變頻器的概述與應(yīng)用及其常見問題的處理

梁軍

【摘 要】變頻器在交流拖動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用中呈現(xiàn)優(yōu)良的控制性，可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和無級(jí)調(diào)速，進(jìn)行加減速控制，使電動(dòng)機(jī)獲得高性能，而且具有顯著的節(jié)能效果。所以應(yīng)用變頻調(diào)速可以提高生產(chǎn)機(jī)械的控制精度、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，從而利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化。因此變頻器近年來在工業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)得到了廣泛的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】變頻器；應(yīng)用；常見問題

一、變頻器的概念及組成

1、變頻器的概念

變頻器是一種用來改變交流電頻率的電氣設(shè)備。此外，它還具有改變交流電電壓的輔助功能。過去，變頻器一般被包含在電動(dòng)發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器等電氣設(shè)備中。隨著半導(dǎo)體電子設(shè)備的出現(xiàn)，人們已經(jīng)可以生產(chǎn)完全獨(dú)立的變頻器。

2、變頻器主要是由主電路、控制電路組成。

1） 主電路是給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。

（1）整流器：最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。（2）平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡(jiǎn)單的平波回路。

（3）逆變器：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時(shí)間使6個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型PWM逆變器為例示出開關(guān)時(shí)間和電壓波形。

2）控制電路是給異步電動(dòng)機(jī)供電壓的主電路提供控制信號(hào)的回路，它有頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢測(cè)電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測(cè)電路”，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的“驅(qū)動(dòng)電路”，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”組成。

（1）運(yùn)算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)電路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。（2）電壓、電流檢測(cè)電路：與主回路電位隔離檢測(cè)電壓、電流等。（3）驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。（4）速度檢測(cè)電路：以裝在異步電動(dòng)機(jī)軸機(jī)上的速度檢測(cè)器的信號(hào)為速度信號(hào)，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。（5）保護(hù)電路：檢測(cè)主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。

二、變頻器推廣應(yīng)用

變頻器在交流電機(jī)拖動(dòng)應(yīng)用中，其優(yōu)勢(shì)有目共睹。但是一些企業(yè)在新上和改建項(xiàng)目過程中往往對(duì)變頻器的應(yīng)用不予考慮，其中設(shè)備投資高是主要原因，主觀認(rèn)為電動(dòng)機(jī)控制采用傳統(tǒng)的控制方式能夠節(jié)省不小的投資，這種觀念實(shí)際上進(jìn)入了一個(gè)誤區(qū)。傳統(tǒng)控制方式一般采用星-角轉(zhuǎn)換和自藕變壓器啟動(dòng)，從控制端到電動(dòng)機(jī)之間需要兩條電纜，在中等規(guī)模以上企業(yè)由于電動(dòng)機(jī)的控制均是集中控制，那么電纜大都有一定的長(zhǎng)度。所以變頻器與傳統(tǒng)控制方式相比，雖然設(shè)備投資高，但是節(jié)約了一條電纜，而且近年來電纜的價(jià)格一直在走高，因此55KW以上電機(jī)采用變頻器控制的投資和傳統(tǒng)控制方式相近，且技術(shù)產(chǎn)品質(zhì)量都已成熟。另外其良好的節(jié)能性能，有很高投資回報(bào)率。在風(fēng)機(jī)、水泵等負(fù)載上使用兩年就能收回投資，直接經(jīng)濟(jì)效益明顯。還有變頻器的軟啟動(dòng)性能對(duì)泵類機(jī)械設(shè)備的沖擊磨損小，可延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備的檢修周期及使用壽命，間接經(jīng)濟(jì)效益也是十分突出的。這方面的普及率還是非常低，應(yīng)用推廣緩慢，除了技術(shù)、觀念和意識(shí)保守，設(shè)計(jì)、技術(shù)改造理念上的延襲陳舊，是阻礙發(fā)展的主要原因。

三、變頻器常見故障及處理

變頻器由主回路、電源回路、IPM驅(qū)動(dòng)及保護(hù)回路、冷卻風(fēng)扇等幾部分組成。其結(jié)構(gòu)多為單元化或模塊化形式。由于使用方法不正確或設(shè)置環(huán)境不合理，將容易造成變頻器誤動(dòng)作及發(fā)生故障，或者無法滿足預(yù)期的運(yùn)行效果。為防患于未然，事先對(duì)故障原因進(jìn)行認(rèn)真分析尤為重要。

