1、引言
隨著變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中日益廣泛的應(yīng)用,了解變頻器的結(jié)構(gòu),主要器件的電氣特性和一些常用參數(shù)的作用及其常見(jiàn)故障對(duì)于實(shí)際工作越來(lái)越重要。
2、變頻器控制電路
給異步電動(dòng)機(jī)供電(電壓、頻率可調(diào))的主電路提供控制信號(hào)的網(wǎng)絡(luò),稱為控制回路,控制電路由頻率,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)電路等組成。無(wú)速度檢測(cè)電路為開(kāi)環(huán)控;在控制電路增加了速度檢測(cè)電路,即增加速度指令,可以對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行更精確的閉環(huán)控制。
(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)電路為與主回路電位隔離檢測(cè)電壓,電流等。
(3)驅(qū)動(dòng)電路為驅(qū)動(dòng)主電路器件的電路,它與控制電路隔離,控制主電路器件的導(dǎo)通與關(guān)斷。
(4)I/O電路使變頻更好地人機(jī)交互,其具有多信號(hào)(比如運(yùn)行多段速度運(yùn)行等)的輸入,還有各種內(nèi)部參數(shù)(比如電流,頻率,保護(hù)動(dòng)作驅(qū)動(dòng)等)的輸入。
(5)速度檢測(cè)電路將裝在異步電動(dòng)機(jī)軸上的速度檢測(cè)器(TG、PLG等)的信號(hào)設(shè)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)。
(6)保護(hù)電路檢測(cè)主電路的電壓、電流等。當(dāng)發(fā)生過(guò)載或過(guò)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。
逆變器控制電路中的保護(hù)電路,可分為逆變器保護(hù)和異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)兩種,保護(hù)功能如下:
(1)逆變器保護(hù)
①瞬時(shí)過(guò)電流保護(hù),用于逆變電流負(fù)載側(cè)短路等,流過(guò)逆變電器回件的電流達(dá)到異常值(超過(guò)容許值)時(shí),瞬時(shí)停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn),切斷電流,變流器的輸出電流達(dá)到異常值,也得同樣停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)。
②過(guò)載保護(hù),逆變器輸出電流超過(guò)額定值,且持續(xù)流通超過(guò)規(guī)定時(shí)間,為防止逆變器器件、電線等損壞,要停止運(yùn)轉(zhuǎn),恰當(dāng)?shù)谋Wo(hù)需要反時(shí)限特性,采用熱繼電器或電子熱保護(hù),過(guò)載是由于負(fù)載的GD2(慣性)過(guò)大或因負(fù)載過(guò)大使電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)而產(chǎn)生。
③再生過(guò)電壓保護(hù),應(yīng)用逆變器使電動(dòng)機(jī)快速減速時(shí),由于再生功率使直流電路電壓升高,有時(shí)超過(guò)容許值,可以采取停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)或停止快速的方法,防止過(guò)電壓。
④瞬時(shí)停電保護(hù),對(duì)于毫秒級(jí)內(nèi)的瞬時(shí)斷電,控制電路工作正常。但瞬時(shí)停電如果達(dá)數(shù)10ms以上時(shí),通常不僅控制電路誤動(dòng)作,主電路也不供電,所以檢測(cè)出后使逆變器停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
⑤接地過(guò)電流保護(hù),逆變器負(fù)載接地時(shí),為了保護(hù)逆變器,要有接地過(guò)電流保護(hù)功能。但為了保證人身安全,需要裝設(shè)漏電保護(hù)斷路器。
⑥冷卻風(fēng)機(jī)異常,有冷卻風(fēng)機(jī)的裝置,當(dāng)風(fēng)機(jī)異常時(shí)裝置內(nèi)溫度將上升,因此采用風(fēng)機(jī)熱繼電器或器件散熱片溫度傳感器,檢測(cè)出異常后停止逆變電器工作。
(2)異步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)
