自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)臺(tái)中MM440變頻器常見故障分析

張保師

（河鋼股份有限公司承德分公司、河北省釩鈦工程技術(shù)研究中心，河北 承德 067000）

自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)臺(tái)中MM440變頻器的功能多樣，且其運(yùn)行的可靠性較高，能夠有效的為電動(dòng)機(jī)提供保護(hù)，變頻器也是控制電機(jī)速度，以及在生產(chǎn)的過程中實(shí)現(xiàn)節(jié)能生產(chǎn)的重要設(shè)備，目前變頻器已經(jīng)在各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中得到了較為廣泛的使用。雖然在使用變頻器時(shí)有著各種優(yōu)點(diǎn)，但是由于其自身的工作原理，導(dǎo)致變頻器在工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)高次諧波，若是安裝和操作不當(dāng)也會(huì)出現(xiàn)漏電等各種故障。目前學(xué)院實(shí)驗(yàn)室主要使用MM440變頻器，教師帶學(xué)生使用實(shí)驗(yàn)臺(tái)變頻器做變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)時(shí)常常會(huì)出現(xiàn)各種故障問題，因此筆者將在本論文中著重研究實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)臺(tái)和變頻器其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)中變頻器頻繁出現(xiàn)故障的原因進(jìn)行分析和總結(jié)，并找出有效的改進(jìn)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行改造，進(jìn)而解決變頻器在運(yùn)行的過程中出現(xiàn)的故障問題，保障變頻器在運(yùn)行過程中的安全性能。

1 MM440變頻器的基本原理

圖1 變頻器主電路結(jié)構(gòu)圖

圖2 逆變電路輸出的線電壓波形

MM440變頻器是由不可控整流、SPWM逆變器同時(shí)變壓變頻、保護(hù)電路以及控制器等部分組成。如圖1所示。若是使用PWM控制模式，逆變器提供給負(fù)載電機(jī)的電壓將是一系列脈沖寬度按照正弦規(guī)律變化的正弦等效的SPWM波，而不是正弦電壓，如圖2所示。變頻器通過控制矩形脈沖的寬對(duì)對(duì)其電壓的幅值進(jìn)行控制，通過對(duì)于調(diào)制波周期的控制來控制其輸出的頻率，從而滿足變頻調(diào)速對(duì)于U/f協(xié)調(diào)控制的要求。

2 變頻器控制電動(dòng)機(jī)漏電分析

在教學(xué)的過程中做各種關(guān)于變頻器控制電機(jī)的各項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，經(jīng)常會(huì)有學(xué)生反應(yīng)其在不小心觸碰到電動(dòng)機(jī)或者實(shí)驗(yàn)臺(tái)時(shí)會(huì)有觸電感，這就對(duì)學(xué)生的安全產(chǎn)生了威脅。

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)中變頻器和外圍電器的連接圖

實(shí)驗(yàn)臺(tái)的變頻系統(tǒng)的主要有電動(dòng)機(jī)、三相交流電源進(jìn)線、熔斷器、變頻器、濾波器等部分組成，如圖3所示。但是由于在安裝的過程中操作不到位，導(dǎo)致變頻器和電動(dòng)機(jī)都沒有接地線。

圖3 變頻器和外圍電器的連接圖

2.2 變頻系統(tǒng)漏電原因分析

通過對(duì)于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)造以及充分了解變頻器其自身工作原理，并且參考和借鑒了其他相關(guān)研究結(jié)果，對(duì)變頻器系統(tǒng)為何會(huì)產(chǎn)生漏電現(xiàn)象的原因進(jìn)行了歸納，主要原因有以下幾種：

2.2.1 電機(jī)繞組與機(jī)殼之間的寄生電容

由圖2可知變頻器輸出的電信號(hào)并不是正弦波SPWM波，因此導(dǎo)致變頻器的載波頻率要高于正常的工作頻率。所以額在設(shè)置輸入電信號(hào)時(shí)可以將數(shù)值設(shè)置為1-4KHz。正是由于變頻器的高頻脈沖波，使得電機(jī)組與機(jī)殼之間產(chǎn)生了寄生電容，這就是部分漏電流產(chǎn)生的原因。

2.2.2 變頻器與電機(jī)輸入輸出導(dǎo)線對(duì)地的分布電容

三相輸入電線對(duì)地存在著分布電容，這種電容是與電線的長(zhǎng)度成正比的，而與電線的截面大小成反比。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)中的變頻器與電機(jī)設(shè)置的距離較近，此電容較小，從文獻(xiàn)2的研究中可以表明，有90%的漏電流是由于機(jī)電里的寄生蟲引起的。但是在做實(shí)驗(yàn)的過程中并沒有使用屏蔽電纜，因此導(dǎo)致分布電容較大。變頻器在工作過程中低速運(yùn)行，將會(huì)使分布電容不斷的放點(diǎn)，電流通過電容器底線進(jìn)入打底，再容進(jìn)線側(cè)的接地線回到變頻器，從而形成了漏電流。

