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1、 变频器的调试与维修 山东新风光电子科技发展有限公司 周加胜引言：变频器自上世纪90年代进入中国市场，经过近二十多年的发展，随着国家节能减排政策的不断推进，已日益称为各行各业不可缺少的调速产品，在改善生产工艺、提高生产效率、推进生产的自动化运行、节能降耗方面呈现出巨大的优势，在工矿企业、塑料制品、水利电力、学校及事业单位等各方面应用日益普及，可以这样说，只要用电机的地方，几乎随处都可看到变频器的身影，已日益成为交流电机的姊妹产品，发挥着越来越大的作用。但是，变频器毕竟是一个技术含量比较高的科技产品，在应用中，由于各个企事业单位的电工或设备维护人员对这一产品的认识还有一段距离，对这一产品还不可能
2、象普通的工频控制柜那样比较熟练的进行应用、维修或维护，加之国产变频器在器件选型、产品设计、安装调试过程中也存在着一定的局限性，也不可避免的会产生这样或那样的问题，虽然是一个好产品，正像其他的设备一样，应用好了会带来良好的经济效益，若应用不好，也同样会带来副作用，甚至会出现相反的结果，导致设备不能正常运行，影响生产和工艺，给企事业的生产和人民生活造成损失，酿成很坏的影响。笔者从上世纪90年代后期，从事变频器的安装、调试及维修工作，在10多年的工作中，积累了丰富的经验，其中也不乏比较深刻的教训，因此，我想从这一期开始，将自己在工作中遇到的问题及解决的方法，运用变频器的工作原理，结合具体的应用实例，
3、探讨一下变频器在应用过程中所应注意的问题，在安装、调试、维修工作中的基本方法，以期与广大的同行及朋友、各位老师尤其是变频器的使用者进行比较有益的交流，帮助大家尽快的掌握变频器的基本工作原理，安装、调试方法，基本的维修维护要领，把这一产品尽快的应用到实际工作中，发挥她本身应有的工作效能，服务于各行各业的人民的生产生活中。第一讲、对变频器的基本认识1、首先我们要了解变频调速的定义。所谓变频器，就是通过调节频率实现电机调速的装置。由电动机的转速公式知道：n=60f/P*(1-s)可知当电机的极对数p、转差率s不变时，改变电源的供电频率f，就可以平滑的改变电机的转速，即：n=Kf，n与f成正比，这就是
4、改变频率可以平滑改变电机转速的原理。但是就是这样一个普通的道理，制造变频器却经过了一百多年的时间，科技人员在三相交流异步电动机问世的同时，就积极研究变频调速的问题，由于大功率开关器件的制约，加之控制器件的局限性，经过了一个世纪的艰苦的研制与探索，在上世纪7080年代才有了初步的成果，并经过近20多年的发展，才具备了今天的成就。在改变频率实现调速的过程中，有一个必须解决的问题，就是在调频的同时，必须进行调压，即调节电机输入端的电压。对于异步交流电机，变频器输出电压与频率以及气空隙磁通存在以下对应关系：U=4.44fs*Ns*Ks* 式中， N s 为定子每相绕组串联匝数； Ks 为基波绕组系数；
5、为电机气隙中每极合成磁通。在变频器调速过程中，要保证磁通恒定，因为对于电动机而言，磁通太大，电机绕组容易饱和，严重时会烧毁电机，磁通太弱，电机力矩就会不足，电机在重载下就会启动不了，难以正常运转。从上式来看，在调频的过程中，4.44、Ns、Ks都是常数，要保证磁通恒定，在改变频率fs的同时，必须同时改变电压U，即保证U/fs=K，K为常数，这就是变频同时变压的原理，也即恒V/f控制。2、基本工作原理: 图1、变频器基本电路如图1所示是变频器最基本的主回路图，三相交流380V/50Hz的工频电源，经三相全波整流后，变成脉动的直流，再经过大电解电容平滑滤波后，变成比较平稳的直流电源，经过IGBT开