①過(guò)載保護(hù),過(guò)載檢測(cè)裝置與逆變器保護(hù)共用,但考慮低速運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)熱時(shí),在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)埋入溫度檢出器,或者利用裝在逆變器內(nèi)的電子熱保護(hù)來(lái)檢出過(guò)熱。動(dòng)作過(guò)頻時(shí),應(yīng)考慮減輕電動(dòng)機(jī)負(fù)荷,增加電動(dòng)機(jī)及逆變器的容量等。
②超速保護(hù),逆變器的輸出頻率或者異步電動(dòng)機(jī)的速度超過(guò)規(guī)定值時(shí),停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)。
(3)其他保護(hù)
①防止失速過(guò)電流,加速時(shí),如果異步電動(dòng)機(jī)跟蹤遲緩,則過(guò)電流保護(hù)電路動(dòng)作,運(yùn)轉(zhuǎn)就不能繼續(xù)進(jìn)行(失速)。所以,在負(fù)載電流減小之前要進(jìn)行控制,抑制頻率上升或使頻率下降。對(duì)于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)中的過(guò)電流,有時(shí)也進(jìn)行同樣的控制。
②防止失速再生過(guò)電壓,減速時(shí)產(chǎn)生的再生能量使主電路直流電壓上升,為防止再生過(guò)電壓電路保護(hù)動(dòng)作,在直流電壓下降之前要進(jìn)行控制,抑制頻率下降,防止不能運(yùn)轉(zhuǎn)(失速)。
3、變頻器控制回路的抗干擾措施
由于主回路的非線性(進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作),
變頻器本身就是諧波干擾源,而其周邊控制回路卻是小能量,弱信號(hào)回路,極易遭受其他裝置產(chǎn)生的干擾,造成變頻器自身和周邊設(shè)備無(wú)法正常工作。因此,變頻器在安裝使用時(shí),必須對(duì)控制回路采取抗干擾措施。
(1)變頻器的基本控制回路
一般而言,同外部進(jìn)行信號(hào)交流的基本回籠路有模擬與數(shù)字兩種:
①4~20MA電流信號(hào)回路(模擬);1~5V/0~5V電壓信號(hào)回路(模擬)。
②開(kāi)關(guān)信號(hào)回路,變頻器的開(kāi)停指令,正反轉(zhuǎn)指令等(數(shù)字)。
外部控制,指令信號(hào)通過(guò)上述基本回路導(dǎo)入變頻器,同時(shí)干擾源也在其回路上產(chǎn)生干擾電勢(shì),以控制電纜為媒介侵入變頻器。
(2)干擾的基本類型及抗干擾措施
①靜電耦合干擾,指控制電纜與周圍電氣回路的靜電容耦合在電纜中產(chǎn)生的電勢(shì)。當(dāng)加大與干擾源電纜的距離,達(dá)到導(dǎo)體直徑40倍以上時(shí),干擾程度就會(huì)不太明顯,也可在兩電纜間設(shè)置屏敝導(dǎo)體,再將屏蔽導(dǎo)體接地。
②靜電感應(yīng)干擾,指周圍電氣回路產(chǎn)生的磁通變化在電纜中感應(yīng)出的電勢(shì)。其強(qiáng)度取決于干擾源電纜產(chǎn)生的磁通大小、控制電纜形成的閉環(huán)面積和干擾源電纜與控制電纜間的相對(duì)角度。可將控制電纜與主回路電纜或其他動(dòng)力電纜分離鋪設(shè)。分離距離通常應(yīng)在30cm以上(最少不低于10cm)。分離困難時(shí),將控制電纜穿過(guò)鐵管鋪設(shè),也可將控制導(dǎo)體絞合,絞合間距越小,鋪設(shè)的路線越短,抗干擾效果越好。
③電波干擾,指控制電纜成為天線,由外來(lái)電波在電纜中產(chǎn)生電勢(shì)。抗干擾措施同①②,必要時(shí)將變頻器放入鐵箱內(nèi)進(jìn)行電波屏蔽,屏蔽用的鐵箱務(wù)必接地。
④接觸不良干擾,指變頻器控制電纜的電接點(diǎn)及繼電器觸點(diǎn)接觸不良,電阻發(fā)生變化在電纜中產(chǎn)生的干擾,對(duì)此,采用并聯(lián)觸點(diǎn)或提高電器件等級(jí)來(lái)解決。對(duì)于電纜連接點(diǎn)應(yīng)定期做擰緊加固處理。
⑤接地干擾,指機(jī)體接地或信號(hào)接地,對(duì)于弱電壓,電流回路,任何不合理的接地均可誘發(fā)各種意想不到的干擾,比如設(shè)置兩個(gè)以上接地點(diǎn),接地處會(huì)產(chǎn)生電位差,產(chǎn)生干擾。可將速度給定的控制電纜取一點(diǎn)接地,接地線不作為信號(hào)的通路使用,電纜的接地在變頻器側(cè)進(jìn)行,使用專設(shè)的接地端子,不與其他接地端子共用。
(3)其他注意事項(xiàng)
①裝有變頻器的控制柜,應(yīng)盡量遠(yuǎn)離大容量變壓器和電動(dòng)機(jī)。其控制電纜線路也應(yīng)避開(kāi)這些漏磁通大的設(shè)備。
②弱電壓電流控制電纜不要接近易產(chǎn)生電弧的電器件。
③控制電纜建議采用1.25mm2或2mm2屏蔽絞合絕緣電纜。
