应用探讨——MM4变频器过压故障F0002分析

在变频器使用过程中，经常会遇到过压故障（如MM4系列的F0002) ，在热线支持上，也遇到很多客户想探讨这个问题，例如：
1，过压故障产生的原因有哪些？
2，最大直流电压控制器怎样产生作用的？
3，制动单元和制动电阻如何选择？
在此开设此话题，希望能够与各位网友讨论一下这些问题，帮助大家解决实际现场遇到的一些问题。相信大家在处理问题的时候也有很多心得体会，大家共同交流！

活动奖励：
此次集中交流将持续至6月18日，其中所有精华帖作者将获得加倍精华奖励积分；最终所有有效留帖的网友将获得加倍发帖积分。更多积分带给您更多奖品兑换的自由。
对于有突出发言贡献的网友，还可以在当前的可兑换奖品中免费挑选任一款奖品。
交流结束后也将专门整理重要内容，供广大网友分享参考。
预祝大家交流愉快，收获丰富！

过压故障产生的原因有哪些？
• 直流中间回路调节器被禁止（P1240 = 0）
• 直流中间回路电压（r0026）超过脱扣电平（P2172）
• 如果供电电源电压过高或者电动机处于再生制动方式，则可能会引起过电压。在快速斜坡下降或者电动机由一个大惯量负载带动旋转时，就可能会引起再生制动方式。

制动单元和制动电阻如何选择？
得确定制动是什么性质？时间是多少？需要的制动功率是多少？制动周期是多少？根据这些就可以在样本上选出合适的制动单元和制动电阻。

对于F0002故障，西门子有来解决这个问题的技术文档http://www2.ad.siemens.com.cn/download/Upload/MC/faq/22445905.zip
http://www2.ad.siemens.com.cn/download/Upload/MC/faq/F0100.pdf
http://www2.ad.siemens.com.cn/download/Upload/MC/faq/F0063.pdf
http://www.ad.siemens.com.cn/service/search/?pno=&qu=24146271&pa=dc

在选择制动电阻时，我觉得电阻的阻值是很重要的一个参数。
制动电阻如果阻值很大的话，即使功率再大也没用。

用些白话解释吧，

1、电压本身高---这种情况不多；
2、运行时，负载突然急剧变化---常见，当然加减速都有可能；
3、风机、水泵类负载启动或停止时---常见；
4、模块过热老化、电容老化---容易忽略，机器内尘土过多是主要问题；
后两项容易忽视，第3项，从理念上很难说服客户加制动单元和制动电阻，一般都是增加加速和减速时间来解决问题。如果启停频繁，这会加速变频器模块、电容的老化，降低变频应有的寿命。
环境恶劣，粉尘过多，且变频长期满负荷运行，F0002就会不时出现，不及时解决问题，会出现带其他电机没问题，就这台不行的假象。实际情况是，变频的带负载能力已经降低，很难修复（维修人员不可能模拟现场负载，而检测带小负载又发现不了问题）。
******
再说说制动电阻的选用：

1、查看变频手册，初步确定制动电阻阻值，这点很重要；
2、可根据电机大小和需要停车的时间简单算出即时功耗W=P*T
3、一般原则考虑制动时间作为选型依据
4、这是有功耗、电阻、时间就可算出电流、当然也可算出电阻功率
举例 30KW卷扬机2秒制动，则总功耗为30*1000*2/3600=16.7度电；而拖动电机的37KW变频制动电阻标配为10-20欧，选10欧电阻，则有电流I*I=P*R,则I*I=16.7*10/2,I=9.13A 选10A的制动单元即可，这时电阻的总功率就为：P=10*10*10*16.7/2=8.35KW
这种制动单元、电阻的选取方法非常适合实际，不会造成浪费。（这只是自己在一般应用中的一个快速算法）

