На предприятиях промышленной автоматизации наиболее распространенными защитными срабатываниями преобразователей частоты (ПЧ/частотных преобразователей) являются перенапряжение (ПН) и перегрузка (ПН). Первое означает, что напряжение на шине постоянного тока превышает безопасный порог; второе означает, что выходной ток превышает номинальную мощность в течение длительного периода времени. Они имеют разные причины и разную логику защиты, но часто путаются, что заставляет персонал на месте продолжать поиск неисправностей, в то время как срабатывания повторяются. На основе международных стандартов и общедоступной технической документации от ведущих производителей ПЧ в этой статье объясняются причины ПН и ПН, внутренняя оптимизированная логика защиты преобразователя, а также рекомендации по диагностике на месте и оптимизации параметров, что помогает инженерам сократить ненужные простои и обеспечить безопасность оборудования.

Перенапряжение 1 В: причины и диагностика

1.1 Что такое перенапряжение на шине постоянного тока?

Частотно-регулируемый привод (ЧРП) сначала выпрямляет переменный ток в постоянный, накапливает его в конденсаторах шины постоянного тока, а затем выдает мощность переменной частоты через инвертор. После трехфазного выпрямления напряжение шины постоянного тока примерно в 1,35 раза превышает линейное напряжение; например, источник питания 400 В создает напряжение шины около 540 В под нагрузкой. Для предотвращения повреждения конденсаторов шины и силовых устройств, когда напряжение шины превышает пороговое значение перенапряжения, срабатывает защита привода, и происходит срабатывание защиты от перенапряжения. Для приводов класса 3AC 400 В пороговое значение перенапряжения постоянного тока обычно составляет около 820 В постоянного тока. Пороговое значение варьируется в зависимости от производителя и класса напряжения и обычно фиксируется на аппаратном уровне: его нельзя изменить и нельзя замаскировать.

1.2 Три основные причины перенапряжения

Во-первых, напряжение на стороне питания слишком высокое. Колебания напряжения в сети, включение конденсаторных батарей для коррекции коэффициента мощности и перенапряжения на стороне питания могут напрямую повышать напряжение на шине постоянного тока. Во-вторых, наиболее распространенная причина — регенерация энергии нагрузки. Когда нагрузка с высокой инерцией быстро замедляется, происходит перемещение нагрузки, создающей потенциальную энергию (подъем/опускание), или нагрузка внезапно падает, двигатель увлекается нагрузкой и переходит в режим генерации; энергия возвращается по двигателю в шину постоянного тока, и напряжение на шине быстро возрастает. В-третьих, проблемы с оборудованием и проводкой, такие как неисправная схема измерения напряжения постоянного тока, замыкание на землю выходного кабеля или двигателя, или ослабленные клеммы, могут вызывать ложные или реальные перенапряжения.

2. Перегрузка OL: определение и причины.

2.1 Что такое защита от перегрузки?

Перегрузка означает, что выходной ток привода превышает номинальное значение и сохраняется в течение определенного периода времени. В приводах обычно используется электронная тепловая защита от перегрузки (I²t), которая интегрирует произведение квадрата тока и времени для моделирования тепловыделения двигателя и силовых устройств; время работы обратно пропорционально току (обратновременная характеристика): чем выше ток, тем короче допустимое время работы. Это отличается от защиты от короткого замыкания и мгновенной защиты от перегрузки по току; она в основном защищает от повреждений, вызванных перегревом в результате длительного накопления тепла.

2.2 Легкие и тяжелые нагрузки, а также возможности перегрузки

Приводы обычно классифицируются по допустимой перегрузке на приводы нормального режима работы (ND) и приводы повышенного режима работы (HD). Типичное определение: в режиме легкого режима допускается перегрузка примерно на 110% от номинального тока в течение 60 секунд (при цикле 300 секунд); в режиме повышенного режима допускается более высокая перегрузка (например, 150%). Параметры различаются у разных производителей; обратитесь к паспортной табличке и руководству пользователя конкретной модели. Допустимая перегрузка напрямую влияет на выбор привода: в условиях высоких нагрузок с частыми перегрузками следует использовать модель повышенной мощности с меньшей номинальной мощностью или модель большей мощности, чтобы избежать длительной перегрузки, которая приводит к срабатыванию защитного отключения.

2.3 Распространенные причины перегрузки

Слишком высокая механическая нагрузка, остановка или заклинивание; слишком короткое время разгона/замедления, вызывающее чрезмерный пусковой и ускоряющий ток; несоответствие между частотно-регулируемым приводом и размерами двигателя; плохое охлаждение двигателя или недостаточное охлаждение при длительной работе на низких частотах; и неправильные настройки параметров (например, неправильный номинальный ток или электронный порог тепловой перегрузки) — все это может привести к срабатыванию защиты от перегрузки.

