近年來(lái),隨著微電子技術(shù)及IGBT功率期間的迅速發(fā)展,作為交流電機(jī)主要調(diào)速方式的變頻調(diào)速技術(shù)也獲得了前所未有的發(fā)展。尤其是矢量控制變頻器,以其優(yōu)異的控制性能在調(diào)速領(lǐng)域獨(dú)樹一幟,在港口機(jī)械、冶金、造紙、電梯等多個(gè)領(lǐng)域得到迅速推廣。日本,歐美等變頻技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家,均承認(rèn)以進(jìn)入AC(交流)時(shí)代。我國(guó)港口機(jī)械設(shè)備中的場(chǎng)橋(RTG)、門座式起重機(jī)、裝卸橋(C/C)也廣泛使用了變頻調(diào)速器,從37kW到440kW均有應(yīng)用實(shí)例。隨著使用數(shù)量的不斷增加,也遇到了故障維修問(wèn)題。
　　 一、變頻器的主要故障原因及預(yù)防措施
　　 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(wú)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)真分析顯得尤為重要。圖1所示為變頻器硬件回路框圖。
　　 1. 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(guò)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,造成工作不正常或停機(jī),嚴(yán)重時(shí)甚至損壞變頻器。提高變頻器自身的抗干擾能力固然重要,但由于受裝置成本限制,在外部采取噪聲抑制措施,消除干擾源顯得更合理,更必要。以下幾項(xiàng)措施是對(duì)噪聲干擾實(shí)行“三不”原則的具體方法。
　　 變頻器周圍所有繼電器、接觸器的控制線圈上需加裝防止沖擊電壓的吸收裝置,如RC吸收器。
　　 盡量縮短控制回路的配線距離,并使其與主線路分離。
　　 指定采用屏蔽線的回路,必須按規(guī)定進(jìn)行,若線路較長(zhǎng),應(yīng)采用合理的中繼方式。
　　 變頻器接地端子應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行,不能同電焊,動(dòng)力接地混用。
　　 變頻器輸入端安裝噪聲濾波器,避免由電源進(jìn)線引入干擾。
　　 以上即為不輸出干擾、不傳送干擾、不接受干擾的“三不”原則。
　　 2. 安裝環(huán)境
　　 變頻器屬于電子器件裝置,在其規(guī)格書中有詳細(xì)安裝使用環(huán)境的要求。在特殊情況下,若確實(shí)無(wú)法滿足這些要求,必須盡量采用相應(yīng)抑制措施。
　　 振動(dòng)是對(duì)電子器件造成機(jī)械損傷的主要原因。對(duì)于振動(dòng)沖擊較大的場(chǎng)合,應(yīng)采用橡膠等避振措施。
　　 潮濕、腐蝕性氣體及塵埃等將造成電子器件生銹、接觸不良、絕緣降低而形成短路。作為防范措施,應(yīng)對(duì)控制板進(jìn)行防腐防塵處理,并盡量采用封閉式結(jié)構(gòu)。
　　 溫度是影響電子器件壽命及可靠性的重要因素,特別是半導(dǎo)體器件,若溫度超過(guò)規(guī)定值將立刻造成器件損壞,因此應(yīng)根據(jù)裝置要求的環(huán)境條件安裝空調(diào)或避免日光直射。
　　 除上述3點(diǎn)外,定期檢查變頻器的空氣濾請(qǐng)器及冷卻風(fēng)扇也是非常必要的。
　　 對(duì)于特殊的高寒場(chǎng)合,為防止微處理器因溫度過(guò)低而不能正常工作,應(yīng)采取設(shè)置空間加熱器等必要措施。
　　 3. 電源異常
　　 電源異常表現(xiàn)為各種形式,但大致分以下三種,即:缺相、低電壓、停電。有時(shí)也出現(xiàn)它們的混合形式。這些異常現(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。
　　 如果附近有直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)和電磁爐等設(shè)備,為防止這些設(shè)備投入時(shí)造成的電壓降低,硬是變頻器供電系統(tǒng)分離,減小相互影響。