1、主回路常見故障分析

主回路主要由三相或單相整流橋、平滑電容器、濾波電容器、IPM逆變橋、限流電阻、接觸器等元件組成。其中許多常見故障是由電解電容引起。電解電容的壽命主要由加在其兩端的直流電壓和內(nèi)部溫度所決定，在回路設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)選定了電容器的型號(hào)，所以內(nèi)部的溫度對(duì)電解電容器的壽命起決定作用。電解電容器會(huì)直接影響到變頻器的使用壽命，一般溫度每上升10 ℃，壽命減半。因此一方面在安裝時(shí)要考慮適當(dāng)?shù)沫h(huán)境溫度，另一方面可以采取措施減少脈動(dòng)電流。采用改善功率因數(shù)的交流或直流電抗器可以減少脈動(dòng)電流，從而延長(zhǎng)電解電容器的壽命。在電容器維護(hù)時(shí)，通常以比較容易測(cè)量的靜電容量來判斷電解電容器的劣化情況，當(dāng)靜電容量低于額定值的80%，絕緣阻抗在5 MΩ以下時(shí)，應(yīng)考慮更換電解電容器。

2、主回路典型故障分析

故障現(xiàn)象：變頻器在加速、減速或正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)過電流跳閘。首先應(yīng)區(qū)分是由于負(fù)載原因，還是變頻器的原因引起的。如果是變頻器的故障，可通過歷史記錄查詢?cè)谔l時(shí)的電流，超過了變頻器的額定電流或電子熱繼電器的設(shè)定值，而三相電壓和電流是平衡的，則應(yīng)考慮是否有過載或突變，如電機(jī)堵轉(zhuǎn)等。在負(fù)載慣性較大時(shí)，可適當(dāng)延長(zhǎng)加速時(shí)間，此過程對(duì)變頻器本身并無損壞。若跳閘時(shí)的電流，在變頻器的額定電流或在電子熱繼電器的設(shè)定范圍內(nèi)，可判斷是IPM模塊或相關(guān)部分發(fā)生故障。首先可以通過測(cè)量變頻器的主回路輸出端子U、V、W， 分別與直流側(cè)的P、N端子之間的正反向電阻，來判斷IPM模塊是否損壞。如模塊未損壞，則是驅(qū)動(dòng)電路出了故障。如果減速時(shí)IPM模塊過流或變頻器對(duì)地短路跳閘，一般是逆變器的上半橋的模塊或其驅(qū)動(dòng)電路故障；而加速時(shí)IPM模塊過流，則是下半橋的模塊或其驅(qū)動(dòng)電路部分故障，發(fā)生這些故障的原因，多是由于外部灰塵進(jìn)入變頻器內(nèi)部或環(huán)境潮濕引起。

3、控制回路故障分析

控制回路影響變頻器壽命的是電源部分，是平滑電容器和IPM電路板中的緩沖電容器，其原理與前述相同，但這里的電容器中通過的脈動(dòng)電流，是基本不受主回路負(fù)載影響的定值，故其壽命主要由溫度和通電時(shí)間決定。由于電容器都焊接在電路板上，通過測(cè)量靜電容量來判斷劣化情況比較困難，一般根據(jù)電容器環(huán)境溫度以及使用時(shí)間，來推算是否接近其使用壽命。

1）電源電路板給控制回路、IPM驅(qū)動(dòng)電路和表面操作顯示板以及風(fēng)扇等提供電源，這些電源一般都是從主電路輸出的直流電壓，通過開關(guān)電源再分別整流而得到的。因此，某一路電源短路，除了本路的整流電路受損外，還可能影響其他部分的電源，如由于誤操作而使控制電源與公共接地短接，致使電源電路板上開關(guān)電源部分損壞，風(fēng)扇電源的短路導(dǎo)致其他電源斷電等。一般通過觀察電源電路板就比較容易發(fā)現(xiàn)。

2）邏輯控制電路板是變頻器的核心，它集中了CPU、MPU等大規(guī)模集成電路，具有很高的可靠性，本身出現(xiàn)故障的概率很小，但有時(shí)會(huì)因開機(jī)而使全部控制端子同時(shí)閉合，導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)EEPROM故障，這只要對(duì)EEPROM重新復(fù)位就可以了。

3）電路板包含驅(qū)動(dòng)和緩沖電路，以及過電壓、缺相等保護(hù)電路。從邏輯控制板來的PWM信號(hào)，通過光耦合將電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入IPM模塊，因而在檢測(cè)?？斓耐瑫r(shí)，還應(yīng)測(cè)量IPM模塊上的光耦。