说这些，听听大家的意见

可能的原因
· 直流中间回路调节器被禁止（P1240 = 0）
· 直流中间回路电压（r0026）超过脱扣电平（P2172）
· 如果供电电源电压过高或者电动机处于再生制动方式，则可能会引起过电压。在快速斜坡下降或者电动机由一个大惯量负载带动旋转时，就可能会引起再生制动方式。
诊断和应采取的措施
检查以下各项：
· 电源电压（P0210）必须在铭牌标明的允许范围内
· 直流中间回路电压调节器必须使能（P1240）并正确进行参数设置
· 斜坡下降时间（P1121）必须与负载惯量相匹配
· 所需的制动功率必须在规定的极限值范围内。
说明
惯量越高，所要求的斜坡时间越长；否则，就会施加制动电阻。

由于真空开关的灭弧能力极强，开断时会引起特殊的操作过电压，造成高压电机绝缘击穿，回路变压器故障，甚至导致开关柜自身损坏烧毁。

变频器报F0002分为两种情况，
1、通电就报F0002 基本是变频器检测电路出了问题
2、运行加减速时报，一般是上升或下降时间设置不正确。
3、使用用PID ，参数设置不正确或压力表反馈量突变大造成的。

西门子变频器MM440出现F0002过电压报警表示可能有如下原因发生：
􀂾 1、直流回路的电压（r0026）超过了跳闸电平（P2172）
􀂾 2、由于供电电源电压过高，或者电动机处于再生制动方式下引起过电压。
􀂾 3、斜坡下降过快，或者电动机由大惯量负载带动旋转而处于再生制动状态下。

故障处理：
一、按正常程序检查以下各项：
1. 电源电压（P0210）必须在变频器铭牌规定的范围以内。
2. 直流回路电压控制器必须有效（P1240），而且正确地进行了参数化。
3. 斜坡下降时间（P1121）必须与负载的惯量相匹配。
4. 要求的制动功率必须在规定的限定值以内。

二、尝试检查以下各项：
1.负载甩开看看空载变频器报不报警，有可能电机接地导致的报警
2.可能电阻制动的容量搞得太小了，把加速时间减速时间设大点试试，或者加个制动单元。
3.电源电压不稳，或者相邻有冲击性负载，使系统受到干扰，导致误报故障。

对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低，这时会产生制动过程，由制动产生的功率将返回到变频器侧，由于二极管不控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压；而以gtr、igbt为代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而则威胁到系统安全工作。

一般能引起中间直流回路过压的原因主要来自以下两个方面：
（1）来自电源输入侧的过压
正常情况下的电源电压为380v，允许误差为-5%～+10%，经三相桥式全波整流后中间直流的峰值为591v，个别情况下电源线电压达到450v，其峰值电压也只有636v，并不算很高，一般电源电压不会使变频器因过压跳闸。电源输入侧的过压主要是指电源侧的冲击过压，如雷电引起的过压、补偿电容在合闸或断开时形成的过压等，主要特点是电压变化率dv/dt和幅值都很大。
（2）来自负载侧的过压
主要是指由于某种原因使电动机处于再生发电状态时，即电机处于实际转速比变频频率决定的同步转速高的状态，负载的传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，通过逆变器的6个续流二极管回馈到变频器的中间直流回路中。此时的逆变器处于整流状态，如果变频器中没采取消耗这些能量的措施，这些能量将会导致中间直流回路的电容器的电压上升，达到限值即行跳闸。
比如当变频器拖动大惯性负载时，其减速时间设定的比较小，在减速过程中，变频器输出频率下降的速度比较快，而负载惯性比较大，靠本身阻力减速比较慢，使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高，电动机处于发电状态，而变频器没有能量处理单元或其作用有限，因而导致变频器中间直流回路电压升高，超出保护值，就会出现过压跳闸故障。

变频器过电压报警：主要是由于母线电压检测出高出允许的电压达到一定的时间积累，于是就出现报过电压；这样，有两种可能：一个是母线电压检测线路出故障，另外就是母线电压真的过高了。第一种情况就只能修变频器了。第二种情况，就要开始分析负载特性：1、单机使用，启停要求不高的时候，考虑延长停机时间可以有效的防止过电压；2、多机同步使用，启停要求不高时候，个别机器停机时候经常过电压，那么可以考虑以过电压机器为准整体延长停机时间，可以有效避免过电压；3、有些工艺要求快速的启停，高速响应场合，又是单机，那么只能用制动电阻+外部抱匝，可以有效防止过电压发生；4、多机联用，功率较大的场合，可能考虑用直流母线供电，这样，可以保证直流母线的过高电压可以回归电网，保证电机的快速响应。