④屏蔽電纜的屏蔽要連接到電纜導(dǎo)體同樣長(zhǎng)。電纜在端子箱中連接時(shí),屏蔽端子要互相連接。
4、變頻器的常見(jiàn)故障分析
(1)變頻器充電起動(dòng)電路故障,通用變頻器一般為用壓型變頻器,采用交—直—交工作方式。當(dāng)變頻器剛上電時(shí),由于直流側(cè)的平波電容容量非常大,充電電流很大,通常采用一個(gè)起動(dòng)電阻來(lái)限制充電電流,常見(jiàn)的兩種變頻起動(dòng)電路如圖2所示。充電完成后,控制電路通過(guò)繼電器的觸點(diǎn)或昌閘管將電阻短路。起動(dòng)電路故障一般表現(xiàn)為起動(dòng)電阻燒壞,變頻器報(bào)警顯示為直流線線電壓故障。一般,變頻器的設(shè)計(jì)時(shí),為了減小變頻器的體積而選擇較小起動(dòng)電阻,其值多為10—50Ω,功率為10—50W;當(dāng)變頻器的交流輸入電源頻繁接通,或者旁路觸器的觸點(diǎn)接觸不良時(shí),都會(huì)導(dǎo)致起動(dòng)電阻燒壞。因此在替換電阻的同時(shí),必須找出原因,如果故障是由輸入側(cè)電源頻率開(kāi)始引起的,必須消除這種現(xiàn)象才能將變頻器投入使用,如果故障只由旁路觸元件引起,則必須更換這些器件。
(2)
變頻器無(wú)故障顯示,卻不能高速運(yùn)行,經(jīng)檢查變頻器參數(shù)設(shè)置正確,調(diào)速輸入信號(hào)正常,經(jīng)上電運(yùn)行測(cè)試,變頻器直流母線電壓只有450V左右(正常應(yīng)在580V-600V),再測(cè)輸入側(cè),發(fā)現(xiàn)缺了一相。故障原因是輸入側(cè)的一個(gè)空氣開(kāi)關(guān)一相接觸不良造成的。造成變頻器輸入缺相不報(bào)警,仍能在低頻段工作,是因?yàn)槎鄶?shù)變頻器的母線電壓下限為400V,只有當(dāng)母線電壓降至400V以下時(shí),變頻器才報(bào)告故障。而`當(dāng)兩相輸入時(shí),直流母線電壓為380V×1.2=452V>400V。當(dāng)變頻器不運(yùn)行時(shí),由于平波電容的作用,直流電壓也可達(dá)到正常值,新型的變頻器都采用PWM控制技術(shù),調(diào)壓調(diào)頻的工作在逆變橋完成,所以在低頻段輸入缺相時(shí)仍可以正常工作,但因輸入電壓,輸出電壓低,造成異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低頻率上不去。
(3)變頻器顯示過(guò)流,出現(xiàn)這種顯示時(shí),首先檢查加速時(shí)間參數(shù)是否太短,力矩提升參數(shù)是否太大,然后檢查負(fù)載是否太重。如果沒(méi)有這些現(xiàn)象,可以斷開(kāi)輸出側(cè)的電流互感器和直流側(cè)的霍爾電流檢測(cè)點(diǎn),復(fù)位后運(yùn)行,看是否出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象。如果是,很可能是IPM模塊出現(xiàn)故障,因?yàn)镮PM模塊內(nèi)含有過(guò)壓過(guò)流,欠壓,過(guò)載、過(guò)熱,缺相、短路等保護(hù)功能,而這些故障信號(hào)都是經(jīng)模塊控制引腳的輸出Fn引腳傳送到控制器的。微控制器接收到故障信息后,一方面封鎖脈沖輸出,另一方面將故障信息顯示在面板上。應(yīng)更換IPM模塊。
(4)變頻器顯示過(guò)壓故障,變頻器出現(xiàn)過(guò)壓故障,一般是雷雨天氣,由于雷電串入變頻器的電源中,使變頻器直流側(cè)的電壓檢測(cè)器動(dòng)作而跳閘,這種情形,通常只需斷開(kāi)變頻器電源1分鐘左右再上電即可,另一種情況是變頻器驅(qū)動(dòng)大慣性負(fù)載,而出現(xiàn)過(guò)電壓現(xiàn)象。這種情況下,一是將減速時(shí)間參數(shù)加長(zhǎng)或增大制動(dòng)電阻(制動(dòng)單元);二是將變頻器的停止方式設(shè)置為自由停車方式。
(5)電機(jī)發(fā)熱,變頻器顯示過(guò)載,對(duì)于已經(jīng)投入運(yùn)行的變頻器,必須檢查負(fù)載狀況,對(duì)于新安裝的變頻器出現(xiàn)這種故障,很可能是V/F曲線設(shè)置不當(dāng)或電機(jī)參數(shù)設(shè)置有問(wèn)題,此時(shí)必須正確設(shè)置好各種參數(shù),另外,電機(jī)在低頻的工作時(shí)散熱性能變差,也會(huì)出現(xiàn)這種情況,這時(shí)就需加裝散熱裝置。
5、結(jié)束語(yǔ)
采用變頻器作為異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器,盡管其可靠性很高,但是如果使用不當(dāng)或偶然事件,也會(huì)造成變頻器的損壞,要想在生產(chǎn)過(guò)程中,使用好變頻器,熟悉變頻器的結(jié)構(gòu)原理,了解常見(jiàn)故障,對(duì)于技術(shù)人員尤為重要。