聂梦麒，刘 丽

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063000）

0 引 言

冷轧在冶金领域中处于至关重要的地位。在冷轧生产线中，设备驱动大多采用变频调速形式的交流调速电机。由于冷轧生产线对设备运行的稳定性和连续性要求极高，一旦变频器出现故障，将会造成整条生产线停车，从而产生巨大经济损失。因此，交流变频调速系统在冷轧设备中处于重要地位，变频器故障的快速排除及预防对策是冷轧设备管理工作中的一项重要内容。

1 变频器工作原理及过压故障分析

1.1 变频器的工作原理

变频器主电路通常包括三相桥式整流模块、直流回路及逆变器模块三部分，其电路原理如图1所示[1]。

变频器过压保护是指变频器工作时，电路中间直流回路电压峰值超出最高设定值，为确保变频器元器件的稳定性及使用安全而采取的停机保护措施，此时面板上显示“OU”。当变频器中间直流回路电压过高时，会使电机磁路处于饱和状态，励磁电流增大，进而造成电机过热，并且过高的电压脉冲幅度还会损害电机的绝缘，从而直接影响电机的使用寿命。因此，变频器过压保护是确保变频器及电机长时间安全运行的重要保护机制。

通常，电路中间直流回路的电压为三相电压整流滤波后的平均值，当取380 V时，直流回路电压Ud=380×1.414=537 V[2]。电压升高时，直流回路中主电容两端的电压随之升高，两端电压继续增加并超过主电容额定电压时，便会触发变频器过压保护[2]。

图1 变频器主电路原理图

1.2 变频器过电压原因分析

变频器发生过电压最常见的原因是负载端故障。此类过电压故障是由于电机因某种原因产生了再发电，即电机的瞬间实际转速超过了变频器的输出转速，使得被驱动负载所携带的动能通过电机转子转化为电能，电压通过逆变模块中的续流二极管（D1～D6）传至直流母线端，主电容C进行充电，加上再生电压无法通过三相桥式整流模块，从而造成直流母线端的电压升高。当直流母线端电压超过检测值时，便会引发变频器过压保护。

因负载端引起的变频器过电压保护有如下几种情况。

（1）未开启减速过压自处理功能，且减速时间设定过短。变频器通常均设置有减速过压自处理功能。当系统减速后产生再生发电时，变频器的输出转速会自动停止下降，直至电机实际转速逐渐下降并接近输出转速时，直流母线端电压降低，变频器的输出转速才会继续降低。若该功能未被投入使用，且变频器的减速设定时间较短，对于惯性较大的负载减速，变频器输出转速下降较快，而电机实际转速下降缓慢，此时变频器输出转速低于电机实际转速，系统则会产生再生发电，易造成直流母线端电压过高而触发过压保护。

（2）电机的位能负载下降过快。此时系统中会生成较多回馈能量，当回馈能量超过变频器的能量处理能力时，便会触发过压保护。

（3）电机负载突然降低。当负载因某种原因突然降低时，电机实际转速迅速升高并超过变频器的输出转速，系统产生再生发电，直流母线端电压瞬间升高，触发过压保护。

（4）同一负载由多个电机驱动，负荷分布不均。由于电机间的负荷不同，电机转速必然存在差异，此时转速较慢的电机处于再生发电状态，从而触发过压保护。

引起变频器过电压保护的其他原因具体如下。

（1）输入端电流电压升高，导致中间直流回路电压升高，造成变频器过电压。

（2）谐波干扰。除变频器工作环境中的谐波干扰外，变频器自身也会产生较强的高次谐波。当受到干扰产生的谐波电压高于中间直流回路电压时，便会引发过电压故障。

（3）变频器直流回路中电容C的容量降低。若变频器使用时间较长，电机存在回馈发电现象，直流回路中电容C的容量不可避免会降低，回路对直流电压的调节能力随之下降，相同工作环境下更容易触发过压保护。

（4）当断开或闭合电闸、遭遇雷击时，在补偿电容端产生的瞬间冲击电压也会引发变频器过电压保护。

以最常见的380 V电源为例，电压允许偏差为±5%。通过三相桥式整流模块后，中间直流母线端的电压最大值为591 V，即使电源电压因异常升至450 V，中间直流母线端电压仅为636 V，远低于变频器默认过压保护电压（800 V）。因此，变频器通常情况下不会因电源电压波动而发生过电压故障。只有在特有的极少情况下，如雷击使电源侧产生过高的冲击电压而引发过电压。

