变频器过电流跳闸和过载跳闸的原因分析

图１   过载保的“反时限” 特性
2.1 短路故障
短路故障是最危险的故障之一，应注意观察和分析, 如图2所示。

图2   变频器输出侧短路
     (1) 故障特点
     a) 第一次跳闸有可能在运行过程中发生，但如复位后再起动，则往往一升速就跳闸。
     b) 具有很大的冲击电流，但大多数变频器已经能够进行保护跳闸，而不会损坏。由于保护跳闸十分迅速，难以观察其电流的大小。
    (2) 判断与处理 
第一步，首先要判断是否短路。为了便于判断，在复位后再起动前，应在输入侧接入一个电压表，如图２所示。重新启动时，电位器从零开始缓慢旋动，同时，注意观察电压表。如果变频器的输出频率刚上升就立即跳闸，且电压表的指针有瞬间回“0”的迹象，则说明变频器的输出端已经短路或接地。
    第二步，要判断是在变频器内部短路，还是在外部短路。这时，应将变频器输出端的接线脱开，再旋动电位器，使频率上升，如仍跳闸，说明变频器内部短路;如不再跳闸，则说明是变频器外部短路，应检查从变频器到电动机之间的线路，以及电动机本身。
2.2 轻载过电流
    负载很轻，却又过电流跳闸，这是变频调速所特有的现象。
    (1) 变频调速系统的特殊问题
    在V/F控制模式下，存在着一个十分突出的问题:就是在运行过程中，电动机磁路系统的不稳定。其基本原因在于:
低频运行(fX下降)时，由于电压UX的下降，电阻压降I1r1所占比例增加，而反电动势E1所占的比例减小，比值Ｅ/f和磁通也随之减小。为了能带动较重的负载，常常需要进行转矩补偿(即提高Ｕ/f比，也叫转矩提升)。
而当负载变化时，电阻压降I1r1和反电动势E1所占的比例、比值Ｅ/f和磁通量等也都随之变化。结果是:导致电动机磁路的饱和程度也在随负载的轻重而变化。
    在进行变频器的功能预置时，通常是以重载时也能带得动负载作为依据来设定Ｕ/f比的。显然，重载时电流I1和电阻压降ΔＵr都大，需要的补偿量也大。但这样一来，在负载较轻，I1和电ΔUr都较小时，必将引起“补偿过分”，导致磁路饱和。
    (2) 磁路饱和的后果
    当磁路饱和时，磁通和励磁电流的波形如图３所示:

图3   磁路在饱和区工作时的励磁电流
图3(a)是电动机磁路的磁化曲线;图3(b)是磁通的波形，由于磁路饱和的原因，磁通波形的上面被“削平”了，变成了平顶波;图3(c)是励磁电流的波形，其横坐标是励磁电流i0，与磁化曲线图3(a)的横坐标对应。纵坐标是时间t，它和磁通曲线的横坐标相对应。因此，它是由图3(a)和图3(b)综合作出的。由图3可以看出，励磁电流i0的波形将发生严重畸变，是一个峰值很高的尖峰波。磁路越饱和，励磁电流的畸变越严重，峰值也越大。
由于尖峰波的电流变化率di/dt很大，但电流的有效值不一定很大。结果是:往往在负载很轻时发生过电流跳闸。
    这种由电动机磁路饱和引起的过电流跳闸，主要发生在低频、轻载的情况下。常见的例子如:
    a) 负载在运行过程中，阻转矩的变化较大。例如，某厂的车床采用变频调速，所购变频器无矢量控制功能。为了能在低速时进行切削，将Ｕ/f比预置得较大，但一退刀就跳闸。
解决方法:反复调整Ｕ/f比，使之既能在低速时进行切削，退刀时又不跳闸。
    b) 变频器用于风机或水泵，但Ｕ/f比却预置得较大。例如，某厂有一台变频器，原来用在传输带上，运行情况一直很好。后改接到风机上，起动时，频率刚上升到１０Ｈｚ左右就因“过流”而跳闸了。这是因为，传输带是恒转矩负载，当变频器用到传输带上时，其Ｕ/ｆ比必预置得较大。而风机是二次方律负载，低速时负荷级轻，导致电动机磁路严重饱和，励磁电流严重畸变，峰值很大，使变频器跳闸。
解决方法:将Ｕ/ｆ比预置为最小档后就不再跳闸了。
2.3 重载过电流
    (1) 故障现象
    有些生产机械在运行过程中负荷突然加重，甚至“卡住”，电动机的转速因带不动而大幅下降，电流急剧增加，过载保护来不及动作，导致过电流跳闸。
    (2) 解决方法
    a) 首先了解机械本身是否有故障，如果有故障，则修理机器。
    b) 如果这种过载属于生产过程中经常可能出现的现象，则首先考虑能否加大电动机和负载之间的传动比？适当加大传动比，可减轻电动机轴上的阻转矩，避免出现带不动的情况。但这时，电动机在最高速时的工作频率必将超过额定频率，其带负载能力也会有所减小。因此，传动比不宜加大得过多。同时还应注意:应根据计算结果重新预置变频器的“最高频率”。
    如无法加大传动比，则只有考虑增大电动机和变频器的容量了。
    例如，某厂的注塑机在运行过程中，每遇“喷塑”时，常常因过电流跳闸，据观察，有时是电动机堵转后跳闸。
解决方法:将电动机轴上的皮带轮御下，略“车”小一点(如皮带变松，则将电动机底座适当后移)，就不再过电流跳闸了。
2.4 升速或降速中过电流
    这是由于升速或降速过快引起的，可采取的措施有如下。
    (1) 延长升(降)速时间
    首先了解根据生产工艺要求是否允许延长升速或降速时间，如允许，则可延长升(降)速时间。
    (2) 准确预置升(降)速自处理(防失速)功能
    变频器对于升、降速过程中的过电流，设置了自处理(防失速)功能。当升(降)电流超过预置的上限电流Ｉset时，将暂停升(降)速，待电流降至设定值Ｉset以下时，再继续升(降)速，如图4所示。

