變頻器應用中的幾個問題（二）

如果有若干個電源并聯后共同供電，如圖7(a)所示，各電源的外特性分別如圖7(b)中之曲線①、②、③。因為各電源并聯后的輸出電壓是相等的，所以，電流分配以端電壓相等為原則，取決于各自的外特性。

 

圖7 　多電源供電的電流分配

例如，電源“E1”的外特性是曲線①，而曲線①上與電壓U對應的電流是I1，即，I1滿足式(2):
  U＝E1－I1r01
  同理可以分別找出電源“E2”和“E3”對應的電流I2和I3，它們分別滿足:
  U＝E2－I2r02
  U＝E3－I3r03
2.3 共母線時各變頻器電流分配的分析
  多臺變頻器共母線時，各變頻器的整流電路都和直流母線并聯，如圖8所示。
  假設:電動機M1運行在電動狀態;而電動機M2運行在再生狀態(發電機狀態)，今分析各變頻器整流電路的電流分配如下:

圖8　 共母線變頻器的電路與電流分配

  (1) 電動狀態變頻器的電流分配
  作出變頻橋與直流母線的外特性  
  變頻器整流及濾波電路的外特性如圖8(b)中之曲線①所示;直流母線由于容量較大，其外特性可以看成是直線，如圖8(b)中之曲線②所示。
  分析電流分配
  變頻器和直流母線并聯后的輸出電壓等于母線電壓UDD，兩者共同的負載電流等于電動機的電流IM1。
  由圖8(b)知，在輸出電壓相同的條件下，整流橋和直流母線的電流分配分別是ID1和IDD。且滿足關系式:
   IM1＝ID1＋IDD  (3)
         式中, IM1—電動機電流，A;
  ID1—整流橋的輸出電流，A;

[ 
  IDD—從直流母線流向變頻器VF1的電流，A。
  式(3)中的IDD就是所要估算的電流。
        令    IDD＝KD1 IM1      (4)
  式中，KD1—系數。
從圖8(a)可以看出:KD1＜1。
      (2) 再生狀態變頻器的電流分配
  作出整流橋與逆變橋的外特性
  當電動機處于再生狀態時，由于整流橋的空載電壓和逆變橋的泵升電壓都高于直流母線的電壓，故對于變頻器VF2來說，處于整流橋和逆變橋共同向直流母線供電的狀態。所以，有必要首先作出整流橋和逆變橋的外特性，如圖8(c)所示。圖中，曲線③是整流橋的外特性，其起點等于整流橋的空載電壓;曲線④是逆變橋的外特性，因為泵升電壓常高于直流電壓的正常值，故在曲線③的上面。
 對電流分配的分析
因為整流橋和逆變橋都并聯在直流母線上，所以，兩者的共同輸出電壓等于母線電壓UDD。由圖8(c)知，電流分配分別是ID2和IM2，且:
  IDD＝ID2＋IM2   (5)
令  IDD＝KD2 IM2    (6)
式中，KD2—系數。
可以看出:KD2＞1。

3  幾個緊急處理方案
  任何設備在使用過程中，都免不了發生故障，變頻器及其外配器件也不例外。由于變頻器的外配器件在一般變頻器的經銷公司中常常沒有備件，某些進口變頻器配件在國內的備品也較少。因此，要買到配件常常需要時間。而生產單位總是希望停機時間不要太長，使生產不受影響或少受影響。
  起重機械在起吊重物時，以及礦山坑道的運輸小車在輸送礦石時，如果變頻器一旦跳閘(有時是誤動作)，容易出現溜鉤或下滑現象，有可能產生嚴重后果。
遇到這些情況，有必要采取應急措施，能夠臨時性地維持生產，或避免發生意外。筆者*近為一些讀者提供了幾個應急方案，效果良好，介紹如下。
3.1 制動電阻燒壞了怎么辦？
  變頻器說明書中提供的制動電阻的容量，是針對一般降速時計算的。如果起動和停機特別頻繁，或在重力負載向下運行時，制動電阻常常因容量太小而燒壞。
  一般情況下，制動電阻可以用電爐絲或其他電熱設備中的發熱元件來代替，如圖9所示。由于電爐絲的額定電壓通常是220V，而處于再生制動狀態的直流回路的平均電壓約為650V，故電爐絲應以三組串聯為宜。
  (1) 發熱元件電阻值的計算

圖9　自制制動電阻

  發熱元件的額定數據只有兩個:額定功率和額定電壓。
上述數據是在發熱狀態下的數值。根據額定數據，其熱態電阻值可計算如下:

(7)