　　 對(duì)于要求瞬時(shí)停電后仍能繼續(xù)運(yùn)行的場(chǎng)合,除選擇合適規(guī)格的變頻器外,還因預(yù)先考慮負(fù)載電機(jī)的降速比例。變頻器和外部控制回路采用瞬停補(bǔ)償方式,當(dāng)電壓回復(fù)后,通過(guò)速度追蹤和測(cè)速電機(jī)的檢測(cè)來(lái)防止在加速中的過(guò)電流。
　　 對(duì)于要求必須量需運(yùn)行的設(shè)備,要對(duì)變頻器加裝自動(dòng)切換的不停電電源裝置。
　　 二極管輸入及使用單相控制電源的變頻器,雖然在缺相狀態(tài)也能繼續(xù)工作,但整流器中個(gè)別器件電流過(guò)大及電容器的脈沖電流過(guò)大,若長(zhǎng)期運(yùn)行將對(duì)變頻器的壽命及可靠性造成不良影響,應(yīng)及早檢查處理。
　　 4. 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)也能造成變頻器的損壞。此外,當(dāng)電源系統(tǒng)一次側(cè)帶有真空斷路器時(shí),短路器開,閉也能產(chǎn)生較高的沖擊電壓。如圖2 所示。
　　 變壓器一次側(cè)真空斷路器斷開時(shí),通過(guò)耦合在二次側(cè)形成很高的電壓沖擊尖峰。
　　 為防止因沖擊電壓造成過(guò)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,保證輸入電壓不高于變頻器主回路期間所允許的比較大電壓。
　　 當(dāng)使用真空斷路器時(shí),應(yīng)景量采用沖擊形成追加RC浪涌吸收器。
　　 若變壓器一次側(cè)有真空斷路器,因在控制時(shí)序上保證真空斷路器動(dòng)作前先將變頻器斷開。
　　 二、變頻器本身的故障自診斷及預(yù)防功能
　　 過(guò)去的晶體管變頻器主要有以下缺點(diǎn):容易跳閘,不容易再起動(dòng),過(guò)負(fù)載能力低。由于IGBT及CPU的迅速發(fā)展,變頻器內(nèi)部增加了完善的自診斷及故障防范功能,大幅度提高了變頻器的可靠性。
　　 有圖3變頻器故障解析示意圖可知,如果使用矢量控制變頻器中的“全領(lǐng)域自動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能”,其中“起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足”,“環(huán)境條件變化造成出力下降”等故障原因,將得到很好的克服。該功能是利用變頻器內(nèi)部的微型計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算,計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻所需要的轉(zhuǎn)矩,迅速對(duì)輸出電壓進(jìn)行修正和補(bǔ)償,以抵消因外部條件變化而造成的變頻器輸出轉(zhuǎn)矩變化。
　　 此外,由于變頻器的軟件開發(fā)更加完善,可以預(yù)先在變頻器的內(nèi)部設(shè)置各種故障防止措施,并使故障化解后仍能保持繼續(xù)運(yùn)行,例如:
　　 對(duì)自由停車過(guò)程中的電機(jī)進(jìn)行再起動(dòng);
　　 對(duì)內(nèi)部故障自動(dòng)復(fù)位并保持連續(xù)運(yùn)行;
　　 負(fù)載轉(zhuǎn)矩過(guò)大時(shí)能自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行曲線,避免Trip;
　　 能夠?qū)C(jī)械系統(tǒng)的異常轉(zhuǎn)矩進(jìn)行檢測(cè)。
　　 三、變頻器對(duì)周邊設(shè)備的影響及故障防范

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　　 變頻器的安裝使用也將對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生影響,有時(shí)甚至導(dǎo)致其他設(shè)備故障。因此,對(duì)這些影響因素進(jìn)行分析探討,并研究應(yīng)該采取哪些措施時(shí)非常必要的。
