變頻器加速過流與減速過壓的原因分析與參數設置方法

為什么這兩個參數設定不當會導致過電流和過電壓故障停機呢？目前為止，還沒有看到很專業的有關理論分析的文章。本文從電機學理論出發，較詳細地分析了變頻器加速時間過短與減速時間過短，導致加速過流與減速過壓的原因，并提出這兩個參數的設定方法。

一、加速時間過短的過電流分析

從電機學可知電動機運行時渉及到同歩轉速n0，實際運行速度n，轉矩M。電機在加速過程中，時間變化從t1到t2。同歩轉速的n01到n02變化對應于時間變化t1到t2。實際轉速變化在電機加速過程對應于同歩轉速n01和n02，是n1和n2。理想的加速過程是實際轉速以最短的時間t接近同步轉速n0，使轉差率S最小。如果設定變頻器加速時間過短，則會出現同步轉速從0開始幾秒鐘就升到了最高運行頻率轉速nmax；而電機的實際運行轉速n卻由于機械阻力的巨大，上升緩慢。

例如，同步轉速到了40Hz，而此時實際運行轉速卻還在20Hz。這時電機運行的轉差率為0.5。由此可知，加速時間過短會使實際運行的轉速變化跟不上同歩轉速的變化，使轉差率S過大。負載阻力越大，電機運行轉差率越大。電動機轉差率越大為什么電運機的運行電流會越大呢？

異歩電動機等值電路歸算到定子側如圖1所示。電動機轉差率S≈0和S=1的兩種特殊運行情況是空載和起動瞬間。S≈0時運行電流最小，S=1時運行電流最大。在圖1電路中，r1，x1，x2′，r2′，xm，rm都是固定參數(1-S/S)×r2′是變動的阻值。這個變動的電阻是機械負載的等效電阻。負載大這個變動電阻就小；負載小這個變動電阻就大。從圖1可知，總電流I1但與(1-S/S)×r2′有關，而且還主要取決于它。

總電流I1的計算公式如下：

I1=U1/{Z1+Zm/}…………（1）

式①I1—電機相電流，A；U1—電機相電壓，V；Z1—定子阻抗，Ω；Z2′—轉子折算到定子側的阻抗，Ω；Zm—定子勵磁阻抗，Ω；S—轉差率；r2′—轉子折算到定子側的電阻，Ω。

從式以上分析中可以知道：加速時間過短導致變頻器過電流的原因是：實際運行速度跟不上同步轉速增速，導致轉差率升高，從而導致附加電阻減少，電機運行電流超過變頻器設定值而跳閘。要使變頻器在加速時不過電流應該增加加速時間保證在加速過程中轉差率控制在不發過流故障跳閘信號。以上分析是基于電機負載在額定負載范圍內。

二、 加速時間過短過電壓分析

在圖1的電路中，(1-S/S)×r2′是一個附加電阻，在附加電阻中，會發生損耗I22(1-S/S)×r2′。這部分損耗并不是轉子電路中的電功卒損耗，而是一種表征異步電動機的機械功率。異歩電動機轉速與運行狀態關系如下：當0<S <1時， 異步電動機作機械運行， 電機產生的機械功率是正值， 并且附加電阻所產生的功率I22(1-S/S)×r2′也是正值， 異歩電動機輸出杌械功率。

在-∞<S<0時，I22(1-S/S)×r2′變為負值。這時異步電動機輸入機械功率變為發電機。

異歩電動機在發電狀態下，機械特性曲線如圖2所示。電動機在運行電動機狀態下時的機械特性曲線為1。機械負荷為Mf。在電機減速時，從機械特性曲線1滑落到機械特性曲線2. 減速到機械特性曲線2時，同步轉速為n02，由于機械負載的慣性的影響，實際上運行速度并沒有及時降到n02以內，仍然在n02到nr以內。這時電動機運行在機械特性曲線2的A點。這時電動機的狀態是：工作在機械特性曲線第Ⅲ象限，實際運行轉速nr高于同歩轉速n02，轉矩的方向與轉速的方向相反，產生制動轉矩，電動機處于發電狀態。從能量守恒定理來看：這是由機械轉動慣量所貯存的機械能轉化為電能。此時旳三相異步電動機已成為交流發電機，所發電壓：

U1=4.44kfNΦ……………（2）

（2）式中U1—定子相電壓；k—繞組系數；f—頻率；N—每相繞組匝數；Φ—每對極磁通量。

交流發電機所發電壓的頻率為：

f =Pn/60（3）

（3）式中f—頻率；P—極對數；n—轉速。

把（3）式代入（2）式中，得

U1=4.44kN(Pn/60)Φ=CeΦn （4）

（4）式中Ce—電機結構常數。

從（4）式中可知，異歩電動機工作在發電狀態下所發出的電壓與高出同步轉速的實際運行速成正比，實際運行速度高出同歩轉速越多，發電輸出電壓越高。當異歩電動機工作在發電機狀態下，變頻器直流母線電壓由兩部分迭加組成：電網輸入電壓整流電壓Ud，和發電產生的電壓U1，即母線直流電壓為Ud+U1。當Ud+U1超過過電壓保護設定值時，變頻器發出過電壓保護故障信號并停止輸出。

三、加咸速時間設定方法

機械設備的功率越大，加速時間越長。一般30kW以內的機械設備的加速時間設在20S以內。30kW到75kW內設在30S以內。以上數據只是經驗數據。在變頻器加減參數設定時，可把加減速時間設大一點，再以4S為臺階進行調整，以不發生保護動作為原則，進行微調。

四、過流與過壓故障的原因匯總

1. 加速過大導致的過流：當在變頻器啟動和加速過程中，變頻器的輸出頻率不斷增加，同時輸出電壓也會隨之增加，增大的負載需求的電流，因此變頻器會產生過流。此時，變頻器會通過保護機制將電路關閉，以避免損壞電路設備的情況發生。

2. 電源電壓不穩導致的減速過壓：由于電源電壓不穩定或當電動機的瞬間速度不斷提高，此時輸出瞬間功率會加大，因為跟電磁感應定律，電磁感應電動勢差會增加，此時會導致減速時系統電路中出現電壓過高。

3. 電容損壞所導致的故障：電容是變頻器中的重要部件之一，如果電容損壞或失效將會對變頻器工作造成重大影響。當電容老化或燒壞時，可能會導致電壓升高或放電速度不夠快，從而導致電容電壓大幅上升，進而引發減速過壓或加速過流等故障。

4. 電機參數不匹配：變頻器必須與驅動的電機機型相匹配，否則可能會產生不匹配的應力波動，導致減速過壓或加速過流故障的發生。