[[
式中, PN─發熱元件的額定功率，W;
UN─發熱元件的額定電壓，V;
RE─發熱元件的熱態電阻，Ω。
由于總體上說，制動電阻并不處于連續工作的狀態。接入電路的時間通常是斷續的。因此，發熱元件作為制動電阻使用時，其實際溫度達不到電熱設備的溫度。所以，由式(7)計算出的熱態電阻值，與冷態或溫態時的電阻值相比，略微偏大一些。因為電熱設備的工作溫度一般在200℃以內，熱態電阻與冷態電阻的差別并不很大，故式(7)的計算結果是可用的。
(2) 計算實例
今以某37kW電動機為例，說明書中的原配制動電阻是20Ω，5kW。
 大多數變頻器中，能耗電路是在直流電壓超過700V時開始放電的，則制動電阻接入電路時消耗的功率是:
   PB0＝

＝24500W＝24.5kW
則說明書中制動電阻的修正系數是:
αB＝

＝0.204≈0.2
對于起動與制動比較頻繁的負載，以及對于向下運行的重力負載來說，上述修正系數顯然是太小了。
用發熱元件代替的方案可有多種，例如，用9根2kW的發熱元件串、并聯來代替，如圖1所示。則:
合成熱態電阻的大小為
   RB′＝24.2Ω
冷態電阻值接近于20Ω。
總的額定功率
  PB′＝18kW
修正系數增大為:
αB′＝

＝0.735≈0.74
應該說，制動電阻的容量已經足夠了。
3.2 制動單元損壞了怎么辦？
(1) 降速過程的應急措施　
  導致制動單元損壞的原因可能有多種，但常見的主要有兩種:
 與制動電阻的阻值匹配不好而燒壞功率管;
 制動單元內部的開關電源損壞，導致功率管損壞。
  制動單元一般難以自行修復。作為臨時的應急措施，制動單元中的開關器件可以用三相交流接觸器來代替，如圖10所示。這時，接觸器的三對觸點必須串聯，原因如下:
  -耐壓的考慮 

圖10     用接觸器觸點代替制動單元

  交流接觸器觸點的額定電壓是500V，而直流電壓則大于500V。串聯以后，耐壓可達1500V，具有較大裕量;
-滅弧的考慮
直流電路在接通和斷開過程中的電弧比交流電路嚴重得多。將三對觸點串聯以后，可以起到分割電弧的作用，有利于滅弧。
  (2) 接觸器的控制方法

[[[ 
  起重機械
  由控制吊鉤下行的接觸器的輔助觸點或通過中間繼電器KB來進行控制。使吊鉤在每次向下運行時，制動回路就處于放電狀態。
 頻繁起、制動的機械
  由停機按鈕通過中間繼電器KB來進行控制。使生產機械在每次停機時，制動回路就處于放電狀態。
  必須說明，上述方法只能作為應急措施臨時使用。如長期使用，則可能造成電能的浪費。
3.3 起重機械在變頻器跳閘后如何防止溜鉤？
  起重機的起升機構在吊運重物時，常常需要重物在空中停住，以便在空中進行平行或旋轉的移動。當重物在空中停住時，必須用電磁制動器把傳動軸抱住，以防止重物因自重而下滑。電磁制動器在停電時處于抱緊狀態，通電時松開。
  由于電磁制動器的松開和抱緊過程是需要時間的，通常為0.3～0.6s。在此時間內，如果電動機沒有轉矩的話，重物必將下滑，俗稱溜鉤。 
  (1) 變頻器跳閘時的溜鉤特點
  跳閘時必然溜鉤
  變頻器跳閘后，變頻器的逆變管將立即被封鎖，電動機處于自由制動狀態，上述控制對策完全失去作用。這時，雖然電磁制動器將因失電而開始抱緊。但在尚未抱緊的過程中，重物必將下滑，形成溜鉤。
  跳閘的時間與地點不能預測
  正常運行時，吊鉤電動機的起動和停機是由人來控制的，因此，可能導致溜鉤的時間與地點是預先知道的，人們可以事先進行預防。但變頻器跳閘的時間與地點卻是隨機的，人們無法事先進行預防，故危險性較大，必須設法防止。
  (2) 防止溜鉤的措施  
  如果在變頻器跳閘時，將外加直流電源接入電動機繞組，使電動機處于直流制動狀態，如圖11(a)所示。則在電磁制動器因斷電而抱緊的過程中，可以防止重物下滑，避免了溜鉤。外加直流電源經過適當延時后撤消。其控制電路如如圖11(b)所示:

圖11　跳閘防溜鉤的措施

  當變頻器跳閘時，報警輸出端子的動合觸點MA－MC閉合，時間繼電器KT得電，其動合觸點立即接通，使接觸器KMF得電，將外部的直流電源通入電動機，使電動機進行直流制動。
  在跳閘的同時，變頻器和電磁制動器的電源均被切斷(圖中未畫出)，使電磁制動器開始抱緊。
時間繼電器KT延時1～2s后，其觸點斷開，接觸器KMF斷電，直流制動停止。