變頻器功能解析講座（六）
1 電動機過載的保護功能
1.1 基礎概念
電動機過載的基本特征是溫升超過額定溫升。因此，從根本上說，對電動機進行過載保護的目的，是使電動機不因過熱而燒壞。
1.1.1 電動機的溫升曲線
(1) 溫升曲線及其含義
電動機運行時，其損耗功率(主要是銅損)必然要轉換成熱能，使電動機的溫度升高。
圖1 電動機的溫升曲線
電動機的發熱過程屬于熱平衡的過渡過程。因此，基本規律和其他的過渡過程相同，其溫升也遵循按指數曲線上升(或下降)的規律，如圖1(a)中曲線①所示。其物理意義是:由于電動機在溫度升高的同時，必然要向周圍散熱，溫升越大，散熱也越快。故溫升不可能按線性規律上升，而是越升越慢。當電動機產生的熱量和散發的熱量相平衡時，溫升不再增加，處于穩定狀態，稱為穩定溫升，用θS表示。當電動機運行在額定狀態時的θS便是額定溫升。
(2) 發熱時間常數
圖1(a)中的τ是發熱時間常數，通常用來說明發熱的快慢。其物理意義可以有兩種解釋:
如果不散熱的話，電動機的溫升將按線性規律上升，如圖1(a)中曲線①'所示。在這種情況下到達穩定溫升所需要的時間，也就是溫升曲線的切線和穩定溫升的交點所對應的時間;
溫升上升到穩定溫升的63%(63%θS)所需要的時間。
電動機的發熱時間常數與該電動機的熱容量以及周圍的散熱狀況有關，在周圍環境不變的情況下，它是常數。
1.1.2非額定狀態的溫升曲線
(1) 過載時的溫升曲線
當電動機過載時，所產生的熱量增大，但散熱條件未變，故穩定溫升將增加為θS′，而發熱時間常數則仍為τ，如圖1(b)中之曲線②所示。
(2) 低頻運行時的溫升曲線
電動機在低頻運行時，由于內部扇葉的轉速也減慢，散熱條件變差。故在相同負載下，雖然產生的熱量并未增加，但溫升也會增大為θS"，發熱時間常數則仍為τ,如圖1(c)中之曲線③所示。
1.1.3 電動機過載的特點
電動機的過載，是指電動機軸上的機械負載過重，使電動機的運行電流超過了額定值，并導致其溫升也超過額定值。電動機過載的主要特點如圖2所示。
1.2.1過載保護功能的設定
表明在多大電流下進行保護的預置方式。不同的變頻器有不同的方法，主要有兩種:
(1) 電流取用比
在實際應用中，變頻器的容量和電動機容量之間的配用情況常不是固定的。例如，對于長期不變的負載，一臺37kW(額定電流為70.4A)的電動機應該配用54kVA的變頻器(額定電流為71A)。但對于變動負載或斷續負載，由于電動機是允許短時間過載的，而變頻器卻幾乎沒有過載能力。因此，常常需要加大變頻器的容量，可能配用65kVA(額定電流為86A)的變頻器。
針對這種情況，在進行電子熱保護時，應預置電動機的“電流取用比”:
轉折頻率的預置和電動機的類型(如是否采用變頻調速專用電動機、電動機的外殼是開啟式還是封閉式等)、運行條件(如是否有強迫通風等)以及周圍環境(如環境溫度的變化、通風狀況)等因素有關。一般情況下，轉折頻率可按基本頻率的70%來預置。當基本頻率為50Hz時，轉折頻率可預置為35Hz。
此外，過載保護除了保護電動機的發熱外，還應保護負載的不正常運行。例如，對于恒轉矩負載，電動機允許長時間運行的電流不能減小，否則將帶不動負載。故電動機運行電流的范圍如圖4(a)的曲線所示;而對于二次方律負載，低頻時負載轉矩很輕，即使負載運行已經不正常，電動機的運行電流也往往達不到額定電流值。為了及時捕捉低頻時負載運行的不正常狀況，應該適當減小其運行電流的允許值，如圖4(b)所示。
l 零頻率允許電流
電流保護曲線的起點即為零頻率允許電流，如圖4中Iz％。
1.2.2 過載保護動作方式的選擇功能動作方式的選擇包含的面頗廣，主要的有:
(1) 有效選擇
即選擇變頻器的熱保護功能是否有效。選擇的基本原則是:
l 如一臺變頻器只控制一臺電動機, 應預置為“有效”;
