一种基于电子技术且仅使用电子部件的电压传感器，与应用闭环式或开环式霍尔效应技术的传感器相比，该电压传感器不使用磁芯或霍尔电极，由于原副边回路之间具备电气绝缘，可以测量直流电压或交流电压，如图3所示。要测量的电压up直接加到传感器原边的端子ht+（高压正极）和ht-（高压负极或地）。电压up通过绝缘放大器转化成副边的输出电流is，副边电流is与原边电压之间为电气绝缘，副边电流is与原边电压up成精确的比例关系。副边电流is通过测量电阻rm，因此，测量电阻rm两端的测量电压vm也就与原边电压up成精确的比例关系。
电压传感器测量的是瞬时电压值。vs4200b电压传感器的主要特点是原副边回路间有电气绝缘、可以测量各种波形（直流电压、交流电压等）、具有极强的抗磁场能力、动态性能好、精度高、可靠性高、适宜性强、结构小巧紧凑。
电压传感器实际应用信号处理。电压传感器em010-9318和vs4200b的作用有所区别，em010-9318用于测量整流器输出p、0、n电压（-1750v－0v－+1750v），测量直流电压。而vs4200b用于测量逆变器输出u、v、w间的电压（0～1750v），测量交流电压。将测量电压转变为整流器/或逆变器用的控制信号，要经过到一系列处理。
两种类型的电压传感器输出信号都是模拟电流信号（is），需通过接测量电阻（rm）转化为电压信号（vm），再把vm信号通过接口板送给变频器的控制板hmd438，进行滤波、放大隔离以及a/d转换、反馈系统调整（在软件中设定放大系数）等，最后才用于计算、保护等用途。
em010-9318电压传感器检测回路有关参数确定：
（1）整流器有关参数如下：输出p-0-n额定电压为直流3300v，即p-0或0-n为1650v。
（2）em010-9318的有关参数如下：upn=2000v、isn=50ma。则1650v电压时em010-9318输出电流为is＝（1650/2000）×50＝41.25ma。输出测量电阻计算为rm＝vm/is＝6/0.04125＝145.45ω 实际取三个电阻150ω∥10kω∥10kω并联，并联后的阻值为145.63ω。对应的测量电压为：vm＝145.63×0.04125＝6.01v。取滤波时间常数为47μs、放大倍数为1，则反馈系数调整值为6/6.01= 0.999倍，从而保证了电压控制信号6v对应于整流器输出额定电压dc 3300v。
vs4200b电压传感器检测回路有关参数确定：
（1）逆变器有关参数如下：u、v、w各相线间输出额定电压为交流1750v。
（2）vs4200b的有关参数如下：upn=4200v、ism=50ma则4200v电压时vs4200b输出电流为is＝（1750×1.414/42000）×50＝29.46 ma。输出测量电阻计算为rm＝vm/is＝6/0.02946=203.67 ω 。实际取两个电阻150ω∥10kω并联，并联后的阻值为147.78ω。对应的测量电压为：vm＝147.78×0.02946＝4.354v。取滤波时间常数为330μs、放大倍数为1，则反馈系数调整值为6/4.354=1.378倍。
为什么实际电阻采用150ω而不用其它数值的电阻以接近计算值203.67 ω呢？主要是考虑到硬件的标准化问题，因为测量电阻都安装在控制板的接口板上，各电压传感器都是通过接口板再输入到控制板内的，该板子上安装的电阻为150ω和10kω。另外通过软件修改反馈系数调整值也比焊接电阻方便很多。
电压传感器典型故障案例说明：某厂使用的日立大容量hivectol变频器曾多次因电压传感器异常而导致变频器跳电的故障，由于对故障现象分析比较困难，故障判断、处理时间比较长，最长的故障时间多达7个小时，严重影响到机组的正常生产。经过实践与摸索和总结，找到了故障特点，后续发生类似故障时就比较驾轻就熟了。下面对两种电压传感器各举一个典型故障案例进行分析说明，以供大家借鉴。
em010-9318电压传感器故障案例：变频器中实际使用了4个em010-9318电压传感。其中pt1、pt2用于整流器充放电控制、输出直流电压控制以及过压检测保护，而pt3、pt4用于逆变器的过压检测保护。
2007年9月26日，一台变频器突然发生直流母排过电压跳电故障,故障代码为dc over voltage。用高压电压表检查测量母排实际电压，p-0间电压为1650v（额定电压），而0-n间电压为1750v，该母排间电压过高。再检查变频器内故障记录数据，发现pt4检测出的电压为110%，其它三个pt检测出的电压值均为100%。（正常时电压为100%，电压超过10%时过电压报警跳电）。由于0-n母排间实测电压过高，电压传感器pt4测量值是正确的，而相同母排上另一个电压传感器pt2测量值是错误的，pt2有异常。
为什么pt2异常而检测出的数值却无“异常”呢？可以如下解释：
pt2输出的信号是用于整流器电压反馈控制的，pt2正常时1650v母排电压对应pt2输出信号为100%，当pt2有异常时，1650v电压对应pt2输出就不是100%了，而是只有94.29%（＝1650/1750×100%）,而整流器电压给定值为100%，于是整流器内电压调节器avr就要自动调节，直到反馈值与给定值一致，即一直要反馈值到（pt2输出）100%为止，而此时0-n侧母排对应的实际电压为1750v（=100%/94.29%x1650v）。更换pt2后，0-n母排间电压恢复为1650v，4个pt检测出的电压值均为100%。
vs4200b电压传感器故障案例：变频器实际上使用了2个vs4200b电压传感pt5、pt6。用于逆变器输出u、v、w三相交流电压控制以及过压检测保护。
2008年11月2日，一台变频器突然发生电压合理性异常跳电故障,故障代码为voltage rationality abnormal。电压合理性异常是指一次侧电压给定值eqact与电压实际值eqact不一致，如果两者偏差超过30%就判断为电压合理性异常，发出重故障跳电，以保护传动系统防止事故扩大化。其中eq是交流电动机等效电动势e的q轴分量。在低速时（基速以下），e与电动机速度有关，所以通过脉冲发生器plg检测出电动机的实际速度，根据速度值计算出eq实际电压值eqact；而在高速时（基速以上），则通过pt5、pt6检测出实际电压uuw、uvw和其它参数计算出eq电压实际值eqact。当逆变器输出侧电压传感器pt6出现异常时，测量出的v、w相之间的电压值uvw不正常（电压波形正半部分峰值明显偏小）。从而使控制器矢量变换计算eq出错，最终电压给定值eqact与电压实际值eqact不一致，当两者偏差大于30%时发出故障报警。换电压传感器pt6后，v、w相之间的电压值uvw变为正常，“电压合理性异常”故障也消失了。