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六 变频器的保护和显示功能

 1  电动机过载的保护功能
1.1 基础概念
电动机过载的基本特征是温升超过额定温升。因此，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。
1.1.1 电动机的温升曲线
(1) 温升曲线及其含义
电动机运行时，其损耗功率(主要是铜损)必然要转换成热能，使电动机的温度升高。

图1  电动机的温升曲线

电动机的发热过程属于热平衡的过渡过程。因此，基本规律和其他的过渡过程相同，其温升也遵循按指数曲线上升(或下降)的规律，如图1(a)中曲线①所示。其物理意义是:由于电动机在温度升高的同时，必然要向周围散热，温升越大，散热也越快。故温升不可能按线性规律上升，而是越升越慢。当电动机产生的热量和散发的热量相平衡时，温升不再增加，处于稳定状态，称为稳定温升，用θS表示。当电动机运行在额定状态时的θS便是额定温升。
(2) 发热时间常数
图1(a)中的τ是发热时间常数，通常用来说明发热的快慢。其物理意义可以有两种解释:
l 如果不散热的话，电动机的温升将按线性规律上升，如图1(a)中曲线①'所示。在这种情况下到达稳定温升所需要的时间，也就是温升曲线的切线和稳定温升的交点所对应的时间;
l 温升上升到稳定温升的63%(63%θS)所需要的时间。
电动机的发热时间常数与该电动机的热容量以及周围的散热状况有关，在周围环境不变的情况下，它是常数。
1.1.2非额定状态的温升曲线
(1) 过载时的温升曲线
当电动机过载时，所产生的热量增大，但散热条件未变，故稳定温升将增加为θS′，而发热时间常数则仍为τ，如图1(b)中之曲线②所示。
(2) 低频运行时的温升曲线
电动机在低频运行时，由于内部扇叶的转速也减慢，散热条件变差。故在相同负载下，虽然产生的热量并未增加，但温升也会增大为θS"，发热时间常数则仍为τ, 如图1(c)中之曲线③所示。
1.1.3 电动机过载的特点
电动机的过载，是指电动机轴上的机械负载过重，使电动机的运行电流超过了额定值，并导致其温升也超过额定值。电动机过载的主要特点如图2所示。

图2  电动机过载的特点

(1) 电流上升的幅度不大
因为机械的设计人员在选择电动机时，是严格地按照电动机的温升情况进行计算的。对于某些变动负载和断续负载，短时间的过载是允许的。因此，正常情况下过载电流的幅值Imax不会很大;
(2) 一般情况下, 电流的变化率较小, 上升较缓慢。
1.1.4 过载保护的特点
(1) 过载保护具有反时限特性
电动机的过载电流越大，允许继续运行的时间越短，保护动作的时间也越短，如图3(a)所示。

图3  变频器的过载保护曲线

例如，当电流为额定电流的105％时，可运行5.8min后才进行保护; 当电流为额定电流的150％时，运行1min就需进行保护; 而当电流为额定电流的180％时，允许的持续运行时间只有0.6min(36s)。
(2) 保护曲线与频率有关
如图3(b)，如运行频率＝50Hz时，其保护曲线为曲线①，当Im＝150％IMN时，保护的动作时间为t1; 如果运行频率下降为＝20Hz时, 其保护曲线为曲线②，当Im＝150％时，保护的动作时间缩短为t2; 如果运行频率进一步下降为＝10Hz时, 其保护曲线为曲线③，当Im＝150％时，保护的动作时间也进一步缩短为t3。可见，频率越低，允许连续运行的时间越短。
1.2 变频器的功能设置
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。说明如下:
1.2.1过载保护功能的设定
表明在多大电流下进行保护的预置方式。不同的变频器有不同的方法，主要有两种:
(1) 电流取用比
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常不是固定的。例如，对于长期不变的负载，一台37kW(额定电流为70.4A)的电动机应该配用54kVA的变频器(额定电流为71A)。但对于变动负载或断续负载，由于电动机是允许短时间过载的，而变频器却几乎没有过载能力。因此，常常需要加大变频器的容量，可能配用65kVA(额定电流为86A)的变频器。
针对这种情况，在进行电子热保护时，应预置电动机的“电流取用比”:

式中％─电动机的电流取用比;
  ─电动机的额定电流，A;
   ─变频器的额定电流，A。
如上例，当配用65kVA变频器时，其电流取用比为:
     ％＝×100％＝82％
变频器内部将根据所预置的电流取用比来自动调整过载保护曲线。
(2) 电流保护曲线
有的变频器在已经预置了电动机额定电流的前提下，要求用户自行预置在多大电流下开始保护，通常用运行电流的百分数表示:

式中Im％─电动机运行电流的百分数，Im％＞100％时为过载状态;
   Im─电动机的运行电流，A。
进行预置时，通常需要预置电流保护曲线，即允许运行的范围曲线，如图4所示。要点如下:

图4  电流保护曲线

l 转折频率
电动机在额定频率以下的一定范围内运行时, 其散热状况变化不大,电流的允许范围可以不变, 如图4(a)中≥的情形。这里，称为转折频率。
转折频率的预置和电动机的类型(如是否采用变频调速专用电动机、电动机的外壳是开启式还是封闭式等)、运行条件(如是否有强迫通风等)以及周围环境(如环境温度的变化、通风状况)等因素有关。一般情况下，转折频率可按基本频率的70%来预置。当基本频率为50Hz时，转折频率可预置为35Hz。
此外，过载保护除了保护电动机的发热外，还应保护负载的不正常运行。例如，对于恒转矩负载，电动机允许长时间运行的电流不能减小，否则将带不动负载。故电动机运行电流的范围如图4(a)的曲线所示;而对于二次方律负载，低频时负载转矩很轻，即使负载运行已经不正常，电动机的运行电流也往往达不到额定电流值。为了及时捕捉低频时负载运行的不正常状况，应该适当减小其运行电流的允许值，如图4(b)所示。
l 零频率允许电流
电流保护曲线的起点即为零频率允许电流，如图4中Iz％。
1.2.2 过载保护动作方式的选择功能
动作方式的选择包含的面颇广，主要的有:
(1) 有效选择
即选择变频器的热保护功能是否有效。选择的基本原则是:
l 如一台变频器只控制一台电动机, 应预置为“有效”;
l 如一台变频器控制多台电动机时，则由于变频器的容量比单台电动机的容量大得多，无法对每台电动机进行过载保护，故应预置为“无效”。
(2) 电动机工况的预置
主要有:
l 负载的性质:如恒转矩负载、二次方律负载等;
l 负载的工况:如连续恒定负载、连续变动负载、断续负载、短时负载等。
变频器将根据上述数据进行计算和判断。
(3) 保护方式的预置
主要有:
l 只报警，不动作;
l 过载后自动减小电流(频率有所下降);
l 过载后跳闸，电动机按预置的减速时间停机;
l 过载后跳闸，并立即封锁逆变管，使电动机处于自由制动状态。

2  变频器的电流保护
变频器的电流保护主要指过电流保护，某些变频器还有欠电流(欠载)保护。
2.1过电流保护功能
2.1.1过电流的原因
(1) 故障引起的过电流
l 外部故障
主要是输出侧短路，如图5(a)所示;

图5  故障过电流示例

l 内部故障
最严重的是逆变桥上下两个逆变管直通，如图5(b)所示。这种现象之所以发生，或因为环境温度过高，或因为逆变管老化，或因为操作不当引起控制电路的混乱，使上下两个逆变管在交替导通过程中的“死区”变窄而导致直通(即一个已经导通，另一个尚未完全截止)。
(2) 功能预置不当引起的过电流
l 负载较轻而U/f比预置的较大, 导致电动机磁路的饱和，励磁电路严重畸变, 产生冲击电流, 如图6(a)所示;

图6  预置不当引起的过电流

l 负载的惯性较大，而加速时间预置较短，引起在加速过程中产生过电流，如图6(b)所示。
(3) 变频器测量误差引起的误动作
例如，实际测量结果只有45A，而变频器的测量结果却是88.6A，如图7所示。显然，变频器内部的检测误差过大，而变频器又只能根据其内部的测量结果来进行保护，形成误动作。

图7  测量误差

2.1.2 变频器过电流的特点
因为电动机过载也一定过电流，但上述的变频器过电流的危害要大得多，所以，变频器必须能够根据其特点来进行判断。过电流的特点如下:
l 电流上升的幅度较大;
l 电流上升的变化率较大。
2.2 欠电流(欠载)保护功能
2.2.1 欠电流(欠载)保护的必要性
如果在运行过程中负载突然减轻为空载，则:
l 意味着机械部分发生故障, 如皮带断裂或水泵干涸等;
l 在矢量控制模式下，可能导致变频器的运算发生错误而误动作。
因此，有必要报警或跳闸。
2.2.2 欠载保护曲线
欠载保护曲线如图8所示，其基本特点如下:

图8  欠载保护曲线

(1) 额定频率以上
由于在额定转速以上运行时，发生上述现象时的危害性较大，故转矩的下限不变; 
(2) 额定频率以下
转速越低，发生上述现象时的危害性越小，故转矩的下限随频率的下降而减小; 
(3) 零频率负载
即频率为0Hz时的转矩下限，用表示。

3  变频器的电压保护
3.1 过电压保护功能
变频器的过电压通常指直流回路的电压过高。当直流电压过高时，主电路内的逆变器件、整流器件以及滤波电容等都可能受到损害，故一般情况下，都应该进行跳闸保护。过电压的主要原因如下:
3.1.1 电源过电压及其危害
相对于元器件的耐压而言，电源过电压时，直流电压并不很高。我国的电源线电压为380V，允许误差为＋10％，则经三相全波整流后的峰值为591V。个别单位夜间的电源线电压可达450V，其峰值电压也只有636V，并不算很高，如图9(a)所示，故电源过电压一般不会使变频器内的元器件受到伤害。

图9  过电压原因示例

电源过电压主要危害在于:
(1) 电动机的磁路饱和
对电动机来说，电压过高必然使磁通增加，可能导致磁路饱和，励磁电流过大，从而温升过高。
(2) 损害电动机的槽绝缘
直流电压升高后，变频器输出电压的脉冲幅度增大，使电动机槽绝缘的寿命受到影响。
所以，如果直流电压超过正常允许范围的时间较长时，变频器将进行保护。
3.1.2降速过电压
即降速过快引起的过电压，这种情况下过电压的电压变化率dU/dt不大，但幅值往往较高，常超过700Ｖ，应该进行保护，如图9(b)所示。
3.1.3 冲击过电压
指电压变化率dU/dt和幅值都很大的冲击过电压，其原因主要有:
l 雷电引起的过电压;
l 变电所的补偿电容在合闸或断开时形成的过电压等，如图9(c)所示。
当发生冲击过电压时，变频器将进行保护。
3.2 欠电压保护功能
3.2.1 欠电压的原因
(1) 电源欠电压
如电源电压过低、电源缺相等。
(2) 变频器故障形成的欠电压
如变频器的整流桥损坏、变频器整流后的限流电阻损坏，滤波电容器不能充电、限流电阻因并联的晶闸管或继电器发生故障而未切除电路等。
3.2.2 欠电压保护功能
(1) 自动电压调整(AVR)功能
当电源电压在允许范围内波动时，为了使电动机能够平稳地运行，变频器设置了自动电压调整(AVR)功能，使变频器的输出电压稳定在所要求的范围内。
(2) 缺相保护功能
电源缺相后，变成了单相电源，经全波整流并滤波后的直流电压将只有三相全波整流时的66％，足以使欠压保护功能动作，故有的变频器并无缺相保护功能。
但为了便于用户了解跳闸原因，不少变频器设置了电源缺相保护功能。有的变频器还设置了变频器输出端的缺相保护功能。

4  变频器的跳闸及其防止
变频器在发生故障后，为了防止事态的进一步扩大，保护好电动机和变频器自身，必须跳闸。但变频器跳闸意味着整个拖动系统停止工作，将导致工业生产中发生重大经济损失。因此，变频器在运行过程中，又必须尽量避免不必要的跳闸。
4.1 变频器的自处理功能
自处理功能是当变频器对于部分过电流或过电压故障，采取先自行处理的方式来避免跳闸。
4.1.1 加速过程中的自处理
一方面，加速时间预置得太短，容易因过电流而跳闸。另一方面，加速时间太长，又会影响劳动生产率。况且，生产机械的工况也时有变化，这给用户在预置“加速时间”时带来了困难:难以迅速地预置的恰到好处。
变频器在加速过程中出现过电流时, 可以不必跳闸, 而起动“防止跳闸”程序(也叫自处理程序)。具体方法是:
如果在加速过程中, 电流超过了预置的上限值IH(即加速电流的最大允许值), 变频器的输出频率将不再增加, 暂缓加速, 待电流下降到上限值以下后再继续加速, 如图10所示。