l如一臺變頻器控制多臺電動機時，則由于變頻器的容量比單臺電動機的容量大得多，無法對每臺電動機進行過載保護，故應預置為“無效”。
(2) 電動機工況的預置主要有:
l 負載的性質:如恒轉矩負載、二次方律負載等;
l 負載的工況:如連續恒定負載、連續變動負載、斷續負載、短時負載等。
變頻器將根據上述數據進行計算和判斷。
(3) 保護方式的預置主要有:
l 只報警，不動作;
l 過載后自動減小電流(頻率有所下降);
l 過載后跳閘，電動機按預置的減速時間停機;
l 過載后跳閘，并立即封鎖逆變管，使電動機處于自由制動狀態。
2 變頻器的電流保護
變頻器的電流保護主要指過電流保護，某些變頻器還有欠電流(欠載)保護。
2.1過電流保護功能
2.1.1過電流的原因
(1) 故障引起的過電流
l 外部故障
主要是輸出側短路，如圖5(a)所示;
l 內部故障
最嚴重的是逆變橋上下兩個逆變管直通，如圖5(b)所示。這種現象之所以發生，或因為環境溫度過高，或因為逆變管老化，或因為操作不當引起控制電路的混亂，使上下兩個逆變管在交替導通過程中的“死區”變窄而導致直通(即一個已經導通，另一個尚未完全截止)。
(2) 功能預置不當引起的過電流
l 負載較輕而U/f比預置的較大, 導致電動機磁路的飽和，勵磁電路嚴重畸變, 產生沖擊電流, 如圖6(a)所示;
l 負載的慣性較大，而加速時間預置較短，引起在加速過程中產生過電流，如圖6(b)所示。
(3) 變頻器測量誤差引起的誤動作
例如，實際測量結果只有45A，而變頻器的測量結果卻是88.6A，如圖7所示。顯然，變頻器內部的檢測誤差過大，而變頻器又只能根據其內部的測量結果來進行保護，形成誤動作。
2.2 欠電流(欠載)保護功能
2.2.1 欠電流(欠載)保護的必要性
如果在運行過程中負載突然減輕為空載，則:
l 意味著機械部分發生故障, 如皮帶斷裂或水泵干涸等;
l 在矢量控制模式下，可能導致變頻器的運算發生錯誤而誤動作。
因此，有必要報警或跳閘。
2.2.2 欠載保護曲線
欠載保護曲線如圖8所示，其基本特點如下:
3 變頻器的電壓保護
3.1 過電壓保護功能
變頻器的過電壓通常指直流回路的電壓過高。當直流電壓過高時，主電路內的逆變器件、整流器件以及濾波電容等都可能受到損害，故一般情況下，都應該進行跳閘保護。過電壓的主要原因如下:
3.1.1 電源過電壓及其危害
相對于元器件的耐壓而言，電源過電壓時，直流電壓并不很高。我國的電源線電壓為380V，允許誤差為＋10％，則經三相全波整流后的峰值為591V。個別單位夜間的電源線電壓可達450V，其峰值電壓也只有636V，并不算很高，如圖9(a)所示，故電源過電壓一般不會使變頻器內的元器件受到傷害。
電源過電壓主要危害在于:
(1) 電動機的磁路飽和對電動機來說，電壓過高必然使磁通增加，可能導致磁路飽和，勵磁電流過大，從而溫升過高。
(2) 損害電動機的槽絕緣直流電壓升高后，變頻器輸出電壓的脈沖幅度增大，使電動機槽絕緣的壽命受到影響。
所以，如果直流電壓超過正常允許范圍的時間較長時，變頻器將進行保護。
3.1.2降速過電壓
即降速過快引起的過電壓，這種情況下過電壓的電壓變化率dU/dt不大，但幅值往往較高，常超過700Ｖ，應該進行保護，如圖9(b)所示。
3.1.3 沖擊過電壓
指電壓變化率dU/dt和幅值都很大的沖擊過電壓，其原因主要有:
l 雷電引起的過電壓;
l 變電所的補償電容在合閘或斷開時形成的過電壓等，如圖9(c)所示。
當發生沖擊過電壓時，變頻器將進行保護。
3.2 欠電壓保護功能
3.2.1 欠電壓的原因
(1) 電源欠電壓
如電源電壓過低、電源缺相等。
(2) 變頻器故障形成的欠電壓
如變頻器的整流橋損壞、變頻器整流后的限流電阻損壞，濾波電容器不能充電、限流電阻因并聯的晶閘管或繼電器發生故障而未切除電路等。
3.2.2 欠電壓保護功能
