杨倩华

摘要：变频器是机电设备的重要控制设施，设备在运行中受到电网闪断，短时内多次启停，在调试维修中也存在需要多次启停的问题，如果变频器的二次控制设计不合理则可能变频器频繁通送电，轻则降低变频器的使用寿命，重则烧毁变频设备，引发生产安全事故。因此，研究变频器二次控制设计的合理性，对提升变频器的运维安全有着实质性价值。

关键词：变频器;电机;接触器;二次控制;自复式过欠压保护器

引言

变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着国民经济的快速增长，城市现代化步伐的加速推进，变频器的应用范围变得相当广泛，以实现节能和提升服务为目的，变频器从工业领域拓展到民用领域，如商场的变频升降电梯、变频自动扶梯，变频空调设备，变频水泵、变频风机等等。正是因为变频器的普遍运用，保证变频器控制的可靠性和合理性受众多技术人员的关注，不合理的变频器控制设计将导致设备烧毁、危及运维人员的人身安全，本文将与大家讨论解决典型而普遍的变频器外围二次控制设计错误在特定的条件下容易引发设备烧毁的安全隐患。

1、大惯性负载变频器的外围接线

近些年来，由于各行各业受到国家节能减排政策的宣传引导，节能减排的设备投入速度快、数量多，而作为机电运控节能的主要设备变频器着实火了一阵，变频节能得各方的关注，在运用中实现节能降耗成绩明显，但是不注意设计和运维仍然引发不少问题。许多企业用户的中央空调系统和供水系统都使用大功率、大惯性的电机设备，即出现了大惯性负载如离心泵、冲床、离心风机等，此类负载的惯性很大，启动速度慢，启动时可能会产生振荡，电动机减速时有能量回馈，此类负载通用变频器进行启停和运行变频控制。这些电机+变频器设备通常采用就地+远控的控制方式，而变频器常见的外围接线有下图：

其中低压断路器QF的功能是：一是实现安全隔离，当变频器需要检修时，或者因某种原因而长時间不用时，将QF切断，使变频器与电源隔离;二是保护作用，当变频器的输入侧发生短路等故障时进行保护。接触器KM的作用是对变频器设备进行通电和断电，在紧急情况下自动切断电源。

2、变频器控制不合理接线的风险分析

上述控制线路中引入中间继电器KA控制变频器内部的启动和停止模块。只有当接触器接通电源后，KM的常开触点闭合，此时按下启动按钮或远程系统控制信号发送，中间继电器线圈KA才会得电并自锁，KA的常开触点闭合，接通变频器的STR或STF端子实现正常的启停控制。但是该控制方式存在安全风险，主要是远程控制系统引起，具体分析如下：当远程系统发出启动指令则YA触点吸合，实现变频器启动运行，即YA触点状态完全受制于后台远程控制系统，与现场的控制回路和变频器的运行状态没有关联关系。这就产生一种后果，在YA触点吸合的变频器运行情况下，电网联系发生闪断现场则势必造成接触器KM反复吸断，而YA吸合状态没变化，导致出现了接触器KM频繁启动变频器的问题，实际造成变频器烧毁故障或QF开关跳闸。再者，在YA触点吸合状况下，工作人员强送QF开关，如果引发变频器故障则将大故障电流对操作人员的人身安全也将产生严重的威胁。

通过进一步深入性分析，可以得出此类问题受制实际的三个方面问题，具体如下：

1）电网闪断的不可避免性：变频器对电网稳定性要求很高，以国家电网标准为例，对于C级电网最大允许10%的电压波动;对于B级电网，最大允许7%的电压波动;对于A级电网，只能允许5%的电压波动。电压波动超出范围会导致变频器异常停机，有可能酿成重大安全事故。电压波动的原因一般有这几种：①夏天雷电天气可能会导致供电系统过电压，生产企业往往通过安装避雷设施来保护设备。然而，避雷设备工作时为了限制过电压也会导致供电系统电压短期内迅速降低，影响变频器工作。②大型负载的启停造成电压波动。大功率设备启动时，启动电流可达正常启动电流的7倍，导致其所在供电系统电压瞬时下降，影响变频器工作。③用电设备断路导致部分或全部供电系统跳闸。当设备出现短路故障时，系统中的保护装置会切断一定区域的供电。该区域内负载瞬时失电，导致系统电压瞬间波动，即使变频器不在此区域内，也会受到影响。④倒闸操作时，设备的运行状态变化，进而引起电压变化。

2）变频器自身对频繁启动的限制：因为大部分变频器硬件设计有启动电阻，在上电的那几秒钟内会迅速发热，然后等电容器充电完成后，启动电阻才会通过旁路接触器切出主回路，然后慢慢降温冷却。如果对变频器频繁上下电，极大可能造成启动电阻过热甚至烧毁。因此，变频器使用手册会说明变频器的断电间隔时间，一般不得小于 60s，不同的变频器时间会有差别。可见变频器频繁启动对设备的威胁是明显的。