制动电阻的阻值怎样选择？查手册吗？好像没有找到。
答：
是否是这样的：
考虑到制动单元里开关原件的容量，如制动开关原件额定电流为I，制动电阻的阻值R>U/I=605/I,只有这样才能保证制动时不会烧坏制动开关原件。

（一）定义：一个力所做的功与所用时间的比值叫做功率。数学表达式 w/t。
讨论：
① P＝W/t是功率的定义公式。
② 利用P＝W/t计算的功率应是一个过程的平均功率。
③ 功率的物理意义为描述力对物体做功的快慢。
思考：一个力对一个物体做功多则力对物体做功快，对吗？为什么？
④ 功率的单位。在国际单位制中，功率的单位瓦特。符号为W。1W＝1J/S。1kW＝103W。
（二）功率与速度的关系：
1. 当力与物体运动的方向相同时，力做功的功率为P＝Fv。
讨论：
① 该式的使用条件为：F为恒力。
② 各量的物理意义： F表示求哪个力的功率F为哪个力。
当 是平均速度时，P表示平均功率，当 是某时刻的瞬时速度时， 表示瞬时功率。
思考：求瞬时功率只能用P＝Fv。求平均功率可用①P＝W/t②P＝Fv。
2. 当力与运动方向成一定夹角 时　 P＝Fvcosθ
注意：
① 该公式与P＝Fv的区别在于适用条件，其它方面是相同的。
② θ指的是力与速度的夹角

1、30*1000*2/3600=16.7度电————这里计算有误，因为一度电=1KW*h。
电机的制动能量也不能这样算，我们这里需要求的是电动机的机械功。
机械功：W （J） W=Fs=Pt （F：力； s：在力的方向上移动的距离 ）
电功：W （J） W=UIt=Pt （U：电压； I：电流； t：时间； P：电功率 ）
W=mV2^2/2-mV1^2/2
mV^2/2是一个具有特定意义的物理量，因为这个量在过程终了和过程开始的差，正好等于力对物体做的功。（功能关系）
可见，制动所需功的大小与速度的平方成比例关系，而功率P=功/时间=W/t，由此可以得出制动所需制动功率大小。
如上例：30KW卷扬机2秒制动，假如这2秒的制动过程中电机速度始终不变，仅仅是在2秒得最后时刻戛然而止，则电机所需的制动能量（即功）为：P*t=30KW*2秒=60KJ；但时间中电机是逐渐减速的，在此假定电机做匀减速，制动过程中的平均转速为正常转速的1/2，根据公式W=mV2^2/2-mV1^2/2，因为公式中涉及电动机与负载的转动惯量（与质量m类似的一个量）有关，必须查实此参数才能计算出平均制动功率。
参见：http://www2.ad.siemens.com.cn/download/Upload/MC/faq/F0077.pdf

曾经遇到晚上或中午吃饭时负荷不是很大时，供电电压偏高，功率因数补偿电容器投入切除造成一些过电压，也会造成变频器没有投入使用，只是通电源都会报过压的故障，后来采取只有变频器需要工作时才通电运行，变频器停止运行后延时断变频器的电源才比较好的解决了这个问题。

-产生原因正如手册上的
1禁止直流回路电压控制器(P1240=0)
2直流回路的电压r0026 超过了跳
闸电平P2172
3由于供电电源电压过高或者电动机
处于生制动方式下引起过电压
4斜坡下降过快或者电动机由大惯量
负载带动旋转而处于再生制动状态
下
二MM4系列变频器内置的Vdc max最大直流电压控制器中，应对直流侧过压的问题，采用通过内部PID算法，不理睬你给定的下降变化，以保持直流侧电压不致过高为目的，自行给出频率。当电机转速有所降低，并且直流侧电压降低到设定的限值以内后，继续按减速斜坡减速。如果直流侧电压再次过高，控制器再次动作。