4、冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)主要包括散熱片和冷卻風(fēng)扇。其中冷卻風(fēng)扇壽命較短，臨近使用壽命時(shí)，風(fēng)扇產(chǎn)生震動(dòng)，噪聲增大最后停轉(zhuǎn)，變頻器出現(xiàn)IPM過熱跳閘。冷卻風(fēng)扇的壽命受陷于軸承，大約為10000～35000 h。當(dāng)變頻器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需要2～3年更換一次風(fēng)扇或軸承。為了延長(zhǎng)風(fēng)扇的壽命，一些產(chǎn)品的風(fēng)扇只在變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)而不是電源開啟時(shí)運(yùn)行。

5、外部的電磁感應(yīng)干擾

如果變頻器周圍存在干擾源，它們將通過輻射或電源線侵入變頻器的內(nèi)部，引起控制回路誤動(dòng)作，造成工作不正?；蛲C(jī)，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞變頻器。減少噪聲干擾的具體方法有：變頻器周圍所有繼電器、接觸器的控制線圈上，加裝防止沖擊電壓的吸收裝置，如RC浪涌吸收器，其接線不能超過20 cm；盡量縮短控制回路的配線距離，并使其與主回路分離；變頻器控制回路配線絞合節(jié)距離應(yīng)在15 mm以上，與主回路保持10 cm以上的間距；變頻器距離電動(dòng)機(jī)很遠(yuǎn)時(shí)，這時(shí)一方面可加大導(dǎo)線截面面積，保證線路壓降在2%以內(nèi)，同時(shí)應(yīng)加裝變頻器輸出電抗器，用來補(bǔ)償因長(zhǎng)距離導(dǎo)線產(chǎn)生的分布電容的充電電流。變頻器接地端子應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行接地，必須在專用接地點(diǎn)可靠接地，不能同電焊、動(dòng)力接地混用；變頻器輸入端安裝無線電噪聲濾波器，減少輸入高次諧波，從而可降低從電源線到電子設(shè)備的噪聲影響；同時(shí)在變頻器的輸出端也安裝無線電噪聲濾波器，以降低其輸出端的線路噪聲。

6、電源異常

電源異常大致分為缺相、低電壓、停電，有時(shí)也出現(xiàn)它們的混合形式。這些異?，F(xiàn)象的主要原因，多半是輸電線路因風(fēng)、雪、雷擊造成的，有時(shí)也因?yàn)橥还╇娤到y(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)對(duì)地短路及相間短路。而雷擊因地域和季節(jié)有很大差異。除電壓波動(dòng)外，有些電網(wǎng)或自行發(fā)電的單位，也會(huì)出現(xiàn)頻率波動(dòng)，并且這些現(xiàn)象有時(shí)在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)，為保證設(shè)備的正常運(yùn)行，對(duì)變頻器供電電源也提出相應(yīng)要求。有條件因需可加裝自動(dòng)切換的不停電源裝置或備用的穩(wěn)定電源。

7、雷擊、感應(yīng)雷電

雷擊或感應(yīng)雷擊形成的沖擊電壓，有時(shí)也會(huì)造成變頻器的損壞。此外，當(dāng)電源系統(tǒng)一次側(cè)帶有真空斷路器時(shí)，短路開閉會(huì)產(chǎn)生較高的沖擊電壓。為防止因沖擊電壓造成過電壓損壞，通常需要在變頻器的輸入端加壓敏電阻等吸收器件。真空斷路器應(yīng)增加RC浪涌吸收器。若變壓器一次側(cè)有真空斷路器，應(yīng)在控制時(shí)序上，保證真空斷路器動(dòng)作前先將變頻器斷開。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了電氣傳動(dòng)的技術(shù)革命。交流調(diào)速取代直流調(diào)速，計(jì)算機(jī)數(shù)字控制取代模擬控制已成為發(fā)展趨勢(shì)。交流電機(jī) 變頻調(diào)速是當(dāng)今節(jié)約電能，改善生產(chǎn)工藝流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，以及改善運(yùn)行環(huán)境的一種主要手段。變頻調(diào)速以其高效率，高功率因數(shù)，以及優(yōu)異的調(diào)速和啟制動(dòng)性 能等諸多優(yōu)點(diǎn)而被公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。變頻器和交流電機(jī)組成的交流調(diào)速系統(tǒng)具有更寬的允許電壓波動(dòng)范圍、更小的體積、更強(qiáng)的通訊能力，更優(yōu)良的調(diào)速性能，在工礦企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用

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