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案例详细
标题变频器的故障排除 第2讲 变频器过流故障及案例分析
技术领域
行业电子制造
简介变频器中过流保护的对象主要指带有突变性质的、电流的峰值超过了过流检测值，变频器则显示过流，由于逆变器件的过载能力较差，所以变频器的过流保护是至关重要的一环。本文分析了变频器过流故障发生的原因，以及解决过流问题的一些通用措施，并以“罐车变频器过流”案例阐述了过流故障排除的步骤。
内容









李方园（1973-）

男，浙江舟山人，毕业于浙江大学电气自动化专业，高级工程师，长期从事于变频器等现代工控产品的应用与研究工作。

摘要：变频器中过流保护的对象主要指带有突变性质的、电流的峰值超过了过流检测值，变频器则显示过流，由于逆变器件的过载能力较差，所以变频器的过流保护是至关重要的一环。本文分析了变频器过流故障发生的原因，以及解决过流问题的一些通用措施，并以“罐车变频器过流”案例阐述了过流故障排除的步骤。

关键词：变频器；过流故障；转矩提升；矢量控制

Abstract: AC inverter Inverter overcurrent mainly refers to the object with the current 
peak value by detection. Due to poor overload IGBT device of the inverter, AC`inverter’ s 
overcurrent protection is the essential element. This paper analyzes the inverter over-current fault causes, as well as overcurrent problem to solve some common measures. Finnaly 
the example of  “tanker inverter overcurrent” is explained and the overcurrent 
troubleshooting steps are carried out.

Key words: AC inverter; Overcurrent fault; Torque Boost; Vector Control

1 前言

    变频器中过流保护的对象主要指带有突变性质的、电流的峰值超过了过流检测值(约额定电流的200％，不同变频器的保护值不一样)，变频器则显示OC（Over Current）表示过流，由于逆变器件的过载能力较差，所以变频器的过流保护是至关重要的一环。

    过流故障可分为加速、减速、恒速过流等，其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均、输出短路等原因引起的。

    本文将主要探讨变频器过流形成的原因及其处理办法。

2 变频器过流故障的原因

    根据变频器过流故障显示，可从以下几方面寻找原因。

    （1）工作中过流，即电机拖动系统在工作过程中出现过流。

    其原因大致有以下几方面：

    一是电动机遇到冲击负载或传动机构出现“卡住”现象，引起电动机电流的突然增加；

    二是变频器输出侧发生短路（如图1所示），如输出端到电动机之间的连接线发生相互短路，或电动机内部发生短路等、接地（电机烧毁、绝缘劣化、电缆破损而引起的接触、接地等）；

                               图1   变频器输出侧短路

    三是变频器自身工作不正常，如逆变桥中同一桥臂的两个逆变器件在不断交替的工作过程中出现异常。如环境温度过高，或逆变器元器件本身老化等原因，使逆变器的参数发生变化，导致在交替过程中，一个器件已经导通、而另一个器件却还未来得及关断，引起同一个桥臂的上下两个器件的“直通”（如图2所示），使直流电压的正、负极间处于短路状态。

                               图2   桥臂直通故障

    （2）升速、降速时过流：当负载的惯性较大，而升速时间或降速时间又设定得太短时，也会引起过流。在升速过程中，变频器工作频率上升太快，电动机的同步转速迅速上升，而电动机转子的转速因负载惯性较大而跟不上去，结果是升速电流太大；在降速过程中，降速时间太短，同步转速迅速下降，而电动机转子因负载的惯性大，仍维持较高的转速，这时同样可以使转子绕组切割磁力线的速度太大而产生过流。

    （3）变频器上电或一运行就过流

    这种保护大部分是因变频器内部故障引起的，若负载正常，变频器仍出现过流保护，一般是检测电路所引起，类似于短路故障的排除，如电流传感器、取样电阻或检测电路等。该处传感器波形如图3所示，其包络类似于正弦波，若波形不对或无波形，即为传感器损坏，应更换之。

                               图3   传感器的波形图

    过流保护用的检测电路是模拟运放电路，如图4所示。在静态下，测A点的工作电压应为2.4V，若电压不对即为该电路有问题，应查找原因予以排除。R4为取样电阻，若有问题也应更换之。