三制动时的转矩，制动时的速度，可以得出需要制动的功，除以需要制动的时间算出来是功率，这个功率就是你要选的制动电阻的功率。而选择的制动电阻功率要稍大于你算出的功率。
对于普通的拖动系统只要不是大惯性系统和频繁制动系统一般取1/4--1/3变频器功率即可。

电阻选型时，不是选电阻器的连续功率，只是20s的短时承受功率，对于西门子的电阻来说，连续功率是短时功率的25%。如果选国产电阻可以请电阻器厂家寄给计算。
另外西门子变频器的说明书上有选型说明，你可以参考一下；
制动电阻如果选型过小就起不到制动作用了，会使电阻发热很大，电阻值降低起不到制动作用；
制动电阻大了，价格贵。
另外你安装制动电阻时要根据要求安装，电阻之间要保持距离，保持通风散热，不然会影响制动效果

第一，手册上找制动电阻的选择，不难呀，怎么会找不着呢？如上图示。
第二，前面有人说，F002过电压故障往往会发生在电机的启动和制动过程。我觉得特别的奇怪。如果说这个故障发生在制动过程，我认为是符合原理的，如果说这个故障发生在启动过程，我认为是反原理的。就特别的奇怪了。电机的启动过程，有可能报欠压故障。这个是符合原理的。而报过压故障就没有道理了。电机在启动加速的过程，能量通过直流母线，是向电网索取，此时直流母线对电机提供所需的启动能量，怎么过压呢？电压是怎么冲上去的呢？他只会下降。过不了压的。
第三，看了大家的许多计算。能量的计算，功率的计算。挺精彩的。不过我觉得这些计算和选择，都是针对一种现象有用，就是电机的停车制动。或者减速运行。针对重载的位能控制下降（例如，升降机满载的急速下降）；或者针对动力系统的台架性能测试（发动机试验台；电机试验台等等），这种计算就显得疲软了。这样计算选择的参数，在急减速中，挡不住F002的出现。
因此对于减速过程动态急剧变化的场合，计算制动电阻相对简单了，就是按照电机制动电流计算。或者是制动转矩，因为制动转矩正比制动电流。
我一般都是以电机的额定电流作为制动电流计算，电机交流侧的额定电机电流，折算到直流母线就是1.2倍的关系，制动电压一般选择620V左右。这个可以通过设置MM440的参数来满足。有了电压和电流，制动电阻的阻值即可通过欧姆定律计算。
针对380V电网而言，为什么要选择直流母线的制动开启电压是620V呢？这是因为，620V－800V（F0002保护动作值）有一个足够的缓冲区，电机在此区域开始就以额定转矩制动，足以抑制直流母线电压在发电状态的冲击。以确保制动过程不出现F0002，如果制动开启的电压选择在680V，却有有可能会因为急速的发电电流，被冲破报警保护阈值，造成故障关机。
只要制动电阻阻值能够保证对电机满转矩的能耗制动能量全部吸收，功率大小就是制动电阻的串并联的扩容即可。

我觉得制动单元与制动电阻就是配套使用，多大的制动单元就应该选择多大的制动电阻，选择功率过大的制动电阻容易烧坏制动单元中的功率元件，这种说法对吗？
变频器中内置制动单元的情况类似，样本中推荐制动电阻的功率几乎已经是制动元件允许的最大功率了，电阻的功率只能小不能大了。

避免F0002出现的根本办法是，改进工艺避免急减速，或者选择大一档次的变频器。

看了专家的点评，顿悟！
制动能量的计算太复杂了，还经常与工控不妨，只能凭经验了，因为一般来说制动电流（力矩）不宜超过额定电流（力矩），所以用电机的额定电流作为制动电流来估算，不失为一种好的方法。