2.2.3 變頻器輸入、輸出側(cè)導(dǎo)線之間的線間電容

電線之間存在的電容會(huì)產(chǎn)生一定的線間電流。這種電流會(huì)收到電容和載波的影響，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)變頻器的載波頻率越高，產(chǎn)生的漏電流則會(huì)越大；電機(jī)的電線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，漏電流也會(huì)越大。

2.2.4 電動(dòng)機(jī)外殼產(chǎn)生的感應(yīng)電壓

變頻器在控制電機(jī)運(yùn)行時(shí)，逆變器中的IGBT的開關(guān)頻率將會(huì)高許多，由于電動(dòng)機(jī)其自身的工作原理，會(huì)導(dǎo)致三相電子通過三相電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)，而通過這種磁場(chǎng)會(huì)使電動(dòng)機(jī)的外殼產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，若是在運(yùn)行的過程中逆變器的開關(guān)頻率越高，則會(huì)導(dǎo)致這種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大，這時(shí)學(xué)生在觸碰到電動(dòng)機(jī)外殼時(shí)就會(huì)有一種點(diǎn)擊的感覺，這就是一種假性的漏電。

2.3 改進(jìn)措施

為了改善和減少電機(jī)和實(shí)驗(yàn)臺(tái)的漏電現(xiàn)象，確保人員以及設(shè)備的安全，筆者根據(jù)實(shí)際情況采取了以下改進(jìn)措施：首先將電動(dòng)機(jī)、變頻器以及實(shí)驗(yàn)臺(tái)的接地線接在一起。通過對(duì)于本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研究發(fā)現(xiàn)，最簡(jiǎn)單的方法就是采用一根較短的導(dǎo)線將變頻器的接地線直接連接到實(shí)驗(yàn)臺(tái)的外殼上，讓后將電動(dòng)機(jī)放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，這樣就可以有效的使三者的接地線結(jié)合在一起，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、變頻器和電動(dòng)機(jī)處于相同的電位，這樣可以將電動(dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)的過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓控制在最小，這樣的話學(xué)生在觸碰實(shí)驗(yàn)臺(tái)以及電機(jī)外殼時(shí)就不會(huì)有觸電感。除此之外也可以在變頻器的輸入電線出增加一個(gè)濾波器，注意需將濾波器的地線與電動(dòng)機(jī)以及變頻器的地線接到一起，濾波器可以很好的吸收和釋放電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電流，從而減少感應(yīng)電壓，實(shí)現(xiàn)減少漏電的情況發(fā)生。在運(yùn)行該設(shè)備之前也可以將載波頻率調(diào)小。通過簡(jiǎn)單的改造之后發(fā)現(xiàn)漏電現(xiàn)象顯著減少。

3 變頻器上出現(xiàn)的故障代碼及解決措施

3.1 變頻器“黑屏”故障

通常情況下，出現(xiàn)“黑屏”的原因有：輸入變頻器的電線出現(xiàn)斷裂，IGBT出現(xiàn)短路導(dǎo)致內(nèi)部保險(xiǎn)燒毀等。

解決措施：檢查三根輸入電源線是否完好；打開變頻器檢查其主線路是否完好，檢測(cè)IGBT內(nèi)部是否存在短路，檢查IGBT的二極管是否完好。根據(jù)相應(yīng)的檢查結(jié)果更換IGBT或者對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修。

3.2 顯示“F0001”報(bào)警

“F0001”表示變頻器出現(xiàn)過流故障，根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生的原因有以下幾種：（1）電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)短路；（2）輸入變頻器的電機(jī)參數(shù)與變頻器的功率不相符；（3）電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇出現(xiàn)故障；（4）電動(dòng)機(jī)接電線損壞；（5） 設(shè)置斜坡上升時(shí)間過短；（6）IGBT模塊損壞

解決措施：（1）設(shè)置合適的斜坡上升時(shí)間；（2）輸入的電動(dòng)機(jī)參數(shù)與變頻器規(guī)定相符合；（3）檢查電機(jī)是否存在短路。

3.3 顯示“F0002”故障

“F0002”表示過電壓報(bào)警。

解決措施：(1)設(shè)置合理的變頻器的斜坡下降時(shí)間；（2）檢查電源電壓是否符合規(guī)定

3.4 顯示“F0020”故障

“F0030”表示電源斷相。若是三相輸入電源中有一個(gè)電壓丟失了，就會(huì)出現(xiàn)該故障，但是變頻仍然允許脈沖輸出，這時(shí)就會(huì)導(dǎo)致負(fù)載。