3）大惯性电机断电后不能立即回归静止状态：离心式大惯性电机在高速运行时突然断开变频器的输入电源，由于断开电源的电机在惯性的作用下仍然需要维持一段事件的高速旋转，从而产生反电动势，与变频器内部的直流电压叠加，滤波电容上就会有高于较高的电压，这时如果频繁启动变频器则极易引起变频器内部元器件击穿。

3、控制线路风险问题的解决方案

针对大惯性电机+变频器存在的上述接线控制的风险隐问题，探讨改善二次控制接线的解决方案，在维持原二次控制接线不变的前提下，即保留接触器前置接线方式和变频器本地控制方式，通过增加电网电压检测装置（三相四线自复式过欠压保护器：OUPA）对远程控制回路进行改进，并远程启停控制回路不直接去启停变频器。具体改进的接线如下

本解决方案利用自复式过欠压保护器（OUPA）的工作特性，OUPA是overVoltageAndUnderVoltageProtectiveDeviceWithAuto- ReclosingFunction的简写，意思是当线路中过电压和欠电压超过规定值时能自动断开，并能自动检测线路电压，当线路中电压恢复正常时能自动闭合的装置。

第一步，在变频器电源断路器QF与主回路接触器KM之间并接一个三相四线自复式过欠压保护器（以下简称：保护器OUPA），以检测电源供电质量，用于跟踪电网的电压波动情况。在保护器OUPA二次控制部分，将OUPA的输出控制节点引接到串入主回路接触器KM控制线圈回路内，当电网电压发生波动（如闪断）时，使接触器KM线圈断电，达到断开变频器电源的目的，防止变频器运行受电网连续波動带来的危害，保护变频器所带的大惯性电机设备的安全，待一定时间或电网稳定后，再恢复变频器机组供电，恢复空气机组运行。

第二步，将主回路接触器KM控制线圈回路中串接变频器的故障常闭接点，即保住主回路断路器得电后如果变频器没有故障，即接触器吸合，变频器上电准备，等待来自现场或远程后台系统的DDC模块的控制信号。在二次控制接线系统的变频器（BPQ）启停控制回路部分的KA线圈回路的远控DDC模块YA常开触点接入保护器OUPA的常开接点，避免由于远控启动信号（YA常开触点没有断开）没有消失导致变频器在电网电压还不稳定或大惯性电机设备还未停稳的情况下，又启动变频器设备，危及设备的安全。

第三步，在整个控制的二次回路增加一个时间继电器SJ，将OUPA的输出控制节点引接到时间继电器SJ的线圈回路内，而时间继电器SJ的的常开接点串接在变频器控制回路的KA线圈支路，确保一定的时间延时，使电网电压还不稳定或大惯性电机设备还未停稳的情况下无法实现给KA线圈带电，则变频器限时内无法启动。

第四步，在整个控制的二次回路增设一台中间继电器2KA，通过自复式过欠压保护器保护器OUPA的其中一路输出常闭触点接入该新增中间继电器2KA线圈，然后将中间继电器2KA其中一路常闭接点（ YK）串接到DCC的信号输入模块，即常开点（YK）断开意味电网电压异常，DCC将信号传至远程监控后台，后台监控程序发出停机信号，即打开DDC模块YA常开触点，停止变频器运行，待供电质量稳定后，运控人员再给变频器发出启动信号，运行变频机组。

当然，为了不在大惯性电机还未完全停稳期间就再次启动变频器，导致影响电机和变频器的运行安全，可以考虑控制系统增加电机转速监测环节，即为大惯性电机增加转速传感器（DZ343），这种转速传感器是一种可靠的霍尔感应接近传感器，目前在电机运行转速测量及汽车ABS防抱死制动等旋转系统检测中广泛应用，转速传感专职采用单片集成型的专用齿轮转速霍尔芯片，温度特性好，飘移极小，是一种可靠的霍尔感应接近传感器（可检测铁等金属物质），它适于感应要求苛刻的传输及变速箱产品中的速度及精密间距的位置。转速传感器在同一芯片上集成了一组多路高隔离的DC/DC电源，一个高性能的信号放大与整形电路。特别适用于将转速、正弦波等信号放大转换成标准方波脉冲信号。将转速传感器传输给电机远程监控的后台系统，在程序设定电机转速为零时才能进行变频器的启动控制，即开动DDC模块的 YA常开触点实现变频器启动。

4、改进效果

经过改进的变频器外围线路控制设计方案，解决了电网闪断或人为调试维修维护变频器过程中带来变频器被不合理地频繁重启，并导致烧毁设备，减低变频器设备寿命的问题;解决了大惯性电机未停稳就又启动的安全风险;解决了远程监控系统没有采集前端设备运行状态长期保持启动指令发送状态，导致变频器频繁重启的隐患。该相关改进控制接线方案可提升现场控制端和远程控制端的自动安全运行的保障。

参考文献：

[1] 许殿国，刘晓峰，于泳.变频器故障诊断及容错控制研究综述[J]电工技术学报.2015 30（21）

（作者单位：贵州省机场集团有限公司）