一．过压故障产生的原因有哪些
1．一般能引起中间直流回路过电压的原因主要来自两个方面：
（1）来自电源输入侧的过电压
正常情况下的电源电压为380V，允许误差为-5%～+10%。经过三项桥式全波整流后中间直流的峰值为591V，个别情况下电源线电压达到450V，其峰值电压也只有636V，并不算很高，一般电源电压不会使变频器因过电压跳闸。电源输入测的过电压主要是指电源测的冲击过电压，如雷击引起的过电压、补偿电容在合闸或断开时形成的过电压等，主要特点是电压变化率dv/dt和幅值都很大。
（2）来自负载侧的过电压
主要是指由于某种原因使电动机处于再生发电状态时，即电机处于实际转速比变频器频率决定的同步转速高的状态，负载的传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，通过逆变器的6个续流二极管回馈到变频器的中间直流回路中。此时的逆变器处于整流状态，如果变频器中没有采取消耗这些能量的措施，这些能量将会导致中间直流回路的电容器的电压上升。达到限值即行跳闸。
2．从变频器负载侧可能引起过电压的情况及主要原因
从变频器负载侧可能引起过电压的情况及主要原因如下：
（1）变频器减速时间参数设定相对较小及未使用变频器减速过电压自处理功能。
当变频器拖动大惯性负载时，其减速时间设定的比较小，在减速过程中，变频器输出频率下降的速度比较快，而负载惯性比较大，靠本身助力减速比较慢，使负载拖动电动机的速度比变频器输出的频率所对应的转速还要高，电动机处于发电状态，而变频器没有能量处理单元或其作用有限，因而导致变频器中间直流回路电压升高，超出保护值，就会出现过电压跳闸故障。
大多数变频器为了避免跳闸，专门设置了减速过电压的自处理功能，如果在减速过程中，自流电压超过了设定的电压上限值，变频器的输出频率不再下降，暂缓减速，待自流电压下降到设定以下后再继续减速。如果减速时间设定不合适，又没有利用减速过电压的自处理功能，就可能出现此类故障。
（2）当电动机所传动的位能负载下放时，电动机将处于再发电制动状态，位能负载下降过快，过多回馈能量超过中间直流回路及其能量处理单元的承受能力，过电压故障也会发生。
（3）工艺要求在限定时间内减速至规定频率或停止运行
工艺流程限定了负载的减速时间，合理设定相关参数也不能减缓这一故障，系统也没有采取处理多余能量的措施，必然会引发过压跳闸故障。
（4）变频器负载突降
变频器负载突降会使负载的转速明显上升，使负载电机进入再发电状态，从负载侧向变频器中间直流回路回馈能量，短时间内能量的集中回馈，可能会中间直流回路及其能量处理单元的承受能力引发过电压故障。
（5）多个电机拖动同一个负载时，也可能出现这个故障，主要由于没有负荷分配引起的。以两台电动机拖动一个负载为例，当一台电动机的实际转速大于另一台电动机的同步转速时，则转速高的电动机相当于原动机，转速低的处于发电状态，引起了过电压故障。处理时需要加负荷分配控制。可以把变频器输出特性曲线调节的软一些。
（6）变频器中间直流回路电容容量下降
变频器在运行多年后，中间直流回路电容容量下降将不可避免，中间直流回路对直流电压的调节程度减弱，在工艺状况和设定参数未曾改变的情况下，发生变频器过电压跳闸几率会增大，这时需要对中间直流回路的电容容量下降情况进行检查。
二 最大直流电压控制器怎样产生作用的
通过内部PID算法，以保持直流侧电压不至于过高为目的，自行给出频率，当电机转速有所降低，并且直流侧电压降低到设定的限值以内后，继续按减速斜坡减速，如果直流侧电压再次过高，控制器再次动作。
三 制动单元和制动电阻如何选择
可以根据制动组件选型指南选型，阻值一定不能小于表中推荐值，功率可以大。制动电阻的选择需要根据实际应用系统中电机发电的功率来确定，与系统惯性、减速时间、位能负载的能量等都有关系，需要客户根据实际情况选择。系统的惯性越大、需要的减速时间越短、制动得越频繁，则制动电阻需要选择的功率越大、阻值越小。