第4讲变频器的保护功能及使用注意事项

1 变频器测量及保护电路

变频器的原理框图如图1 所示。

1.1 电流实际值检测

电流检测电路采用单相电源供电，87C196MC 的A/D 端口高速采样交流电流通过傅里叶分析确定电流的各次谐波分量，并通过求累计平均值的方法计算各次谐波分量的有效值。电流实际值检测电路图如图2 所示。

电流实际检测主要用于输出电压的修正，以及过电流、过载保护。

输出电压的修正分两部分：第一部分用I·R 补偿环节来改变输出电压US 的大小;第二部分用电流限制调节器改变输出电压US的大小。过电流、过载保护功能是为了保证变频器在异常工作情况下(如短路、过载等)，不损坏变频器输出电流。当进行过电流过载计算后，若判断为过电流、过载，则立即发出封锁触发脉冲指令，迅速停止PWM 逆变器工作。

1.3 变频器过热检测

变频器功率开关管通/断时，造成功率开关器件的发热，这是功率开关器件损坏的主要原因之一。当检测到变频器温度过高时，封锁功率开关器件，进行停机保护。温度检测电路如图源所示。

图4 中，R+和R-分别接热电偶的两端。

1.4 外部接点信号输入检测

可通过外部接点信号输入进行开、停机控制，外部接点信号输入电路如图缘所示。

1.5 过电压保护电路

过电压保护电路如图6所示。由于本系统的SPWM 逆变器不能向电网回馈能量，当电动机突然停车时，电动机的机械能将转化为电能向直流侧电容C 充电，引起泵升电压。为了限制和消除泵升电压，保护功率器件，设置过电压保护电路是必要的。在图6 中，当电压升高超过设定值后，稳压管VS 击穿，使大功率器件VT 导通，电阻R 与地接通，电容C 中多余的能量将在电阻R 上发热释放掉，使直流环节的电压保持在基准值之下。

1.6 过电流保护电路

过电流保护电路如图7所示。过电流保护通过检测逆变器直流电路中的电流Id，将检测信号回馈给控制系统，当电流超过限定值时，会立即自动封锁6 路触发信号，实现保护。图7 中的R 为取样电阻，LM319 为电压比较器，RP 为电流整定电位器，VL为过电流发光二极管。当出现过电流时，A 点为高电平，自动封锁SLE4520 的输出端，保护主电路。

1.7 过温保护电路

在变频器工作过程中，功率器件会发热，严重时会造成器件的损坏。过温保护电路如图8 所示。

电路的核心是一个电位比较器，温度检测元件采用热敏电阻并将其装在功率器件的散热器上。当温度升高时，比较器输出翻转为低电平。这个信号将立即申请中断，中断服务程序将完成触发脉冲的封锁或停机等功能，实现保护。

1.8 电子热过载断电器

通过设定该项功能有效和具体的保护值后，当电动机出现过电流或过载时，就能避免变频器和电动机的损坏。因电动机的过载倍数比较大，故该值一般均设定为变频器额定值的105%，但当变频器和电动机容量不匹配时，应根据具体情况设定，如图9 所示。

2 变频器的保护功能与故障处理

现代通用变频器不但在产品性能上有很大提高，而且自诊断功能、报警及保护功能也非常齐全，熟悉这些功能对于正确使用变频器极其重要。

变频器的保护功能主要有过电流、过电压、欠电压、散热板过热、外部报警输入、逆变器过热、电动机过载、逆变器过载、熔断器烧断、通信出错、CPU出错和运转出错等。变频器在保护功能动作后，面板上会有相应的显示，指示故障原因。

过电流保护是电动机在加速、减速和恒速运转时，如果逆变器输出电流大于电流保护设定值时，就会引起的电流保护功能动作。

这时应检查电源电压是否在允许的范围内，输出回路是否短路，负载是否突然变化，加速时间是否不够等情况。相应地，可调整电源电压，检查输出回路绝缘，用绝缘电阻表测量电动机绝缘，消除突变负载，延长加速时间，增大变频器容量或查找噪声干扰源并进行清除。

