变频器的概述与应用及其常见问题的处理

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　　【摘 要】变频器在交流拖动系统应用中呈现优良的控制性，可以实现软起动和无级调速，进行加减速控制，使电动机获得高性能，而且具有显著的节能效果。所以应用变频调速可以提高生产机械的控制精度、生产效率和产品质量，从而利于实现生产过程的自动化。因此变频器近年来在工业生产各环节得到了广泛的应用。
　　【关键词】变频器；应用；常见问题
　　一、变频器的概念及组成
　　1、变频器的概念
　　变频器是一种用来改变交流电频率的电气设备。此外，它还具有改变交流电电压的辅助功能。过去，变频器一般被包含在电动发电机、旋转转换器等电气设备中。随着半导体电子设备的出现，人们已经可以生产完全独立的变频器。
　　2、变频器主要是由主电路、控制电路组成。
　　1） 主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
　　（1）整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。（2）平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
　　（3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。
　　2）控制电路是给异步电动机供电压的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。
　　（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。（4）速度检测电路：以装在异步电动机轴机上的速度检测器的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（5）保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
　　二、变频器推广应用
　　变频器在交流电机拖动应用中，其优势有目共睹。但是一些企业在新上和改建项目过程中往往对变频器的应用不予考虑，其中设备投资高是主要原因，主观认为电动机控制采用传统的控制方式能够节省不小的投资，这种观念实际上进入了一个误区。传统控制方式一般采用星-角转换和自藕变压器启动，从控制端到电动机之间需要两条电缆，在中等规模以上企业由于电动机的控制均是集中控制，那么电缆大都有一定的长度。所以变频器与传统控制方式相比，虽然设备投资高，但是节约了一条电缆，而且近年来电缆的价格一直在走高，因此55KW以上电机采用变频器控制的投资和传统控制方式相近，且技术产品质量都已成熟。另外其良好的节能性能，有很高投资回报率。在风机、水泵等负载上使用两年就能收回投资，直接经济效益明显。还有变频器的软启动性能对泵类机械设备的冲击磨损小，可延长机械设备的检修周期及使用寿命，间接经济效益也是十分突出的。这方面的普及率还是非常低，应用推广缓慢，除了技术、观念和意识保守，设计、技术改造理念上的延袭陈旧，是阻碍发展的主要原因。
　　三、变频器常见故障及处理
　　变频器由主回路、电源回路、IPM驱动及保护回路、冷却风扇等几部分组成。其结构多为单元化或模块化形式。由于使用方法不正确或设置环境不合理，将容易造成变频器误动作及发生故障，或者无法满足预期的运行效果。为防患于未然，事先对故障原因进行认真分析尤为重要。
　　1、主回路常见故障分析
　　主回路主要由三相或单相整流桥、平滑电容器、滤波电容器、IPM逆变桥、限流电阻、接触器等元件组成。其中许多常见故障是由电解电容引起。电解电容的寿命主要由加在其两端的直流电压和内部温度所决定，在回路设计时已经选定了电容器的型号，所以内部的温度对电解电容器的寿命起决定作用。电解电容器会直接影响到变频器的使用寿命，一般温度每上升10 ℃，寿命减半。因此一方面在安装时要考虑适当的环境温度，另一方面可以采取措施减少脉动电流。采用改善功率因数的交流或直流电抗器可以减少脉动电流，从而延长电解电容器的寿命。在电容器维护时，通常以比较容易测量的静电容量来判断电解电容器的劣化情况，当静电容量低于额定值的80%，绝缘阻抗在5 MΩ以下时，应考虑更换电解电容器。
　　2、主回路典型故障分析
　　故障现象：变频器在加速、减速或正常运行时出现过电流跳闸。首先应区分是由于负载原因，还是变频器的原因引起的。如果是变频器的故障，可通过历史记录查询在跳闸时的电流，超过了变频器的额定电流或电子热继电器的设定值，而三相电压和电流是平衡的，则应考虑是否有过载或突变，如电机堵转等。在负载惯性较大时，可适当延长加速时间，此过程对变频器本身并无损坏。若跳闸时的电流，在变频器的额定电流或在电子热继电器的设定范围内，可判断是IPM模块或相关部分发生故障。首先可以通过测量变频器的主回路输出端子U、V、W， 分别与直流侧的P、N端子之间的正反向电阻，来判断IPM模块是否损坏。如模块未损坏，则是驱动电路出了故障。如果减速时IPM模块过流或变频器对地短路跳闸，一般是逆变器的上半桥的模块或其驱动电路故障；而加速时IPM模块过流，则是下半桥的模块或其驱动电路部分故障，发生这些故障的原因，多是由于外部灰尘进入变频器内部或环境潮湿引起。 　　3、控制回路故障分析
