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变频器应用中的几个问题(二)

变频器应用中的几个问题(二)
如果有若干个电源并联后共同供电,如图7(a)所示,各电源的外特性分别如图7(b)中之曲线①、②、③。因为各电源并联后的输出电压是相等的,所以,电流分配以端电压相等为原则,取决于各自的外特性。

 

图7  多电源供电的电流分配
例如,电源“E1”的外特性是曲线①,而曲线①上与电压U对应的电流是I1,即,I1满足式(2):
  U=E1-I1r01
  同理可以分别找出电源“E2”和“E3”对应的电流I2和I3,它们分别满足:
  U=E2-I2r02
  U=E3-I3r03
2.3 共母线时各变频器电流分配的分析
  多台变频器共母线时,各变频器的整流电路都和直流母线并联,如图8所示。
  假设:电动机M1运行在电动状态;而电动机M2运行在再生状态(发电机状态),今分析各变频器整流电路的电流分配如下:

图8  共母线变频器的电路与电流分配

  (1) 电动状态变频器的电流分配
  作出变频桥与直流母线的外特性  
  变频器整流及滤波电路的外特性如图8(b)中之曲线①所示;直流母线由于容量较大,其外特性可以看成是直线,如图8(b)中之曲线②所示。
  分析电流分配
  变频器和直流母线并联后的输出电压等于母线电压UDD,两者共同的负载电流等于电动机的电流IM1。
  由图8(b)知,在输出电压相同的条件下,整流桥和直流母线的电流分配分别是ID1和IDD。且满足关系式:
   IM1=ID1+IDD  (3)
         式中, IM1—电动机电流,A;
  ID1—整流桥的输出电流,A;
[ 
  IDD—从直流母线流向变频器VF1的电流,A。
  式(3)中的IDD就是所要估算的电流。
        令    IDD=KD1 IM1      (4)
  式中,KD1—系数。
从图8(a)可以看出:KD1<1。
      (2) 再生状态变频器的电流分配
  作出整流桥与逆变桥的外特性
  当电动机处于再生状态时,由于整流桥的空载电压和逆变桥的泵升电压都高于直流母线的电压,故对于变频器VF2来说,处于整流桥和逆变桥共同向直流母线供电的状态。所以,有必要首先作出整流桥和逆变桥的外特性,如图8(c)所示。图中,曲线③是整流桥的外特性,其起点等于整流桥的空载电压;曲线④是逆变桥的外特性,因为泵升电压常高于直流电压的正常值,故在曲线③的上面。
 对电流分配的分析
因为整流桥和逆变桥都并联在直流母线上,所以,两者的共同输出电压等于母线电压UDD。由图8(c)知,电流分配分别是ID2和IM2,且:
  IDD=ID2+IM2   (5)
令  IDD=KD2 IM2    (6)
式中,KD2—系数。
可以看出:KD2>1。
3  几个紧急处理方案
  任何设备在使用过程中,都免不了发生故障,变频器及其外配器件也不例外。由于变频器的外配器件在一般变频器的经销公司中常常没有备件,某些进口变频器配件在国内的备品也较少。因此,要买到配件常常需要时间。而生产单位总是希望停机时间不要太长,使生产不受影响或少受影响。
  起重机械在起吊重物时,以及矿山坑道的运输小车在输送矿石时,如果变频器一旦跳闸(有时是误动作),容易出现溜钩或下滑现象,有可能产生严重后果。
遇到这些情况,有必要采取应急措施,能够临时性地维持生产,或避免发生意外。笔者*近为一些读者提供了几个应急方案,效果良好,介绍如下。
3.1 制动电阻烧坏了怎么办?
  变频器说明书中提供的制动电阻的容量,是针对一般降速时计算的。如果起动和停机特别频繁,或在重力负载向下运行时,制动电阻常常因容量太小而烧坏。
  一般情况下,制动电阻可以用电炉丝或其他电热设备中的发热元件来代替,如图9所示。由于电炉丝的额定电压通常是220V,而处于再生制动状态的直流回路的平均电压约为650V,故电炉丝应以三组串联为宜。
  (1) 发热元件电阻值的计算

图9 自制制动电阻

  发热元件的额定数据只有两个:额定功率和额定电压。
上述数据是在发热状态下的数值。根据额定数据,其热态电阻值可计算如下:

(7)
[[
式中, PN─发热元件的额定功率,W;
UN─发热元件的额定电压,V;
RE─发热元件的热态电阻,Ω。
由于总体上说,制动电阻并不处于连续工作的状态。接入电路的时间通常是断续的。因此,发热元件作为制动电阻使用时,其实际温度达不到电热设备的温度。所以,由式(7)计算出的热态电阻值,与冷态或温态时的电阻值相比,略微偏大一些。因为电热设备的工作温度一般在200℃以内,热态电阻与冷态电阻的差别并不很大,故式(7)的计算结果是可用的。
(2) 计算实例
今以某37kW电动机为例,说明书中的原配制动电阻是20Ω,5kW。
 大多数变频器中,能耗电路是在直流电压超过700V时开始放电的,则制动电阻接入电路时消耗的功率是:
   PB0=
=24500W=24.5kW
则说明书中制动电阻的修正系数是:
αB=
=0.204≈0.2
对于起动与制动比较频繁的负载,以及对于向下运行的重力负载来说,上述修正系数显然是太小了。
用发热元件代替的方案可有多种,例如,用9根2kW的发热元件串、并联来代替,如图1所示。则:
合成热态电阻的大小为
   RB′=24.2Ω
冷态电阻值接近于20Ω。
总的额定功率
  PB′=18kW
修正系数增大为:
αB′=
=0.735≈0.74
应该说,制动电阻的容量已经足够了。
3.2 制动单元损坏了怎么办?
(1) 降速过程的应急措施 
  导致制动单元损坏的原因可能有多种,但常见的主要有两种:
 与制动电阻的阻值匹配不好而烧坏功率管;
 制动单元内部的开关电源损坏,导致功率管损坏。
  制动单元一般难以自行修复。作为临时的应急措施,制动单元中的开关器件可以用三相交流接触器来代替,如图10所示。这时,接触器的三对触点必须串联,原因如下:
  -耐压的考虑 

图10     用接触器触点代替制动单元

  交流接触器触点的额定电压是500V,而直流电压则大于500V。串联以后,耐压可达1500V,具有较大裕量;
-灭弧的考虑
直流电路在接通和断开过程中的电弧比交流电路严重得多。将三对触点串联以后,可以起到分割电弧的作用,有利于灭弧。
  (2) 接触器的控制方法
[[[ 
  起重机械
  由控制吊钩下行的接触器的辅助触点或通过中间继电器KB来进行控制。使吊钩在每次向下运行时,制动回路就处于放电状态。
 频繁起、制动的机械
  由停机按钮通过中间继电器KB来进行控制。使生产机械在每次停机时,制动回路就处于放电状态。
  必须说明,上述方法只能作为应急措施临时使用。如长期使用,则可能造成电能的浪费。
3.3 起重机械在变频器跳闸后如何防止溜钩?
  起重机的起升机构在吊运重物时,常常需要重物在空中停住,以便在空中进行平行或旋转的移动。当重物在空中停住时,必须用电磁制动器把传动轴抱住,以防止重物因自重而下滑。电磁制动器在停电时处于抱紧状态,通电时松开。
  由于电磁制动器的松开和抱紧过程是需要时间的,通常为0.3~0.6s。在此时间内,如果电动机没有转矩的话,重物必将下滑,俗称溜钩。 
  (1) 变频器跳闸时的溜钩特点
  跳闸时必然溜钩
  变频器跳闸后,变频器的逆变管将立即被封锁,电动机处于自由制动状态,上述控制对策完全失去作用。这时,虽然电磁制动器将因失电而开始抱紧。但在尚未抱紧的过程中,重物必将下滑,形成溜钩。
  跳闸的时间与地点不能预测
  正常运行时,吊钩电动机的起动和停机是由人来控制的,因此,可能导致溜钩的时间与地点是预先知道的,人们可以事先进行预防。但变频器跳闸的时间与地点却是随机的,人们无法事先进行预防,故危险性较大,必须设法防止。
  (2) 防止溜钩的措施  
  如果在变频器跳闸时,将外加直流电源接入电动机绕组,使电动机处于直流制动状态,如图11(a)所示。则在电磁制动器因断电而抱紧的过程中,可以防止重物下滑,避免了溜钩。外加直流电源经过适当延时后撤消。其控制电路如如图11(b)所示:

图11 跳闸防溜钩的措施

  当变频器跳闸时,报警输出端子的动合触点MA-MC闭合,时间继电器KT得电,其动合触点立即接通,使接触器KMF得电,将外部的直流电源通入电动机,使电动机进行直流制动。
  在跳闸的同时,变频器和电磁制动器的电源均被切断(图中未画出),使电磁制动器开始抱紧。
时间继电器KT延时1~2s后,其触点断开,接触器KMF断电,直流制动停止。
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