高压变频器过电压保护与控制

高压变频器过电压保护与控制

鞠思

云南省电力投资有限公司

【摘要】：随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，高压大功率变频调速装置不断地成熟起来，近年来通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。但随着高压变频器应用范围逐渐拓展，电子器件出现严重的承压问题，受到社会各界人士的高度重视。基于此，本文通过阐述高压变频器的过电压概述，再从不同方面来分析Zno压敏电阻的接线方法和位置，常见高压变频器过压限制措施。

【关键词】：高压变频器；过电压保护；控制方法

一、高压变频器的过电压概述

高压变频器中的过电压是由于电力电子器件在开关过程中出现电压问题，通常有关闭过电压和换相过电压两种情况。而电力电子元件作为提高高压变频器运行稳定性的重要环节，一旦其电子器件出现问题，不仅给设备正常运行带来严重影响，还会影响到企业经济效益。同时，因高压变频器中的电子器件很容易受到电压影响，所以工作人员要对高压变频器进行过电压保护，来控制高压变频器中过电压对电子器件的影响，避免电气器件产生各种问题。目前，我国高压变频器中最典型的过电压保护设备，是将ZNO压敏电阻和电子器件相互连接起来，从而获得降低电压，保护电子器件的作用。但这种方法有一个严重缺陷，会大幅度提高ZNO压敏电阻的数量，让整个保护系统变得庞大，无形中提高企业过电保护成本，降低企业获得的经济效益。另外，电子器件耐压程度较低，很容易提高ZNO压敏电阻中的电压，给ZNO压敏电阻选型带来不同程度的阻碍。实际上，在设计高压变频器过电压保护工作时，要保证直流母线电压的充足性，才能合理控制电子器件，灵活应用在高压变频器中，并且在确保母线电压充足情况下，让电力电子元件处于开、关两种状态，禁止跳跃行为，从而避免其出现直通问题。

二、高压变频器的过电压保护分析

（一）高压变频器中ZNO压敏电阻的接线位置

为确保ZNO压敏电阻能正常工作，工作人员要提前确定其连接位置，再分析电压日常运行情况的基础上，进一步分析ZNO压敏电阻和高压变频器中过电压限制程度。在正常情况下，ZNO压敏电阻会连接在输出滤波器后和脉波整流前的位置。而在逆变环节和直流环节位置接入压敏电阻的主要作用是限制母线过电压；在输出滤波上连接ZNO压敏电阻作用是避免逆变环节出现过电压现象。但并非每个位置接入ZNO压敏电阻都能实现高压变频器的过电压表保护作用，在输入脉波整流环节上接入ZNO压敏电阻，虽然能限制高压变频器，避免过电压给电子器件带来严重影响，但随着ZNO压敏电阻中的残留电压不断提高，会导致直流电容两端电压逐渐上升，无形中影响到电压保护效果。因此，工作人员要在逆变环节左右接入ZNO压敏电阻，即是逆变环节和输出滤波环节，这样不仅能提高电路中的电流和电压，也不会给高压变频器带来严重影响，从而提高高压变频器的电子器件保护作用。

（二）ZNO压敏电阻的接线方法

在确定ZNO压敏电阻的接线位置后，工作人员要考虑到ZNO压敏电阻的接线方法。在正常情况下，最佳接线位置在输出滤波位置进行接线，能有效提高高压变频器的保护作用。目前，我国接线方法主要包括三相星形连接、三相三角形连接、三相四线连接，其中三个ZNO压敏电阻是三相三角形连接的最佳连接方法，能有效提高高压变频器的过电压保护作用。但值得注意的是，为充分发挥电压保护功能，要确保三个ZNO压敏电阻的设计参数相同[2]。

三、引起过电压故障的原因

（一）来自电源输入侧的过电压

正常情况下电网电压的波动在额定电压的﹣10％一＋10％以内，但是，在特殊情况下，电源电压正向波动可能过大。由于直流母线电压随着电源电压上升，所以当电压上升到保护值时，变频器会因过电压保护而跳闸。