6、关管的控制，逆变成频率和电压都可以调节的交流电，供电机运行。而由直流变成交流的逆变环节，是变频器的核心控制部分。当然随着变频器的发展，为了适应现场电机及电源电压的要求，又派生出变频器的许多不同品类，如：为了适应大功率电机的需要，采用IGBT模块、整流模块直接并联或单元并联的方式，产生低压大功率变频器。为了适应电压升高的需要，产生了中压变频器，采用整流模块、IGBT模块直接串联，采用三电平、五电平、七电平等主回路方式，使输出波形及电源谐波尽量满足现场需要。对于高压大功率变频器，现在主要采用美国罗宾康公司的单元串联完美无谐波的主电路及控制电路的方式进行控制，实现用低压配件进行高压控制的目的。为了适
7、应控制方式的需要，又在V/f控制的基础上，研发了矢量控制、直接转矩控制等多种控制方式。这些都是普通变频器的派生产品。3、变频器的分类变频器的分类方式有很多种。首先按有无中间直流环节分为交-交型和交-直-交型。交交变频一般采用晶闸管控制，但调频效率低，范围窄，一般在0-25Hz的范围内，多用在大型的轧钢机设备上。交直交变频器应用很广泛，现在的通用变频器基本都采用这种控制方式，又根据中间直流环节的不同，分为电压型和电流型变频器，电压型采用的是电解电容滤波，而电流型采用的是电感滤波，由于电流型制作较困难，不太常用，所以现在通用变频器大部分都是电压型交直交变频器。变频器根据电压等级，可分为低、中、高压
8、变频器，现在市场上低压、高压变频器比较常见，应用场合多，中压一般在油田、矿山等比较特殊的场合用。国内和国外的分类方式稍有区别，咱们国产的一般将1000V以下的称为低压，1000-6000V的称为中压，而6000V以上的称为高压，国外的低压与我们一致，而中压指的是1000-10000V的等级，高压是指10000V以上的电压等级。目前的高压变频器大都做到10KV一下的电压等级，10KV以上的比较少见。从主电路的结构上分类，低压大功率变频器大都采用模块直接并联的方式提高功率，也有采用单元并联的方式，如图2所示。 图2、单元并联模块并联体积小，易于装配，但不易扩充余量。单元并联余量大，但装配困难，体积
9、大，且需要单元并接的均流电抗器进行强制均流，附件较多，设备体积较庞大。中、高压变频器也分为模块串联式和单元串联式两种。模块串联式分为三电平、五电平、七电平等结构，比较常见的是三电平，如图3所示。图3、三电平电路多用在中压（1000-3000V）等级上，且技术相对比较成熟，已有许多产品应用于油田、矿山等大多数设备上。五电平和七电平用在高压上，但不太常见，只是个别厂家有试验性产品在用户中应用。这种产品用于高压电机场合，由于控制方式比较困难，主要是故障状态下，难于处理，即一旦出现故障，只有全部退出运行，转投工频，在高压设备比较重要的生产场合，不太实用，因高压设备都是工矿企业比较大型的设备，一旦停运，
10、将会对生产造成重大的影响，因此实用性不大，除非设备做得相当可靠，技术相当成熟，不太容易出现故障，线路结构也太复杂。现在高压大功率变频器比较成熟的是多单元串联式变频器，如图4所示。 图4、高压变频器系统该设备采用美国罗宾康完美无谐波变频器技术，采用低压比较成熟的技术，用低压单元串联形成高压输出，前端采用移相变压器，通过绕组的相位角的控制，消除了变频器产生的谐波对电网的影响，后级采用载波移相技术，通过波形的叠加，消除了输出谐波对电机的影响，所以被称为完美无谐波变频器。这种变频器最大的优势还在于在变频器出现故障时可以比较容易的进行相关的处理，在个别单元出现问题时，采用单元旁路或星点飘移技术，在对生产