引起过电压的原因与引起过电流的原因基本相同，处理的方法也基本相同。

发生欠电压保护时分两种情况：一种是选择了瞬时停电再起动功能的，变频器会自行起动，不输出报警信号;另一种是电压过低以至不能维持逆变器控制电路电压时，全部保护功能自动复位，这时应检查电源电压是否在允许的极限内、电源是否断相、同一电源系统中是否有大起动电流的负载等，并进行相应故障处理。

对外部报警输入造成的保护动作，应检查接线是否正确、负载是否太大、环境温度是否恰当、制动频率是否太高，并进行故障处理。

对热过载的情况，应根据面板显示的信息，相对应地检查环境温度是否在允许的范围内、电源电压是否在允许的范围内、冷却风扇是否正常工作、负载是否超过允许极限、变频器容量是否太小、电子热继电器的设定是否恰当等。[!--empirenews.page--]

对通信、存储器等其他一些出错情况，应检查功能单元是否插好、接线是否正常等。

对于自己无法完成故障处理的情况，应通知供应商前来维修。

3 使用变频器时的其他注意事项

变频器使用过程中，除了日常维护和检查、保护与故障处理之外，还应注意以下一些事项。

3.1 接线与防止噪声时的注意事项

(1)选用在输出侧最大电流时，电压降在额定电压的2%以内的电缆尺寸。

(2)弱电控制线距离电力电源线至少100 mm以上，绝对不可放在同一导线槽内，并且在控制电路配线与主电路配线相交时，要成直角走线，如图10(a)所示。

(3)控制回路的配线应该采用屏蔽双绞线，双绞线的节距应在15 mm以下，如图10(b)所示。

(4)为了防止多路信号的相互干扰，信号线以分别绞合为宜，如图11 所示。

(5)如果操作指令来自远端，需要控制电路配线加长时，可以采用中间继电器控制，如图11所示。

(6)地线除了可防止触电以外，对防止噪声也很有效，故接地是必需的。

3.2 关于输入与输出的注意事项

虽然变频器有很多优点，但也可能引起一些问题，如产生高次谐波对电源的干扰、功率因数降低、无线电干扰、噪声和振动等。为了避免发生这些问题。必须在变频器的主电路中安装适当的电抗器。图12 所示为变频器的电抗器连接图。说明如下。

(1)在变频器中使用电力晶体管或IGBT高速开关可能会引起噪声，这将对附近10 MHz 以下频率的无线电测量及控制设备等的无线电波产生影响，必要时选用无线电干扰(RFI)抑制电抗器，能降低这类噪声。RFI 抑制电抗器的连接方法因变频器的容量不同而不同。小容量时每相导线按相同方向绕4圈以上，如图13(a)所示;容量变大时，若导线线径太大不好绕，则将4个电抗器固定在一起，三相导线按同方向穿过其内孔，如图13(b)、(c)所示。

(2)图14 所示的电抗器中以电源侧AC 电抗器最为重要。当电源容量大(即电源阻抗小)时，会使输入电流的高次谐波增高，使整流二极管或电解电容器的损耗增大而发生故障。为了减小外部干扰，在电源容量500 kV·A 以上，并且是变频器额定容量的10 倍以上时(见图14 中的容量范围)，应连接选购件电源侧AC 电抗器(也称为电源协调用电抗器)。如果配线较长，且电感阻抗超过电源协调用电抗器阻抗值时，就没有必要用了。

另外，如果电源电压的不均衡度超过3%，应考虑使用电源协调用电抗器。不均衡度过大时，可能也会导致输入电缆的异常过热。

(3)功率因数校正DC电抗器用于校正功率因数。校正后的功率因数可达到0.9耀0.95。变频器制造商都有DC 电抗器供用户选用。

(4)由变频器驱动的电动机的振动和噪声比用常规电网驱动的要大，这是因为变频器输出的谐波增加了电动机的振动和噪声。若在变频器和电动机之间加入降低噪声用电抗器，则具有缓和金属音质的效果，噪声可降低5 dB左右。