图10  加速防止跳闸

因为自处理功能是为了避免跳闸而设置的，所以，在许多说明书中，常常把这种功能称为“防失速”功能。
4.1.2 减速过程中的自处理
和加速过程相仿，对于某些加、减速比较频繁的生产机械来说，减速时间太长，会影响劳动生产率;而对于惯性较大的负载，如果减速时间预置得过短，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。
为此，变频器设置了减速过电压的自处理功能。如果在减速过程中，直流电压超过了上限值UDH，变频器的输出频率将不再下降，暂缓减速，待直流电压下降到设定值以下后再继续减速，如图11所示。

图11  减速防止跳闸

4.1.3 运行过程中的自处理
当在运行过程中，电流超过了上限值IH，但电流变化率并不很大，如图12(a)所示时，变频器也可以不必跳闸，而是暂时把输出频率降低至，如图12中之所示。由于在频率下降的同时，电压也要下降，使电流有所下降。待电流低于IH时，变频器的输出频率再回复至原来的运行频率，如图12(b)所示，从而达到了防止跳闸的目的。但频率的下降幅度不宜过大，故有的变频器在频率下降后，如果电流并未回复到以下的话，还可以进一步降低电压，直至恢复正常为止。

图12  运行过程中防止跳闸

4.2 变频器的重合闸功能
重合闸功能是指变频器因某种原因而跳闸后，允许自动重新合闸的功能。
4.2.1 瞬时断电后的重合闸功能
瞬时断电的含义是电源电压由于某种原因突然下降为0V, 但很快又恢复, 停电的时间t0很短, 如图13(a)所示。

图13  瞬时断电

(1) 断电后变频器各部分的电压变化
变频器内，主要有三种电源:
l 主电路的直流电压
在刚断电瞬间，逆变电路还在工作，故电压下降较快，设主电路直流电压从额定状态的下降至下限值(欠压保护的动作电压)所需时间为, 如图6~13(b)所示。
l 控制电路的直流电压
l 逆变管驱动电路的电压
一方面, IGBT管是电压控制器件, 驱动电流十分微小, 短时间内电压的下降有限; 另一方面, 驱动电路对电压的要求也不十分严格。所以, 对于瞬时停电来说, 可以不予考虑。
(2) 变频器对瞬时断电的处理方法
变频器将根据断电时间的不同，分别处理如下:
l 当＜时，变频器可以不予理会，犹如没有发生过断电一样。
l 当＜＜时，由于控制回路的电压尚未下降，故变频器因欠电压而跳闸后允许重合闸。
l 当＞时，由于变频器内的控制系统已经不能再保持正常工作，变频器跳闸后将不允许重合闸。
4.2.2 故障跳闸后的重合闸功能
重合闸功能的主要作用是:
(1) 避免误动作
变频器的保护环节十分齐全, 内部的运算速度也很快，能够实现可靠保护。但灵敏度的提高, 又容易受到外部信号的干扰, 存在着误动作的可能。为此, 变频器因故障而跳闸后, 可以自动地重新合闸一次或多次, 以避免不必要的停机。
(2) 防止因受到外部的不重复冲击而跳闸
对于时间极短的不重复冲击过电流或过电压, 例如:由于冲击负载引起的过电流, 以及因补偿电容器合闸而引起的过电压等, 在变频器跳闸后, 可以使它自动地重新合闸一次或若干次。
4.2.3 变频器对重合闸的处理
这里所说的对重合闸的处理是指如何决定变频器在重合闸瞬间的输出频率。从根本上说，这取决于重合闸瞬间的电动机转速下降了多少。
瞬时停电或故障跳闸后，重合闸时的起始频率可以由用户根据不同的具体情况来决定，主要有以下几种:
(1) 跳闸后电动机处于自由制动状态，而拖动系统的惯性又较大者，因为在重合闸的间隔时间内，转速下降很少，故重合闸时可直接按跳闸前的频率运行;
(2) 跳闸后仍按预置的降速时间降速，而降速时间又较长者，因为在重合闸的间隔时间内，频率下降很少，故重合闸时直接由减速转为加速即可，如图14(a)所示;

图14  重合闸时的起始频率

(3) 惯性很小, 或减速时间预置得很短者, 重合闸时可从0Hz开始起动，如图14(b)所示;
(4) 变频器自动跟踪转速的下降，从而估算出起始频率，如图14(c)所示。