11、造成不太大的影响的情况下，暂时降额运行，避免了设备停机造成的损失，因此深受用户的青睐。这种设备在我国应用的最多，技术比较成熟，是一种相当普及的产品。这些都是从主电路对变频器的分类。从控制技术上来说，变频器又可分为恒压/频比控制、无反馈矢量控制和有反馈矢量控制、直接转矩控制、载波移相控制等多种。载波移相控制一般用在高压变频器上，中压变频器一般采用恒压/频比控制，而直接转矩控制和矢量控制应用在低压变频器上，由于低压变频器相对成熟，已可做到与直流电动机调速相比美的程度。直接转矩控制在芬兰ABB变频器上应用相对成熟。变频器的分类可大体总结如下表。 图5、变频器的分类总之，变频器的分类比较复杂，由于现在
12、还没有比较成熟的行业标准，各个厂家、工程技术人员开发产品的思路不同，造成了变频器百花齐放、百家争鸣的格局，控制方式存在不同，主回路结构不同，所以也给变频器的维修、维护带来了一定的困难。第二讲、变频器的安装与调试变频器的安装与调试是一个较复杂的课题。由于变频器的品牌众多，电路形式千差万别，因此在安装与调试时也就有所不同，在这里，我们以山东新风光电子科技发展有限公司生产的风光牌变频器为例加以探讨，附带说一下其他品牌的变频器。风光牌变频器有一个最显著的特点，就是变频器在主电路不通电的情况下，只给控制电路通电，就可以检测变频器的工作状态，检测主控板、驱动板及IGBT的工作点是否正常，从而可以模拟变频器
13、正常工作时的波形，判断变频器工作正常后，再在主电路通电，使变频器进入正常工作状况，带电机及负载运行。这为变频器的调试及维修带来了极大的便利，可以在主电路不带电或带较小的电压下，判断变频器各处的连线是否正确，器件工作是否正常，是否在其合适的工作范围内等，其他类变频器很少有该功能，所以在调试尤其是维修时不太容易，需要仔细的检查连线，判断器件，也只能是在静态下检测，是否正常，上电时要注意，也有可能造成二次损坏，因为检测并不全面。正象其他的电器设备或装置一样，变频器作为一种电力电子设备，同样有其严格的使用条件和应用场合，任何违反产品使用规范的安装及使用，都将是非法的，不可避免的会带来设备及人、财、物的
14、损失。1、变频器的使用环境及注意事项A、变频器要求的工作环境(1)工作环境温度10+40，工作环境的变化应不大于5h。(2)相对湿度:空气的最大相对湿度不超过90%，每小时相对湿度的变化率不超过5%且不得出现凝露。(3)运行地点无导电或爆炸尘埃，无腐蚀金属或破坏绝缘的气体或蒸汽。(4)变频器安装地点所允许的振动条件:振动频率10150hz，振动加速度不大于5m/s2，当变频器由于安装台基振动可能产生共振时，应对变频器采取减振措施，以避开共振频率。(5)交流输入电源电压持续波动不超过20%。频率波动不超过2%，频率变化每秒不超过1%。三相电压的不平衡度:负序分量不超过正序分量的5%;电源谐波成分
15、:电压相对谐波含量的均方根值不超过10%。(6)海拔高度:不超过1000m。B、注意事项(1)非专业人员不可开盖开柜门使用或检测;(2)变频器出厂前已作过耐压试验，用户不可也没有必要再对变频器进行耐压试验;(3)电动机上不可并接改善功率因数用的大电容;(4)外壳可靠接地;(5)不可将三相输入改成两相输入，否则会出现缺相保护;(6)低频运行时要考虑电动机自带风扇效果，润滑效果情况，高频运行时要考虑轴承的承受能力。 这些阐述了变频器安装的最基本的规则。要深刻理解和熟悉这些规则。C、安装前的准备工作要安装好一台变频器，使它能正常的运行，达到技术及工艺要求，除了满足上述基本规则外，还应注意以下几点:(1)安装前首先要熟悉和掌握生产工艺及技术要求，弄清楚其负载状况，了解变频器在系统中的作用和地位，是要求节能，还是改进生产工艺，还是二者兼之。某些场合并没有节能空间，而硬要求变频器节能，这是不妥当的。(2)变频器带的负载从电气方面而言首先是电机，因此安装前首先要对现场的电机有比较清楚的理解，包括额定电压、额定电流、