图4   升(降)速自处理功能
但多数变频器的降速自处理功能只考虑直流电压，而无降速电流过大的自处理功能，需要注意阅读说明书。
    (3)其他措施
    如果采用了自处理功能后，因延长了升、降速时间而不能满足生产机械的要求，则:
    a) 考虑适当加大传动比，以减小拖动系统的飞轮力矩，使电动机容易启动及升速;
   b) 如果不能加大传动比，则只能考虑加大变频器的容量了。
综上所述，过电流跳闸的判断流程如图5所示。

图5    过电流跳闸的判断流程
3、过载跳闸及原因分析
    电动机能够旋转，但运行电流超过了额定值，称为过载。
过载的基本反映是:电流虽然超过了额定值，但超过的幅度不大，一般也不形成较大的冲击电流。
3.1 过载的主要原因
    (1) 机械负荷过重 负荷过重的主要特征是电动机发热，并可从显示屏上读取运行电流来发现。
   (2) 三相电压不平衡 引起某相的运行电流过大，导致过载跳闸，其特点是电动机发热不均衡，从显示屏上读取运行电流时不一定能发现(因显示屏只显示一相电流)。
   (3)误动作 变频器内部的电流检测部分发生故障，检测出的电流信号偏大，导致跳闸。
3.2 检查方法
    (1) 检查电动机是否发热 如果电动机的温升不高，则首先应检查变频器的电子热保护功能预置得是否合理，如变频器尚有余量，则应放宽电子热保护功能的预置值;如变频器的允许电流已经没有余量，不能再放宽，且根据生产工艺，所出现的过载属于正常过载，则说明变频器的选择不当，应加大变频器的容量，更换变频器。这是因为，电动机在拖动变动负载或断续负载时，只要温升不超过额定值，是允许短时间(几分钟，甚或几十分钟)过载的，而变频器则不允许。
如果电动机的温升过高，而所出现的过载又属于正常过载，则说明是电动机的负荷过重。这时，首先应考虑能否适当加大传动比，以减轻电动机轴上的负荷。如能够加大，则加大传动比。如果传动比无法加大，则应加大电动机的容量。
    (2) 检查电动机侧三相电压是否平衡 如果电动机侧的三相电压不平衡，则应再检查变频器输出端的三相电压是否平衡，如也不平衡，则问题在变频器内部，应检查变频器的逆变模块及其驱动电路;
如变频器输出端的电压平衡，则问题在从变频器到电动机之间的线路上，应检查所有接线端的螺钉是否都已拧紧，如果在变频器和电动机之间有接触器或其他电器，则还应检查有关电器的接线端是否都已拧紧，以及触点的接触状况是否良好等。
    如果电动机侧三相电压平衡，则应了解跳闸时的工作频率:
    如工作频率较低，又未用矢量控制(或无矢量控制)，则首先降低Ｕ/ｆ比，如降低后仍能带动负载，则说明原来预置的Ｕ/ｆ比过高，励磁电流的峰值偏大，可通过降低Ｕ/ｆ比来减小电流;如果降低后带不动负载了，则应考虑加大变频器的容量;如果变频器具有矢量控制功能，则应采用矢量控制方式。
    (3) 检查是否误动作
    在经过以上检查，均未找到原因时，应检查是不是误动作。如图６所示，判断的方法是在轻载或空载的情况下，用电流表测量变频器的输出电流，与显示屏上显示的运行电流值进行比较，如果显示屏显示的电流读数比实际测量的电流大得较多，则说明变频器内部的电流测量部分误差较大，“过载”跳闸有可能是误动作。
综上所述，过载跳闸的判断流程如图７所示。

图6   误动作的判断

图7    过载跳闸的判断流程