5  变频器的显示功能
5.1 运行数据的显示
5.1.1 功能含义
变频器在运行过程中，可以自行测量各种运行数据，如频率(可转换成转速或线速度)、电流、电压、功率、负荷率等，并在显示屏上显示其测量结果。
LED显示屏每次只能显示一种数据，LCD显示屏则一次可以显示若干个数据。显示内容可以比较方便地进行切换，以便用户了解运行情况。不同变频器能够显示的内容不尽一致，显示内容的切换方法也很不相同。
5.1.2 功能举例
(1) 森兰SB61系列变频器
· 直接切换的显示内容
对于六种需要常常查看的数据(运行频率、运行电流、运行电压、PID的目标值、PID的反馈值、负荷率), 其显示内容可通过＞＞键直接进行切换, 如图15所示。

图15  森兰显示内容切换

·程序切换的显示内容
对于不经常查看的运行数据, 须通过功能预置来切换其显示内容，如表1所示。

(2) 三菱FR-A540系列变频器
功能码Pr.53用于选择键盘显示内容，其数据码如  表2所示。

表中，前三项显示内容可以在运行过程中通过SET键来进行切换，如图16所示:

图16  三菱显示切换

如正在显示输出频率，则:
按SET键→显示输出电流;
再按SET键→显示输出电压;
再按SET键→回复为显示输出频率。
5.2 输入、输出端子的状态显示
5.2.1 功能含义
变频器的显示屏上可以显示各输入控制端和输出控制端的状态(即是否有输入或输出的信号), 以检验变频器是否已经接受外部的控制信号, 或已经发出相关的输出信号。
各种变频器的显示方法差异较大。
5.2.2 功能举例
(1) 康沃CEF-G2系列变频器
康沃CEF-G2系列变频器只有LED显示屏，其显示方法如图17所示。

图17  康沃变频器输入端子状态显示

如图17，显示屏的4位数字都用七段显示方式显示。当显示输入控制端的状态时，由每位数字两侧的显示段来表示。自左至右，分别表示输入端子X1、X2、X3、X4、X5、X6、FWD、REV的状态。
当只有一段发光时，说明该端子无信号输入;两段都发光时，说明该端子有信号输入。
(2) 艾默生TD3000系列变频器
艾默生TD3000系列变频器的端子状态虽然也利用LED显示屏来显示，但它是利用十进制数来表示二进制码各位的状态来表示的。
l 二进制码与输入端子的对应关系
如表3所示。
例如:当输入端子FWD、X2、X5有信号时，二进制码为0100010010，对应的十进制数为50，则当显示屏显示50时，就说明上述三个端子有信号。
又例如，当显示屏显示39时，其对应的二进制码为0100000111，则说明有信号的端子为FWD、X1、X2、X3。
l 二进制码与输出端子的对应关系
如表4所示。

例如，当显示屏显示11时，其对应的二进制码是1011，则说明端子FR、Y2、Y1有输出信号。
(3) 富士G11S系列变频器
富士G11S系列变频器既有LED显示屏，又有LCD显示屏。其输入和输出端子的状态是利用LCD显示屏显示的，各端子的排列十分清楚，比较直观，如图18所示。图18中，发光者表示有信号，不发光者表示无信号。

图18  富士变频器输入、输出端子状态显示

图18(a)所示是输入端子的状态显示，图中状态说明FWD和X1端子有输入信号;
图18(b)所示是输出端子的状态显示，图中状态说明Y1端子有输出信号。
在LCD显示屏显示端子状态的同时，LED显示屏继续显示各种运行数据。所以，其显示比较完整和清楚。
5.3 跳闸原因的显示
变频器因故障而跳闸后，都会显示跳闸原因，以便用户检查。
LED显示屏通常用各种特定的代码来表示跳闸原因;LCD显示屏则可以直接用文字来表述故障原因。
以康沃CVF-G2系列变频器为例，故障原因的代码如表5所示。

参考文献
(略)

作者简介
张燕宾(1937-)  男  高级工程师  退休前在宜昌市自动化研究所工作,曾任自动化研究所副所长、宜昌市科委驻深圳联络处主任; 宜昌市自动化学会理事长、湖北省自动化学会常务理事。著作: SPWM变频调速应用技术(编著，机械工业出版社1997年12月初版; 2002年４月第二版); 变频调速应用实践(主编，机械工业出版社2001年1月出版); 变频器应用基础(副主编，机械工业出版社2003年1月出版)。