变频器再生发电是因变频器输出减速时间相对于负载减速时间过小且通常未投入再生发电自处理功能所致[3]。变频器频率调整方式包括手动设定和自动设定两种。手动时，变频器输入为4～20 mA固定的电流信号，其运行频率为固定值。自动时，外部压力、温度等参数设定好后，变频器频率会随这些参数的变化而自行调节；当其中的某一参数发生较大波动时，变频器频率随之产生较大变化，加减速也就更加频繁，因此更容易因电机的再生发电引发变频器过压故障。

2 变频器过电压故障的处理方法

首先应根据变频器过电压故障的特点来判断其类型和故障部位，从而快速锁定故障原因，采取有效的处理措施。若过电压故障为偶然发生，则多因电机负载空降、电机堵转、保护电路损坏及外部控制线路断路等造成；若同部位过电压故障经常发生，则多是由于工艺参数设定不合理、变频器输出减速给定时间较短造成。重新启动变频器，如果故障得到排除，则通常为系统软故障，若故障未能消除，则多是因变频器硬件电路问题所致。

2.1 观察并重新设定变频器内部参数

发生变频器过电压故障后，首先要观察变频器参数设定，可从两方面入手：检查变频器是否开启了过电压自处理功能；检查变频器减速时间设定是否合理。更改变频器减速时间时，要考虑工艺流程对负载减速时间的硬性要求，无此要求的，可通过适当增加减速时间来排除变频器过电压故障[4]。同时，需注意，增加减速时间时应保证减速的线性特性，修改跨度不宜过大，做到负载动能的缓慢释放。

2.2 工艺参数分析，解决负载突变

由电机负载突变引起的变频器过电压故障首选该方法。分析工艺参数，找出引起负载突变的原因，然后通过调整工艺流程或参数来避免负载发生突变。若在工艺流程中负载突变无法避免，则可以找出负载突变的规律，通过调整控制系统，在发生负载突变前，相应改变变频器输出频率，使其与负载突变保持一致，从而减少输出端产生的再生电压回馈至中间直流母线端，从而排除过电压故障。

2.3 适当提高中间直流回路电容的容量

电容是中间直流回路中的关键元件，起着提高直流回路承压能力和稳定电压的作用。适当提高中间直流回路电容的容量能有效消除过压保护故障。变频器长期使用造成电容容量降低时，应及时更换电容。

2.4 采用制动电阻

对于功率低于7.5 kW的变频器，其内部均设置有制动电阻，当中间直流母线电压超过一定值时，制动电阻会被串入回路并消耗回路中的再生能量。对于高功率变频器则需要结合现场实际工况来设置制动电阻及其控制单元。

2.5 并联直流母线

同一负载由多台电机驱动时可采取该方法。每台电机配备一台逆变器，并将其并联接入公共直流母线。工作时，处于制动状态的电机所产生的大部分再生电压经直流母线被其他电机吸收，剩余的再生能量则通过制动电阻消耗殆尽。

3 变频器的日常维护方法

3.1 变频器的工作环境要求

变频器对环境温度的要求通常为-5～40 ℃。文献表明，变频器的故障率与环境温度有直接关系，并随环境温度的升高而增加，因此夏季变频器故障率通常要高于冬季[5]。环境温度过高时，变频器模块不能及时散热，从而更易导致模块烧毁。环境清洁度也是影响变频器运行稳定性和使用寿命的关键因素。因此，对变频器进行日常维护时，要严格控制变频器的环境温度，保持良好的通风，炎热时可采取空调制冷措施。保持清洁的环境，避免严重的粉尘污染，并定期对变频器内部的灰尘进行清扫。确保变频器工作环境干燥，特别是多雨、潮湿的季节，应有可靠的防雨措施，同时避免因空气温差在变频器柜内形成结露。

3.2 变频器日常巡视维护方法

（1）定期巡视并记录人机界面上的各参数，有异常时及时排查；（2）定期清扫变频室，并保持干净整洁，降低粉尘污染；（3）控制和记录变频器室环境温度，并保持在-5～40 ℃，移相变压器温升不得大于130 ℃；（4）定期清扫变频器柜门过滤网，确保滤网保持良好的通风；（5）多雨、潮湿季节，有良好的防雨、防潮措施；（6）定期检查变频室内的通风、制冷设施运转是否正常，如通风扇、空调等，检查照明设施工作是否良好。

4 结 论

本文简要说明了变频器的控制原理，分析了变频器过压故障的主要原因，并指出了变频器过电压故障的判断及处理方法，以期为相关人员提供参考。