(1) 自動電壓調整(AVR)功能
當電源電壓在允許范圍內波動時，為了使電動機能夠平穩地運行，變頻器設置了自動電壓調整(AVR)功能，使變頻器的輸出電壓穩定在所要求的范圍內。
(2) 缺相保護功能
電源缺相后，變成了單相電源，經全波整流并濾波后的直流電壓將只有三相全波整流時的66％，足以使欠壓保護功能動作，故有的變頻器并無缺相保護功能。
但為了便于用戶了解跳閘原因，不少變頻器設置了電源缺相保護功能。有的變頻器還設置了變頻器輸出端的缺相保護功能。
4 變頻器的跳閘及其防止
變頻器在發生故障后，為了防止事態的進一步擴大，保護好電動機和變頻器自身，必須跳閘。但變頻器跳閘意味著整個拖動系統停止工作，將導致工業生產中發生重大經濟損失。因此，變頻器在運行過程中，又必須盡量避免不必要的跳閘。
4.1 變頻器的自處理功能
自處理功能是當變頻器對于部分過電流或過電壓故障，采取先自行處理的方式來避免跳閘。
4.1.1 加速過程中的自處理
一方面，加速時間預置得太短，容易因過電流而跳閘。另一方面，加速時間太長，又會影響勞動生產率。況且，生產機械的工況也時有變化，這給用戶在預置“加速時間”時帶來了困難:難以迅速地預置的恰到好處。
變頻器在加速過程中出現過電流時, 可以不必跳閘, 而起動“防止跳閘”程序(也叫自處理程序)。具體方法是:
如果在加速過程中, 電流超過了預置的上限值IH(即加速電流的最大允許值), 變頻器的輸出頻率將不再增加, 暫緩加速,待電流下降到上限值以下 后再繼續加速, 如圖10所示。
因為自處理功能是為了避免跳閘而設置的，所以，在許多說明書中，常常把這種功能稱為“防失速”功能。
4.1.2 減速過程中的自處理
和加速過程相仿，對于某些加、減速比較頻繁的生產機械來說，減速時間太長，會影響勞動生產率;而對于慣性較大的負載，如果減速時間預置得過短，會因拖動系統的動能釋放得太快而引起直流回路的過電壓。
為此，變頻器設置了減速過電壓的自處理功能。如果在減速過程中，直流電壓超過了上限值UDH，變頻器的輸出頻率將不再下降，暫緩減速，待直流電壓下降到設定值以下后再繼續減速，如圖11所示。
4.2 變頻器的重合閘功能
重合閘功能是指變頻器因某種原因而跳閘后，允許自動重新合閘的功能。
4.2.1 瞬時斷電后的重合閘功能
瞬時斷電的含義是電源電壓由于某種原因突然下降為0V, 但很快又恢復, 停電的時間t0很短, 如圖13(a)所示。
1) 斷電后變頻器各部分的電壓變化
變頻器內，主要有三種電源:
4.2.2 故障跳閘后的重合閘功能
重合閘功能的主要作用是:
(1) 避免誤動作
變頻器的保護環節十分齊全, 內部的運算速度也很快，能夠實現可靠保護。但靈敏度的提高, 又容易受到外部信號的干擾,存在著誤動作的可能。為此, 變頻器因故障而跳閘后, 可以自動地重新合閘一次或多次, 以避免不必要的停機。
(2) 防止因受到外部的不重復沖擊而跳閘
對于時間極短的不重復沖擊過電流或過電壓, 例如:由于沖擊負載引起的過電流, 以及因補償電容器合閘而引起的過電壓等, 在變頻器跳閘后, 可以使它自動地重新合閘一次或若干次。
4.2.3 變頻器對重合閘的處理
這里所說的對重合閘的處理是指如何決定變頻器在重合閘瞬間的輸出頻率。從根本上說，這取決于重合閘瞬間的電動機轉速下降了多少。
瞬時停電或故障跳閘后，重合閘時的起始頻率可以由用戶根據不同的具體情況來決定，主要有以下幾種:
(1) 跳閘后電動機處于自由制動狀態，而拖動系統的慣性又較大者，因為在重合閘的間隔時間內，轉速下降很少，故重合閘時可直接按跳閘前的頻率運行;
(2) 跳閘后仍按預置的降速時間降速，而降速時間又較長者，因為在重合閘的間隔時間內，頻率下降很少，故重合閘時直接由減速轉為加速即可，如圖14(a)所示;
(3) 慣性很小, 或減速時間預置得很短者, 重合閘時可從0Hz開始起動，如圖14(b)所示;