（二）来自负载侧的过电压

由于某种原因使电动机处于再生发电状态时，即电动机处于实际在速比变频频率决定的同步转速高的状态时，负载的传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，通过各个功率单元逆变桥中的IGBT中的续流二极管回馈到功率单元的直流母线回路中。此时的逆变桥处于整流状态，如果功率单元中没有采取消耗这些能量的措施，这些能量将会导致中间直流回路的电解电容器的电压上升，达到保护值即会报出过电压故障而跳闸。

四、防止高压变频器过电压的措施

由于过电压产生的原因不同，因而采取的对策也不相同。对于在停车过程中产生的过电压现象，如果对停车时间或位置无特殊要求，那么可以采用延长变频器减速时间或自由停车的方法来解决。所谓自由停车即变频器将主开关器件断开，让电机自由滑行停止。如果对停车时间或停车位置有一定的要求，那么可以采用直流制动(DC制动)功能。直流制动功能是将电机减速到一定频率后，在电机定子绕组中通入直流电，形成一个静止的磁场。电机转子绕组切割这个磁场而产生一个制动转矩，使负载的动能变成电能以热量的形式消耗于电机转子回路中，因此这种制动又称作能耗制动。在直流制动的过程中实际上包含了再生制动与能耗制动两个过程。这种制动方法效率仅为再生制动的30-60%，制动转矩较小。由于将能量消耗于电机中会使电机过热，所以制动时间不宜过长。 

直流制动开始频率，制动时间及制动电压的大小均为人工设定，不能根据再生电压的高低自动调节，因而直流制动不能用于正常运行中产生的过电压，只能用于停车时的制动。  对于减速(从高速转为低速，但不停车)时因负载的转动惯量（GD2）过大而产生的过电压，可以采取适当延长减速时间的方法来解决。其实这种方法也是利用再生制动原理，延长减速时间只是控制负载的再生电压对变频器的充电速度，使变频器本身的再生制动能力得到合理利用而已。再生制动与直流制动相比，具有较高的制动转矩，而且制动转矩的大小可以跟据负载所需的制动力矩由变频器的制动单元自动控制。因此再生制动最适用于在正常工作过程中为负载提供制动转矩。

五、常见变频再生制动的方法

（一）能量消耗型

这种方法是在变频器直流回路中并联一个制动电阻，通过检测直流母线电压来控制一个功率管的通断。在直流母线电压上升至700V左右时，功率管导通，将再生能量通入电阻，以热能的形式消耗掉，从而防止直流电压的上升。

（二）并联直流母线吸收型

适用于多电机传动系统，在这个系统中，每台电机均需一台变频器，多台变频器共用一个网侧变流器，所有的逆变部并接在一条共用直流母线上。这种系统中往往有一台或数台电机正常工作于制动状态，处于制动状态的电机被其它电动机拖动，产生再生能量，这些能量再通过并联直流母线被处于电动状态的电机所吸收。在不能完全吸收的情况下，则通过共用的制动电阻消耗掉。

（三）能量回馈型

能量回馈型的变频器网侧变流器是可逆的，当有再生能量产生时，可逆变流器将再生能量回馈给电网，使再生能量得到完全利用。但这种方法对电源的稳定性要求较高，一旦突然停电，将发生逆变颠覆。

六、总结

综上所述，本文根据高压变频器实际情况进行电压控制工作，能有效提高高压变频器电压的稳定性，确保高压变频器性能使用和工作状态能达到预期标准，给电力生产提供持续性输出。针对该种情况，相关工作人员要提高对高压变频器过电压保护工作的重视程度，尽可能降低高压变频器的故障概率，提高高压变频器应用能力，给企业实现可持续发展打下坚实基础。

参考文献：

[1] 岳俊. 级联式电压源型矿用高压变频器的设计与实现[D]. 山西:太原理工大学,2020.

[2] 徐冬冬,张国澎,黄凯. 新一代高压变频器混合型整流级直流电压脉动研究[J]. 电力系统保护与控制,2020,48(15):43-49.

[3] 程传杰. 运维方式优化及结构改进在提升高压变频器运行可靠性中的应用研究[D]. 山东:山东大学,2020.

[4] 庞晓丽. 基于状态反馈控制的大功率电机高压变频切换系统设计[J]. 机电信息,2020(11):96-98.