                               图4   过流检测电路

3 过流故障处理对策

    通常有以下集中处理对策

    （1）负载侧检查

    负载侧的原因是引起变频器过流的最主要因素，因此一旦发生过流故障，首先要检查：

    工作机械有没有卡住，以避免电机负载突变，引起的冲击过大造成过流；

    负载侧有没有短路，以避免电机和电机电缆相间或每相对地的绝缘破坏、造成匝间或相间对地短路，此项内容可以用兆欧表检查对地或者相间有没有短路；

    电动机的起动转矩过小，拖动系统转不起来；

    过流故障还与电机的漏抗、电机电缆的耦合电抗有关，所以选择电机电缆一定按照要求去选；

    在变频器输出侧有无功率因数矫正电容或浪涌吸收装置，如果有，就必须撤除；

    当负载电机装有测速编码器时，速度反馈信号丢失或非正常时，也会引起过流，因此也必须正确检查编码器和其电缆。

    （2）变频器检查

    变频器硬件问题主要包括模块坏、驱动电路坏、电流检测电路坏等。具体检查内容如下：

    a)电流互感器损坏，其现象表现为，变频器主回路送电，当变频器未起动时，有电流显示且电流在变化，这样可判断互感器已损坏。 

    b)主电路接口板电流、电压检测通道被损坏，也会出现过流。 

    c)由于连接插件不紧、不牢。例如电流或电压反馈信号线接触不良，会出现过流故障时有时无的现象。　　

    d)电路板损坏，其原因可能是：1)由于环境太差，导电性固体颗粒附着在电路板上，造成静电损坏。或者有腐蚀性气体，使电路被腐蚀。2)电路板的零电位与机壳连在一起，由于柜体与地角焊接时，强大的电弧，会影响电路板的性能。3)由于接地不良，电路板的零伏受干扰，也会造成电路板损坏。

    当检查以上4项有问题，必须更换为同型号配件或者修复该配件。

    （3）变频器参数检查

    变频器参数设定问题是在负载、变频器确认都正常的情况下必须怀疑的因素，这里面包括加速时间太短、PID调节器的比例P和积分时间I参数不合理、超调过大等等，所有这些参数的不合理设置都将造成变频器输出电流振荡或直接过流。

    针对变频器问题，主要检查：

    升速时间设定太短，加长加速时间；

    减速时间设定太短，加长减速时间；

    转矩补偿（U/f比）设定太大，引起低频时空载电流过大；

    电子热继电器整定不当，动作电流设定得太小，引起变频器误动作。

    另外，当负载不稳定时，建议使用矢量控制模式或DTC模式，因为此两种模式控制速度非常快，每隔25微秒产生一组精确的转矩和磁通的实际值，再经过电机转矩比较器和磁通比较器的输出，优化脉冲选择器决定逆变器的最佳开关位置，这样有利用抑制过流。同时使用速度环的自适应(AUTOTUNE)功能来自动调整PID参数，从而使变频器输出电机电流平稳。

    （4）输入输出线路检查

    根据很多现象表明，过流保护的其中一个原因就是缺相。当变频器输入缺相时，势必引起母线电压降低，负载电流加大，引起保护。而当变频器输出端缺相时，势必使电动机的另外两相电流加大而引起过流保护。所以对输入及输出都应进行检查，排除故障。

4 案例分析：罐车变频器过流

    （1）故障现象

    某炼钢厂现场环境恶劣，在炼钢厂平车（钢包车、渣罐车、铁水车）系统一直采用传统的接触器控制方案，故障率高，维护量大。随着交流调速控制技术的迅速发展，变频调速控制系统成为交流传动的主流调速控制方案，所以该炼钢厂KR罐车应用了西门子变频器构成的控制系统。

    KR罐车系统由1台45kW的变频专用电机驱动，采用西门子6SE7031-2EF60（55kW）全数字矢量控制变频器控制，变频器带输入、输出电抗器以消除谐波、抑制尖峰电压，变频器采用v/f速度开环控制模式，调速范围为1∶25。系统采用速度挡位开关量输入PLC，经软件处理后，再由PLC输出模块输出开关量信号给变频装置，通过变频装置内部的参数设定，输出相应的速度信号。速度分为两档40%和80%额定速度；起动、停止和各档速度过渡平稳无冲击，属于档位无级调速方式。KR罐车系统的电路原理如图5所示。

                               图5   KR罐车变频器电路原理图

    两台KR罐车（1#、2#KR）调试情况良好，空车使用一切正常，但自投入使用后，两台罐车不间断报“F011”过流故障。经过对故障时罐车的工作状况的监测，变频器报故障主要集中在罐车满载启动和道轨上有积渣阻力较大的这两种情况。