(4) 變頻器自動跟蹤轉速的下降，從而估算出起始頻率，如圖14(c)所示。
5 變頻器的顯示功能
5.1 運行數據的顯示
5.1.1 功能含義
變頻器在運行過程中，可以自行測量各種運行數據，如頻率(可轉換成轉速或線速度)、電流、電壓、功率、負荷率等，并在顯示屏上顯示其測量結果。
LED顯示屏每次只能顯示一種數據，LCD顯示屏則一次可以顯示若干個數據。顯示內容可以比較方便地進行切換，以便用戶了解運行情況。不同變頻器能夠顯示的內容不盡一致，顯示內容的切換方法也很不相同。
5.1.2 功能舉例
(1) 森蘭SB61系列變頻器
· 直接切換的顯示內容
對于六種需要常常查看的數據(運行頻率、運行電流、運行電壓、PID的目標值、PID的反饋值、負荷率),其顯示內容可通過＞＞鍵直接進行切換, 如圖15所示。
如正在顯示輸出頻率，則:
按SET鍵→顯示輸出電流;
再按SET鍵→顯示輸出電壓;
再按SET鍵→回復為顯示輸出頻率。
5.2 輸入、輸出端子的狀態顯示
5.2.1 功能含義
變頻器的顯示屏上可以顯示各輸入控制端和輸出控制端的狀態(即是否有輸入或輸出的信號),以檢驗變頻器是否已經接受外部的控制信號, 或已經發出相關的輸出信號。
各種變頻器的顯示方法差異較大。
5.2.2 功能舉例
(1) 康沃CEF-G2系列變頻器
康沃CEF-G2系列變頻器只有LED顯示屏，其顯示方法如圖17所示。
如圖17，顯示屏的4位數字都用七段顯示方式顯示。當顯示輸入控制端的狀態時，由每位數字兩側的顯示段來表示。自左至右，分別表示輸入端子X1、X2、X3、X4、X5、X6、FWD、REV的狀態。
當只有一段發光時，說明該端子無信號輸入;兩段都發光時，說明該端子有信號輸入。
(2) 艾默生TD3000系列變頻器
艾默生TD3000系列變頻器的端子狀態雖然也利用LED顯示屏來顯示，但它是利用十進制數來表示二進制碼各位的狀態來表示的。
l 二進制碼與輸入端子的對應關系如表3所示。
例如:當輸入端子FWD、X2、X5有信號時，二進制碼為0100010010，對應的十進制數為50，則當顯示屏顯示50時，就說明上述三個端子有信號。
又例如，當顯示屏顯示39時，其對應的二進制碼為0100000111，則說明有信號的端子為FWD、X1、X2、X3。
l 二進制碼與輸出端子的對應關系如表4所示。
例如，當顯示屏顯示11時，其對應的二進制碼是1011，則說明端子FR、Y2、Y1有輸出信號。
(3) 富士G11S系列變頻器
富士G11S系列變頻器既有LED顯示屏，又有LCD顯示屏。其輸入和輸出端子的狀態是利用LCD顯示屏顯示的，各端子的排列十分清楚，比較直觀，如圖18所示。圖18中，發光者表示有信號，不發光者表示無信號。
圖18(a)所示是輸入端子的狀態顯示，圖中狀態說明FWD和X1端子有輸入信號;
圖18(b)所示是輸出端子的狀態顯示，圖中狀態說明Y1端子有輸出信號。
在LCD顯示屏顯示端子狀態的同時，LED顯示屏繼續顯示各種運行數據。所以，其顯示比較完整和清楚。
5.3 跳閘原因的顯示
變頻器因故障而跳閘后，都會顯示跳閘原因，以便用戶檢查。
LED顯示屏通常用各種特定的代碼來表示跳閘原因;LCD顯示屏則可以直接用文字來表述故障原因。
以康沃CVF-G2系列變頻器為例，故障原因的代碼如表5所示。
參考文獻
(略)
作者簡介
張燕賓(1937-) 男 高級工程師 退休前在宜昌市自動化研究所工作,曾任自動化研究所副所長、宜昌市科委駐深圳聯絡處主任; 宜昌市自動化學會理事長、湖北省自動化學會常務理事。著作:SPWM變頻調速應用技術(編著，機械工業出版社1997年12月初版; 2002年４月第二版);變頻調速應用實踐(主編，機械工業出版社2001年1月出版); 變頻器應用基礎(副主編，機械工業出版社2003年1月出版)。