变频器的主要保护功能

变频器的主要保护功能

张燕宾

1 变频器的过载保护功能

过载保护功能是保护电动机过载的。从根本上说，对电动机进行过载保护的目的，是使电动机不因过热而烧坏。因此，进行保护的主要依据便是电动机的温升不应超过其额定值。1.1 发热保护的反时限特性

电动机的热保护功能具有反时限特性。即电动机的过载电流越大，允许过载的时间越短，保护动作的时间也越短。

例如，当运行电流为额定电流的105%时，可维持5.8min后才进行保护跳闸；当运行电流为额定电流的150%时，运行1min就需进行保护跳闸；而当运行电流为额定电流的180%时，允许的持续运行时间只有36s（0.6min），如图1所示。

图1 过载保护的反时限特性

1.2 温升与频率的关系

(1) 电动机的发热与频率的关系

电动机在低频运行时，由于散热情况变差，故发热比较严重。即使在I M=100%I MN的情况下，其稳定温升也会超过电动机的允许温升。

图2 低频时的发热曲线

(2) 温升曲线

例如，在图2中，当频率ƒX=50Hz、I M=100%I MN时，其温升曲线为曲线①；而当频率f X=20Hz、

I M=100%I MN时，其温升曲线为曲线②。允许运行的时间将缩短为t’。

1.3 变频器的电子热保护功能

(1) 电子热保护的特点

根据电动机发热的上述规律，所有的变频器都配置了电子热保护功能，其热保护曲线如图3所示。主要特点有：

①具有反时限特性；

②在不同的运行频率下有不同的保护曲线，如图3所示：当频率为50Hz、运行电流为150%I MN时，允许连续运行的时间较长，为t1；当频率为20Hz时，允许连续运行的时间缩短为t2；而当频率为10Hz时，允许连续运行的时间进一步缩短为t3。可见，频率越低，允许连续运行的时间越短。

图3 电子热保护曲线

(2) 电子热保护功能的预置

在实际应用中，变频器的容量和电动机容量之间的配用情况不是固定的。例如，对于长期不变的负载，一台55kVA的变频器配用的电动机应该是37kW。但对于变动负载、断续负载

和短时负载，由于电动机是允许短时间过载的，而变频器则不能。因此，也可能配用22kW 甚至15kW的电动机。针对这种情况，在预置电子热保护功能时，必须预置“电流取用比”：

(1)

式中I M%为电流取用比；I MN为电动机的额定电流，A；I N为变频器的额定电流，A。

变频器将根据用户所预置的电流取用比，来决定进行保护跳闸的时间。

(3) 不同变频器对相关功能的称谓

电子热保护选择、电机负载曲线、过载过热保护动作方式、电机过载保护系数、电子热过载继电器、电子热动电驿选择。

英文名称有：overload setting、electronic thermal overload relay、electronic thermal level adjustment、electronic thermal characteristic selection、motor thermal protection mode selection。

2 变频器的自处理功能

变频器的保护功能是比较准确而灵敏的，但过多的跳闸，也会使用户感到不方便。为此，

变频器对于某些持续时间不长、电流或电压在上升时的变化率（和）不高的“故障”，

设置了避免跳闸的自处理功能，也叫防失速功能。例如，在升、降速过程中的过电流和过电压，以及偶发性的短时间过载等。

2.1 加速过电流的自处理功能

(1) 加速过程中的过电流

众所周知，加速时间预置得太短，会增大加速电流，产生过电流。

这里需要注意的是：在电力拖动系统中，加速时间的长短是一个相对的概念。它是和拖动系统的惯性大小（由GD2表示）有关的。如果拖动系统的惯性很大，即使预置的加、减速时间并不短，但只要拖动系统的实际转速跟不上频率的上升，使电动机的转差增大，转子绕组切割旋转磁场的速度增大，也会形成过电流。

总之，在加速过程中，只要出现拖动系统的转速跟不上频率的变化，导致过电流者，就是加速时间预置得太短所形成的。

(2) 变频器对加速过电流的自处理功能

在加速过程中，如果加速电流超过了某一设定值I set（即起动电流的最大允许值），变频器的输出频率将暂停增加，待拖动系统的转速跟了上来，电流下降到设定值I set以下后再继续升速，如图4所示。

图4 加速过电流的自处理功能

(3) 不同变频器对相关功能的称谓

加速中过电流失速防止准位设定、加速时电流基准值、加速中防止失速电平、加速中防止失速极限。

英文名称有：reference current for acceleration、stall P acceleration selection、stall P acceleration level。

2.2 运行过电流的自处理功能

在拖动系统中，运行过电流主要有两种情况：

(1) 正常过载

例如，当电动机拖动变动负载、断续负载或短时负载时，只要电动机的温升不超过额定值，短时间的过载是允许的。而这短时间的过载，有可能导致变频器的过电流。

(2) 非正常过载

这主要发生在生产机械本身发生故障，或因保养不当，润滑系统干涸等原因，导致电动机负荷加重。

(3) 变频器对运行过电流的自处理功能

变频器在运行过程中出现过电流时，其自处理方法是：当电流超过设定值I set时，变频器首先将工作频率适当降低，到电流低于设定值I set时，工作频率再逐渐恢复，如图5所示。

图5 运行过电流的自处理功能

(4) 不同变频器对相关功能的称谓

选择运行中防止失速功能、运行中防止失速电平、电流限幅功能、电流限幅动作水平、失速过流点、运转中过电流失速防止准位设定。

英文名称有：stall P run selection、stall P run level 、maximum output current、current limit。2.3 减速过电压的自处理功能

(1) 变频调速系统的减速过程

变频调速系统是通过降低频率来减速的。正常运行时，电动机的实际转速总是低于同步转速的，设为1 440r/min。这时，转子绕组以转差Δn反方向（与旋转磁场方向相反）切割旋转磁场，转子电流和转子绕组所受电磁力F M的方向如图6(a)上方所示。由图知，由F M构成的电磁转矩T M的方向是和磁场的旋转方向相同的，从而带动转子旋转。

当频率刚下降（设下降为45Hz）的瞬间，由于惯性原因，转子的转速仍为1 440r/min，但旋转磁场的转速却已经下降了（例如，下降为1 350r/min）。因此，转子绕组切割旋转磁场的方向、转子电动势和电流等都与原来相反，电动机变成了发电机，处于再生制动状态，如图6(a)下方所示。

从能量平衡的观点看，降速过程是拖动系统释放动能的过程，所释放的动能转换成了再生电能。再生电能由逆变管旁边的二极管进行三相全波整流后反馈到直流电路，使直流电压上升，称为泵升电压，如图6(b)所示。

(2) 减速过程中的过电压

即降速过快引起的过电压。和升速过程相仿，对于惯性较大的负载，如果降速时间预置得过短，会因拖动系统的动能释放得太快而引起直流回路的过电压。为了避免跳闸，变频器设置了降速过电压的自处理功能。如果在降速过程中，直流电压超过了某一设定值U set，变频器的输出频率将不再下降，电动机暂缓降速，待直流电压下降到设定值以下后再继续降速，如图7所示。