    （2）分析处理

    查西门子变频器手册对造成F011过流故障原因的解释：① 变频器输出短路或有接地故障；② 电机与变频器是否匹配；③ 负载处于过载状态；④ 是否动态要求过高。

    对于上述四种原因，一一进行排查：① 经过对变频器输出电缆以及电机摇测绝缘，电缆和电机绝缘情况良好，无短路和接地故障；② 电机和变频器规格匹配；③ 根据监测到满载启动时频繁报故障，可能是负载处于过载状态，造成过流；④ 罐车系统是恒转矩负载，道轨上有积渣，阻力增大或有变化，负载就发生变化，系统如果动态响应慢，也会造成过流故障。

    根据以上的情况分析以及选用的变频器v/f开环控制模式，对罐车F011过流故障的结论是：系统选用的v/f开环控制模式在低频时启动力矩小以及开环动态性能差是造成过流故障的原因。

    西门子6SE70变频器有多种控制模式可供选择以及在v/f模式下的各种功能，现场两台罐车有相同的问题，于是就选择了两种处理方式，也有利于比较使用效果，其处理方法如下：

    （1）1#罐车v/f模式下增加补偿功能

    1#罐车仍采用v/f模式，增加低频补偿，转差补偿功能，其参数设置如下：

    增加低频补偿P318=1

    6SE70变频器有两种低频转矩补偿功能，即直接提升电压数值（电压模式）和间接提升电压数值（电流模式），后者涉及到定子电阻的计算、测量，相对比较复杂，因此本案例采用直接电压提升模式。

    P325=25V（一般10V到40V）

    在直接提升电压模式中，只需将需要的提升电压数值输入参数P325即可，变频器就能根据图6所示的逻辑示意输出合适的V/F曲线。

                               图6   转矩提升逻辑

    增加转差补偿 P336=100%。

    转差补偿功能的使用，可补偿因KR罐车负载波动引起的电机转差变化，从而得到良好机械特性曲线。

    （2）2#罐车改变控制模式

    2#罐车控制模式改为无编码器矢量控制，参数修改如下：

    P100=3，系统参数重新设定优化。

    1#罐车和2#罐车系统采用上述法处理后，系统不再报F011过流故障，操作工也明显感到系统启动快，动作也快，参数优化取得了很好的效果。需要注意的是，低频补偿和转差补偿功能在实际应用中，调试时应逐渐增加数值，满足系统的需要即可，不能过补偿了

    （3）案例归纳

    变频器在启动或极低速运行时，根据V/f曲线，电动机在低频时对应输出的电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，这就导致励磁不足而使电动机不能获得足够的旋转力，因此需要对转矩进行补充补偿，这称为转矩补偿。通常的做法是对输出电压做一些提升补偿，以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电动机的输出转矩。

                                图7   转矩提升补偿

    图7中，V0表示手动转矩提升电压、Vmax表示最大输出电压、f0表示转矩提升的截止频率、fb表示基本运行频率。

    对于V0的设置原则一般有以下几点：① 当电动机与变频器之间的距离太远时，由于线路压降增大，应适当增大V0值；② 当电动机容量小于变频器额定容量时，由于此奥容量电动机的绕组电阻比大容量电动机大，电阻压降也大，应适当增大V0值；③ 当电动机抖动厉害时，说明转矩过大，转矩补偿增益调得过高，应适当减小V0值。这里必须避免这样一个误区：即使提高很多输出电压，电动机转矩并不能和其电流相对应的提高。这是因为电动机电流包含电动机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。

    关于截止频率f0，在有些变频器中是固定的频率值，如ABB ACS550变频器f0＝20Hz、罗克韦尔AB PowerFlex 400变频器f0＝25Hz；有些变频器是可以设置的，如艾默生EV2000变频器f0=0~50%基本运行频率。

    转矩补偿可以根据变频器的参数设置选择手动和自动，如手动设置则允许用户V0在0－20%或30％Umax之间任意设定，如自动设置则是变频器根据电动机启动过程中的力矩情况进行自动补偿，其参数是随着负载变化而更改的。

    当然，本案例除了转矩补偿之外，采用矢量控制也可以收到同样的效果，但前提是该变频器本身同时支持矢量控制和V/f控制。

5 结束语

    对于变频器过流故障的处理，关键一是要确定负载本身是否符合正常运行条件；二是确定变频器本身是否属于正常；三是要确定变频器的参数能与负载运行的工艺条件或加减速过程匹配；四是检查变频器输入输出接线是否正常。



参考文献

[1] 李方园. 变频器行业应用实践[M]. 北京: 中国电力出版社. 2006.

[2] 李方园. 变频器自动化工程实践[M]. 北京: 电子工业出版社. 2007.

[3] 李方园. 变频器故障排除[M]. 北京: 化学工业出版社. 2009.

[4] 马骏, 张腾. 济钢KR罐车变频器F011过电流故障的处理[J]. 变频器世界. 2007 (5).