解決措施：檢查輸入電壓是否完好。

3.5 顯示“F0023”故障

“F0023”表示變頻器輸出的一相斷線。

解決措施：使用萬用表檢查變頻器輸出的三相線是否完好。

4 斷路器跳閘原因分析

4.1 跳閘原因

教師帶學(xué)生們做變頻器控制電機(jī)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)總斷路器跳閘的情況，有時(shí)也會(huì)有實(shí)驗(yàn)臺(tái)報(bào)警的情況，筆者結(jié)合實(shí)際情況分析其出現(xiàn)的主要原因有以下五點(diǎn)：

在設(shè)置變頻器的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償時(shí)設(shè)定的數(shù)值不當(dāng)。由于電機(jī)其自身的機(jī)械特性，若是在負(fù)載相同的情況下，壓頻比越大會(huì)使勵(lì)磁電流也越大。正常情況下電機(jī)空載運(yùn)行的啟動(dòng)電流會(huì)是額定電流的6倍左右，因此若是設(shè)置較大的壓頻時(shí)，就很有可能因?yàn)檫^流而導(dǎo)致跳閘，因此在設(shè)置轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值時(shí)要原則適當(dāng)?shù)臄?shù)值。

變頻器的諧波分量過大。由于變頻器的輸入電流和輸出電流都有著較高的頻率，在驅(qū)動(dòng)變頻器時(shí)這些高頻成分就會(huì)導(dǎo)致漏電流大于電網(wǎng)電流的漏電流，這就會(huì)導(dǎo)致斷路器誤操作。

設(shè)置不當(dāng)?shù)募?、減速參數(shù)。若是對(duì)變頻器的加減時(shí)間的設(shè)置不合適，會(huì)使得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速不同，從而形成轉(zhuǎn)差，這樣形成的轉(zhuǎn)差會(huì)導(dǎo)致過流而使斷路器跳閘。

電容器老化，若是電容器使用的年限過久，將會(huì)導(dǎo)致電容器的電容量大大減小，這時(shí)的電容器將無法應(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)電壓突然升高的情況，容易產(chǎn)生跳閘。

制動(dòng)電阻值過大。電機(jī)在制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的電阻值，這是電阻的放電電流變小，使得電容器上原有的電荷沒有時(shí)間釋放，產(chǎn)生過壓跳閘。

4.2 改進(jìn)措施

（1）合理的設(shè)置變頻器的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值；（2）合理的設(shè)置變頻器的加、減速時(shí)間；（3）控制變頻器與電動(dòng)機(jī)之間的電纜長(zhǎng)度；（4）使用新的電容器；（5）選電纜使采用靜電容量較小的。

5 實(shí)驗(yàn)室使用變頻器的建議

（1）拆除變頻器與電動(dòng)機(jī)之間的交流接觸器，不使用接觸器可以有效的防止在電流突然斷流的瞬間產(chǎn)生過壓損壞逆變器；（2）在控制電動(dòng)機(jī)的啟、停時(shí)需要通過變頻器來進(jìn)行控制，而不是直接使用斷路器進(jìn)行操作，否則將會(huì)導(dǎo)致變頻器的失控；（3）不宜在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上設(shè)置具有漏電保護(hù)的斷路器，因?yàn)樵谧冾l器運(yùn)行時(shí)將會(huì)輸出部分漏電，這會(huì)式漏電起動(dòng)作從而切斷變頻器的正常運(yùn)行。

6 結(jié)論

自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)臺(tái)中MM440變頻器的功能多樣，且其運(yùn)行的可靠性較高，能夠有效的為電動(dòng)機(jī)提供保護(hù)，但是由于其自身的工作原理，導(dǎo)致變頻器在工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)高次諧波，若是安裝和操作不當(dāng)也會(huì)出現(xiàn)漏電等各種故障。筆者通過對(duì)于實(shí)驗(yàn)臺(tái)以及變頻器其自身工作原理的研究，找出實(shí)驗(yàn)室設(shè)備出現(xiàn)漏電現(xiàn)象的原油，并給出了改進(jìn)方法；總結(jié)了設(shè)備常出現(xiàn)的錯(cuò)誤代碼，并提出了解決措施；分析了變頻器跳閘的原因和改進(jìn)措施，也提出了實(shí)驗(yàn)室使用變頻器的一些注意事項(xiàng)。希望能夠?yàn)槿蘸髮?shí)驗(yàn)室變頻器的使用和調(diào)試安裝提供一定的幫助。與此同時(shí)，筆者也相信隨著各種技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，變頻器其自身也將會(huì)得到不斷的完善。