电机控制系列模块解析（25）—— 过压抑制与欠压抑制
一、概念解析
变频器作为一种重要的电机驱动装置，其内置的保护功能对于确保系统安全、稳定运行至关重要。以下是关于变频器过压抑制、欠压抑制（晃电抑制）、发电功率限制、电动功率限制等保护功能的详细说明：
过压抑制
过压抑制是指变频器内部设置的机制，用以防止直流母线电压过高，从而保护变频器内部元件（如IGBT、电容器等）免受损害。常见措施如下：
- 过压检测：通过实时监测直流母线电压，一旦超过预设阈值，触发过压保护动作。
- 制动单元：在电机处于发电状态（如减速、下坡、被外部动力源拖动）时，通过接入制动单元和制动电阻，将反馈到直流母线的能量迅速消耗掉，防止电压上升。
- 电压控制：在变频器降速过程中，如果检测到过压趋势，自动延长降速时间，待直流母线电压恢复正常后再继续降速。即通过优化变频器的控制算法，如调整PWM占空比、降低输出频率等，动态调节电机电流和电压，防止过压发生。如下图所示一般附加专门的母线电压环路控制在V/F或矢量控制等控制策略中，主动调节电机的输出频率或发电转矩，来抑制母线电压的继续上升。注意此方法在一些应用场合可替代制动单元。
晃电抑制
欠压抑制，特别是针对电网瞬时电压跌落（晃电）的情况，旨在保护变频器在电源电压暂时降低时不发生误动作或损坏，并尽可能维持系统正常运行。常见措施如下：
- 欠压检测：实时监控输入交流电源电压，当电压低于设定阈值时，启动欠压保护。
- 电压控制：如上图所示一般附加专门的母线电压环路控制在V/F或矢量控制等控制策略中，主动调节电机的输出频率或发电转矩，在即将欠压的区域范围内令电机发电运行，使母线电压尽可能维持在欠压点以上的范围内，从而在最大程度上保证在电网电压瞬时跌落的过程中电机不会停机，在电网完全停止供电时，也能保证电机持续一定的时间来安全软停机。
典型应用
（1）以磁悬浮电机为例，晃电抑制或者欠压抑制保护措施对磁悬浮电机至关重要。
在磁悬浮系统中，悬浮控制装置和电机控制装置若共享同一母线电压，当遇到电网突然断电的情况时，维持系统稳定性和保护关键部件（如转子）免受损害变得尤为重要。以下是一些可能采取的措施来应对这种情况：
1. 能量回收与再利用系统（纯软件实现）
紧急制动与能量回馈：在电网断电瞬间，电机可以迅速转换成发电机模式，利用转子的惯性动能发电，并尝试通过能量回馈线路将这部分能量送回母线，进而还可以送回电网（如果电网允许）或储存在超级电容、电池等储能设备中。这样不仅可以减速，还能为悬浮控制装置提供必要能源支持。
2. 优先保障悬浮控制装置供电（需要附加硬件）
电源管理策略：设计一套智能的电源管理策略，确保在紧急情况下，优先为悬浮控制装置供电。这可能涉及快速切换机制，从主电网迅速切换到备用电源（如UPS、电池组），确保悬浮力不会立即消失，从而让转子缓慢降落。
3. 悬浮与驱动系统的解耦（需要附加硬件）
控制系统的灵活配置：如果技术上可行，设计时可考虑在物理或逻辑上部分解耦悬浮控制系统与电机驱动系统，使得在电机失去动力来源时，悬浮系统仍能依靠独立的能源维持一段时间的运作，为转子安全降落争取宝贵时间。
4. 软着陆机制（需要附加硬件）
被动磁悬浮辅助：设计转子和轨道间的被动磁悬浮辅助机制，即便主动控制失效，也能通过永久磁铁或其他被动机制提供一定的悬浮力，减少摩擦，帮助转子平稳降落。
5. 故障预测与预防
提前预警系统：通过监测电网稳定性及电机运行状态，提前预测可能的断电风险，并及时启动预防措施，如提前减速、增加悬浮力等，以减轻断电带来的冲击。
综上所述，确保在电网断电时，磁悬浮电机不仅能有效减速，而且悬浮控制装置能持续工作，需要综合运用先进的能量管理技术、智能控制策略及系统设计优化，以最大程度保护设备安全。
（2）在纺织行业等对连续生产过程稳定性和产品完整性要求较高的领域。
确保电网掉电时所有变频器能够同步停车，避免因非同步停机造成的机械撞击、布料损坏等问题至关重要。除了备用电源切换方案，变频器配置有能量回馈功能，在检测到电网异常跌落时，可以进行欠压抑制快速消耗掉电机因惯性转动产生的能量，同时通过通讯网络同步各变频器的制动策略（或者欠压抑制策略），避免因能量释放不均导致的机械冲击。该策略可以在电网掉电时有效保护纺织设备和产品，避免因非同步停车导致的损害，保障生产的连续性和产品质量。
发电功率限制
发电功率限制是指对电机在发电状态（如减速制动、下坡运行）下反馈到变频器直流母线的电能进行限制，防止因反馈功率过大导致过压或其他故障。常见措施如下：
功率检测：监测电机运行状态，计算其发电功率。
制动单元：当发电功率超过预设值时，自动调整或启用制动单元，增加能量消耗途径。
功率控制：通过附加功率环路来主动调节电机的输出频率或发电转矩。
电动功率限制
电动功率限制是指对变频器向电机提供的最大电能输出进行限制，防止因电机过载、电网容量限制等原因导致的设备损坏或电网故障。常见措施如下：
电流限制：限制电流间接限制电动功率。电流超预设值，降低输出电压或频率，防止过载。
负载管理：根据实际负载需求和电网状况，动态调整变频器输出功率，确保不超设定限制。
通信接口：通过与上级控制系统通信，接受外部功率限制指令，实现远程控制和优化调度。
功率控制：通过附加功率环路来主动调节电机的输出频率或电动转矩。
总结来说，变频器的过压抑制、欠压抑制、发电功率限制、电动功率限制等功能共同构成了其全面的电压与功率保护体系，旨在确保变频器在各种工况下安全、稳定、高效地运行，同时保护电机及整个电力系统不受损害。
三、附录：过流抑制
常用于V/F控制当中，因为直接转矩控制与矢量控制均已对电机电流进行了限幅约束。
过流保护：通过内置电流检测电路（如霍尔电流传感器、互感器等），实时监测变频器输出端的电机电流。当检测到电流值超过预设阈值时，触发过流保护动作。
过流抑制：变频器内部控制器在检测到即将过流的信号后，立即采取行动，如降低输出电压、减小输出频率、调整PWM占空比等，迅速降低电流。
过载保护：根据电机额定电流和允许的过载能力，设置不同级别的过载保护阈值和响应时间。当电流超过一级阈值时，发出警告；超过二级阈值时，执行保护动作。