3. Оптимизированная логика защиты накопителя

3.1 Оптимизированная логика защиты от перенапряжения

На программном уровне реализованы функции «предотвращение остановки из-за перенапряжения» и «контроллер максимального напряжения». Привод непрерывно контролирует напряжение шины постоянного тока; при приближении к пороговому значению перенапряжения привод автоматически увеличивает амплитуду замедления, временно замедляет движение или снижает выходную частоту, так что энергия рекуперации поглощается двигателем и системой, и напряжение шины перестает повышаться; после возвращения шины в нормальное состояние восстанавливаются исходные настройки. Эта функция доступна как в режиме V/F, так и в векторном управлении.

На аппаратном уровне используется «тормозной прерыватель плюс тормозной резистор»: когда напряжение на шине превышает заданное значение, силовое устройство тормозного прерывателя отводит и рассеивает рекуперативную энергию в виде тепла через тормозной резистор, снижая напряжение на шине. Следует подчеркнуть, что роль тормозного резистора заключается в рассеивании рекуперативной энергии, возвращаемой на сторону постоянного тока инерцией нагрузки, а не в непосредственном создании тормозного усилия.

Для применений с частым торможением и высоким коэффициентом рекуперации энергии, рекуперативный блок / активный интерфейсный блок (АФБ) может передавать рекуперативную энергию обратно в сеть для повышения эффективности. Несколько приводов также могут быть соединены на общей шине постоянного тока, так что рекуперативная энергия от одного тормозного привода поглощается другими работающими двигателями, что снижает требования к тормозным резисторам.

3.2 Оптимизированная логика защиты от перегрузки

Электронная защита от тепловой перегрузки (I²t) с обратной временной зависимостью: непрерывно контролирует ток и моделирует накопление тепла; при превышении установленного порогового значения срабатывает по кривой обратной временной зависимости. Это и есть суть защиты от перегрузки.

Предотвращение заклинивания и ограничение тока: когда выходной ток превышает уровень, установленный для предотвращения заклинивания, привод автоматически снижает выходную частоту или ограничивает ток, так что ток возвращается в допустимый диапазон, предотвращая срабатывание защиты от перегрузки по току; после восстановления тока устанавливается заданная частота.

Обнаружение недогрузки: срабатывает сигнализация или останавливается, если нагрузка длительное время остается ниже заданного значения, указывая на механические или технологические аномалии, такие как проскальзывание ремня или холостой ход. Предварительная сигнализация перегрузки: обеспечивает раннее предупреждение до достижения порогового значения срабатывания, позволяя технологическому процессу своевременно реагировать и уменьшая количество внезапных остановок.

4 рекомендации по диагностике и оптимизации на месте

OV и OL имеют разные причины; рекомендуется сначала определить характер неисправности, как показано в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение методов устранения неполадок OV и OL.

Для оптимизации параметров: для режима перенапряжения (OV) соответствующим образом увеличьте время замедления и включите регулятор максимального напряжения / защиту от перенапряжения; для частых замедлений или нагрузок, связанных с потенциальной энергией, настройте тормозной блок с тормозным резистором и проверьте минимальное сопротивление резистора и тормозную мощность в соответствии с рекомендациями производителя. Для режима отключения (OL) проверьте настройки номинального тока частотного преобразователя и номинального тока двигателя, проверьте, не слишком ли короткое время разгона/замедления, убедитесь, что пороговое значение тепловой перегрузки электроники соответствует паспортной табличке двигателя (самоохлаждаемым двигателям требуется меньший допустимый ток на более низких частотах), а также проверьте условия установки и охлаждения.

5. Заключение

Перенапряжение OV и перегрузка OL — это два принципиально разных, но распространенных типа срабатывания защиты, которые можно значительно снизить за счет оптимизированной логики защиты. Понимание источника напряжения на шине постоянного тока и принципа работы электронных систем защиты от тепловой перегрузки является основой для правильного расчета, ввода в эксплуатацию и устранения неисправностей. На объекте необходимо систематически исследовать четыре параметра: питание, нагрузку, оборудование и параметры, а также работать с руководствами производителя и стандартами серии IEC 61800, чтобы сократить ненужные простои, обеспечить безопасность оборудования и повысить доступность линии.

6 Ссылки

[1] IEC 61800-5-1:2007+A1:2016, Системы электропривода с регулируемой скоростью – Часть 5-1: Требования безопасности – Электрические, тепловые и энергетические. Интернет-магазин IEC.

[2] Онлайн-поддержка Siemens Industry. Как устранить ошибку F0002 (перенапряжение в звене постоянного тока) частотных преобразователей серии MM4. 2015-11.

[3] ABB. Электрическое торможение, Техническое руководство № 8. 2010.

[4] Mitsubishi Electric. Серия FREQROL-F800, защитные функции.

[5] GB/T 12668.1-2002, Системы электропривода с регулируемой скоростью – Часть 1: Общие требования – Номинальные характеристики низковольтных систем электропривода постоянного тока с регулируемой скоростью. Управление по стандартизации Китая.

[6] Schneider Electric. ATV630 — возможность перегрузки в тяжелых (HD) и обычных (ND) условиях. 2020.