　　 1. 電源高次諧波
　　 由于目前的變頻器幾乎都采用PWM控制方式,這樣的脈沖調(diào)制形式使得變頻器運(yùn)行時(shí)在電源側(cè)產(chǎn)生高次諧波電流,并造成電壓波形畸變,對(duì)電源系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響,通常采用以下處理措施。
　　 采用專用變壓器對(duì)變頻器供電,與其他供電系統(tǒng)分離。
　　 在變頻器輸入側(cè)加裝濾波電抗器或多種整流橋回路,降低高次諧波分量,如圖4所示。
　　 對(duì)于有進(jìn)相電容器的場(chǎng)合因高次諧波電流將電容電流增加造成發(fā)熱嚴(yán)重,必須在電容前串接電抗器,以減小諧波分量。對(duì)電抗器的電感應(yīng)合理分析計(jì)算,避免形成LC振蕩。
　　 2. 電動(dòng)機(jī)溫度過(guò)高及運(yùn)行范圍
　　 對(duì)于現(xiàn)有電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造時(shí),由于自冷電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)冷卻能力下降造成電機(jī)過(guò)熱。此外,因?yàn)樽冾l器輸出波形中所含有的高次諧波勢(shì)必增加電機(jī)的鐵損和銅損,因此在確認(rèn)電機(jī)的負(fù)載狀態(tài)和運(yùn)行范圍之后,采取以下的相應(yīng)措施。
　　 對(duì)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)冷通風(fēng)或提高電機(jī)規(guī)格等級(jí)。
　　 更換變頻專用電機(jī)。
　　 限定運(yùn)行范圍,避開低速區(qū)。
　　 3. 振動(dòng)、噪聲
　　 振動(dòng)通常是由于電機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩及機(jī)械系統(tǒng)的共振引起的,特別是當(dāng)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩與機(jī)械共振電恰好一致時(shí)更為嚴(yán)重。噪聲通常分為變頻裝置噪聲和電動(dòng)機(jī)噪聲,對(duì)于不同的安裝場(chǎng)所應(yīng)采取不同的處理措施。
　　 變頻器在調(diào)試過(guò)程中,在保證控制精度的前提下,應(yīng)盡量減小脈沖轉(zhuǎn)矩成分。
　　 調(diào)試確認(rèn)機(jī)械共振點(diǎn),利用變頻器的頻率屏蔽功能,使這些共振點(diǎn)排除在運(yùn)行范圍之外。
　　 由于變頻器噪聲主要有冷卻風(fēng)扇機(jī)電抗器產(chǎn)生,因選用低噪聲器件。
　　 在電動(dòng)機(jī)與變頻器之間合理設(shè)置交流電抗器,減小因PWM調(diào)制方式造成的高次諧波。
　　 4. 高頻開關(guān)形成的尖峰電壓對(duì)電機(jī)絕緣不利
　　 在變頻器的輸出電壓中,含有高貧賤風(fēng)浪用電壓。這些高次諧波沖擊電壓將時(shí)電動(dòng)機(jī)繞組的絕緣強(qiáng)度降低,尤其以PWM控制型變頻器更為明顯,應(yīng)采取以下措施。
　　 盡量縮短變頻器到電機(jī)的配線距離。
　　 采用阻斷二極管的浪涌電壓吸收裝置,對(duì)變頻器輸出電壓進(jìn)行處理,無(wú)濾波器是輸出電壓上升沿有明顯沖擊電壓,容易造成電機(jī)絕緣損傷。
　　 綜上所述,是我們?cè)趯?shí)踐中關(guān)于變頻器使用情況的初探和經(jīng)驗(yàn)總結(jié),伴隨著新科學(xué)技術(shù)的推廣和應(yīng)用,需要不斷的適應(yīng)新的技術(shù)的需要,方能熟練掌握應(yīng)用技能,更好的服務(wù)于現(xiàn)代化建設(shè)的需要,使變頻器技術(shù)能得到更好地推廣使用,為推動(dòng)現(xiàn)代化工業(yè)的快速發(fā)展提供有力的保障。

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