　　控制回路影响变频器寿命的是电源部分，是平滑电容器和IPM电路板中的缓冲电容器，其原理与前述相同，但这里的电容器中通过的脉动电流，是基本不受主回路负载影响的定值，故其寿命主要由温度和通电时间决定。由于电容器都焊接在电路板上，通过测量静电容量来判断劣化情况比较困难，一般根据电容器环境温度以及使用时间，来推算是否接近其使用寿命。
　　1）电源电路板给控制回路、IPM驱动电路和表面操作显示板以及风扇等提供电源，这些电源一般都是从主电路输出的直流电压，通过开关电源再分别整流而得到的。因此，某一路电源短路，除了本路的整流电路受损外，还可能影响其他部分的电源，如由于误操作而使控制电源与公共接地短接，致使电源电路板上开关电源部分损坏，风扇电源的短路导致其他电源断电等。一般通过观察电源电路板就比较容易发现。
　　2）逻辑控制电路板是变频器的核心，它集中了CPU、MPU等大规模集成电路，具有很高的可靠性，本身出现故障的概率很小，但有时会因开机而使全部控制端子同时闭合，导致变频器出现EEPROM故障，这只要对EEPROM重新复位就可以了。
　　3）电路板包含驱动和缓冲电路，以及过电压、缺相等保护电路。从逻辑控制板来的PWM信号，通过光耦合将电压驱动信号输入IPM模块，因而在检测模快的同时，还应测量IPM模块上的光耦。
　　4、冷却系统
　　冷却系统主要包括散热片和冷却风扇。其中冷却风扇寿命较短，临近使用寿命时，风扇产生震动，噪声增大最后停转，变频器出现IPM过热跳闸。冷却风扇的寿命受陷于轴承，大约为10000～35000 h。当变频器连续运转时，需要2～3年更换一次风扇或轴承。为了延长风扇的寿命，一些产品的风扇只在变频器运转时而不是电源开启时运行。
　　5、外部的电磁感应干扰
　　如果变频器周围存在干扰源，它们将通过辐射或电源线侵入变频器的内部，引起控制回路误动作，造成工作不正常或停机，严重时甚至损坏变频器。减少噪声干扰的具体方法有：变频器周围所有继电器、接触器的控制线圈上，加装防止冲击电压的吸收装置，如RC浪涌吸收器，其接线不能超过20 cm；尽量缩短控制回路的配线距离，并使其与主回路分离；变频器控制回路配线绞合节距离应在15 mm以上，与主回路保持10 cm以上的间距；变频器距离电动机很远时，这时一方面可加大导线截面面积，保证线路压降在2%以内，同时应加装变频器输出电抗器，用来补偿因长距离导线产生的分布电容的充电电流。变频器接地端子应按规定进行接地，必须在专用接地点可靠接地，不能同电焊、动力接地混用；变频器输入端安装无线电噪声滤波器，减少输入高次谐波，从而可降低从电源线到电子设备的噪声影响；同时在变频器的输出端也安装无线电噪声滤波器，以降低其输出端的线路噪声。
　　6、电源异常
　　电源异常大致分为缺相、低电压、停电，有时也出现它们的混合形式。这些异常现象的主要原因，多半是输电线路因风、雪、雷击造成的，有时也因为同一供电系统内出现对地短路及相间短路。而雷击因地域和季节有很大差异。除电压波动外，有些电网或自行发电的单位，也会出现频率波动，并且这些现象有时在短时间内重复出现，为保证设备的正常运行，对变频器供电电源也提出相应要求。有条件因需可加装自动切换的不停电源装置或备用的稳定电源。
　　7、雷击、感应雷电
　　雷击或感应雷击形成的冲击电压，有时也会造成变频器的损坏。此外，当电源系统一次侧带有真空断路器时，短路开闭会产生较高的冲击电压。为防止因冲击电压造成过电压损坏，通常需要在变频器的输入端加压敏电阻等吸收器件。真空断路器应增加RC浪涌吸收器。若变压器一次侧有真空断路器，应在控制时序上，保证真空断路器动作前先将变频器断开。
　　四、结束语
　　随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动的技术革命。交流调速取代直流调速，计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。交流电机 变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性 能等诸多优点而被公认为最有发展前途的调速方式。变频器和交流电机组成的交流调速系统具有更宽的允许电压波动范围、更小的体积、更强的通讯能力，更优良的调速性能，在工矿企业中得到了广泛的应用
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