(5)输入电压不能超过最大值，如果主电路外加输入电压超过极限，即使变频器没运行也会有问题发生。输入电压过低时，会使最大输出电压降低，所以在高速时会造成电动机转矩不足的现象。

(6)功率因数补偿可以使用DC 电抗器(见图12)。绝不可在变频器的输出端连接电容器来补偿功率因数，因为变频器输出的是PWM 电压，含有很多高次谐波，一旦连接电容器，由于谐波的作用，将增加变频器输出电流，可能会损坏变频器的大功率开关器件和连接的电容器。另外，变频器的输入侧功率因数取决于变频器的AC/DC 变换电路系统，绝不取决于电动机的功率因数，所以在变频器的输出侧连接电容器，并不能改善输入功率因数。

(7)当电动机运行于恒转矩调速范围内时，电动机电流(变频器输出电流)基本恒定，所以，铜损耗不变。然而，当电动机转速频率下降时，电动机自冷却风扇的冷却效果将会下降，所以使用时应该注意。换言之，当频率下降时，由于电动机散热效果变差，允许的电动机连续运行电流下降，也即转矩下降，这是变频器使用中必然遇到的情况。

(8)单相电动机不能使用通用变频器来驱动。

3.3 变频器用于特殊电动机时的注意事项

(1)高速电动机的电抗小，高次谐波会增加电流值，因此选择用于高速电动机的变频器时，应比用于普通电动机的变频器的容量稍大一些。在驱动系统的GD2一定的情况下，高速电动机的调速范围宽，加/减速时所需的时间较长，因此，设定加速/减速的时间应稍长一些。

(2)变频器用于变极电动机时，在变频器的速度范围更宽时可以使用，但是必须充分注意选择变频器的容量，使电动机最大额定电流在变频器的额定输出电流以下。另外，在运行中进行极数转换时，请先停止电动机工作，若在工作中进行切换，有可能会使过电压保护或过电流保护动作，造成电动机空转，严重时会损坏变频器。

(3)驱动防爆电动机时，变频器因没有防爆构造，应将变频器设置在危险的场所之外或置于防爆外壳内。

(4)用变频器驱动齿轮减速电动机时，使用范围受到齿轮转动部分润滑方式的制约。在超过额定转速以上的高速时，有可能发生润滑油用光的危险，因此不应超过最高转速允许值。同时还应注意齿轮发生的声响。

(5)变频器驱动绕线转子异步电动机运行时，由于绕线转子异步电动机的阻抗小，容易发生由于纹波电流引起的过电流跳闸现象，所以应选择比通常容量稍大的变频器。一般绕线转子异步电动机多用于飞轮力距GD2较大的场合，并应注意加/减速时间的设置。

(6)驱动同步电动机时，与工频电源时相比，输出容量会降低10%耀20豫，变频器的连续输出电流要大于同步电动机额定电流与同步牵入电流的标幺值的乘积。

(7)对于压缩机、振动机等转矩波动大的负载和油压泵等有峰值负载的情况，如果按照电动机的额定电流或功率值决定变频器的话，有可能发生因峰值电流使过电流保护动作的现象。一个可行的办法是察看工频运行时的电流波形，选用比其最大电流更大的额定输出电流的变频器。

(8)变频器驱动潜水泵电动机时，因为其额定电流比通用电动机的额定电流大，应使变频器的额定电流大于潜水泵电动机的额定电流。

(9)单相电动机不适合用变频器驱动。当使用电容器方式的单相电动机时，由于高频电流的作用，有可能损坏电容器。

变频调速系统在工作运行时，有些故障是由电动机的原因引起的，因此，除了检查变频器，还应检查电动机的各个环节是否正常。日常工作中也应注意对电动机的维护。