湛江市技師學(xué)院 項(xiàng)書紅

?

淺談變頻器的工作原理及故障分析處理

湛江市技師學(xué)院 項(xiàng)書紅

【摘要】近年來，隨著工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，變頻器的應(yīng)用日益廣泛。變頻器的基本功能有調(diào)壓、調(diào)頻、穩(wěn)壓和調(diào)速，應(yīng)用了現(xiàn)代的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，性能優(yōu)越但是價(jià)格昂貴，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜但使用起來簡單靈活方便，因此，它不只是應(yīng)用于啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，還廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。本文主要論述了變頻器的基本工作原理，詳細(xì)分析了故障的產(chǎn)生以及如何處理。

【關(guān)鍵詞】變頻；工作原理；故障分析

一、變頻器的工作原理

1、變頻器的概念

變頻器實(shí)際上就是一個(gè)逆變器，它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?，然后用電子器件?duì)直流電進(jìn)行開關(guān)控制，變?yōu)榻涣麟?。為交流電機(jī)變頻調(diào)速提供變頻電源的一般都是變頻器。一般功率較大的變頻器用可控硅。并設(shè)一個(gè)可調(diào)頻率的裝置。使頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)。用來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)。使轉(zhuǎn)數(shù)在一定的范圍內(nèi)可調(diào)。因此，過去傳統(tǒng)的滑差調(diào)速、直流調(diào)速和變極調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)已逐漸被交流變頻調(diào)速所代替，越來越廣泛的應(yīng)用于自動(dòng)控制、印染、紡織、煙機(jī)生產(chǎn)線及樓宇、冶金、供水等領(lǐng)域。

2、變頻器的基本結(jié)構(gòu)

按主回路電路結(jié)構(gòu)，變頻器有兩種結(jié)構(gòu)形式分別是交-交變頻器和交-直-交變頻器。

（1）交-交變頻器。交-交變頻器，它無中間直流環(huán)節(jié)，將工頻交流直接變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱直接式變頻器。整個(gè)系統(tǒng)由正組整流器和反組整流器組成。按照負(fù)載電流的極性控制系統(tǒng)交替控制兩組反向并聯(lián)的整流器，使正組和反組整流器輪流處于整流和逆變狀態(tài)，從而獲得變頻變流電壓。交-交變頻器的電壓由整流器的控制角來決定。

（2）交-直-交變頻器。交-直-交變頻器，它是先把工頻交流電通過整流器變成直流電，然后再把直流電變換成頻率、電壓均可控制的交流電，它又稱為間接式變頻器。是目前廣泛應(yīng)用的通用型變頻器。交-直-交變頻器其基本構(gòu)成如圖1所示，由整流電路、濾波電路、制動(dòng)電路和逆變電路等組成。

圖1　交-直-交變頻器基本組成

3、變頻器的分類

按直流電源性質(zhì)分類，變頻器有兩類：電壓型變頻器和電流型變頻器。

（1）電壓型變頻器。電壓型變頻器特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件采用大電容，負(fù)載的無功功率將由它來緩沖，主回路直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一種內(nèi)阻抗為零的恒壓源，故稱電壓型變頻器，常選用于負(fù)載電壓變化較大的場(chǎng)合。

（2）電流型變頻器。電流型變頻器特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，緩沖無功功率，直流回路中電流波形比較平直，即扼制電流的變化，使電壓接近正弦波，由于該直流內(nèi)阻較大，故稱電流源型變頻器（電流型）。電流型變頻器的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）是能扼制負(fù)載電流頻繁而急劇的變化。常選用于負(fù)載電流變化較大的場(chǎng)合。

4、變頻器的工作原理

將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置稱為變頻器，它是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用進(jìn)行調(diào)節(jié)改變脈沖列的脈沖寬度或幅度，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出量和波形的，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)電壓和頻率的平滑變化。

它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的中間直流電路，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。交-直-交型變頻器結(jié)構(gòu)見圖1。

（1）整流電路：VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6組成三相不可控整流橋，220V系列采用單相全波整流橋電路；380V系列采用橋式全波整流電路。將市電AC220V/AC380V經(jīng)整流橋堆整流濾波后得到直流母線電壓DC310V/DC540V。

（2）中間濾波電路：由于整流后的電壓為脈動(dòng)電壓，因此需要濾波變?yōu)槠交?；濾波電容的容量根據(jù)變頻器功率的大小均有不同配置。濾波電容除濾波作用外，還有去耦、消除干擾、提高功率因素的作用，因該大電容儲(chǔ)存能量，在斷電的瞬間電容兩端存在高壓電，因而必須在電容充分放電后才可進(jìn)行操作。

（3）限流電路：在上電瞬間濾波電容的充電電流很大（由于儲(chǔ)能電容較大，接入電源時(shí)電容兩端電壓為零），過大的電流會(huì)損壞整流橋二極管，因此為保護(hù)整流橋?qū)⒊潆婋娮璐胫绷髂妇€中以限制充電電流。

（4）逆變電路：變頻器的核心部分。由逆變管V1～V6組成逆變橋，將直流電逆變成頻率、幅值都可調(diào)的交流電。常用逆變模塊有：GTO、GTR、IGBT、BJT、IGCT等，一般都采用模塊化結(jié)構(gòu)有2、4、6單元。

（5）續(xù)流二極管D1～D6：其主要作用有：無功電流返回到直流電源提供通道；V1～V6進(jìn)行逆變過程是同一橋臂兩個(gè)逆變管不停地交替導(dǎo)通和截止，在換相過程中也需要D1～D6提供通路。

（6）緩沖電路。由于逆變管V1～V6每次在狀態(tài)切換（導(dǎo)通和截至）的瞬間，集電極和發(fā)射極極間的電壓將由近乎0V上升到直流電壓值UD，過高的電壓增長率可能會(huì)損壞逆變管，而吸收電容的作用則是降低逆變管V1～V6關(guān)斷時(shí)的電壓增長率，以免損壞逆變管。

（7）制動(dòng)單元。制動(dòng)單元由開關(guān)管與驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，其功能是用來控制放電電流。用來消耗反饋能量的是制動(dòng)電阻。

由于電機(jī)在減速時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速將可能超過此時(shí)的同步轉(zhuǎn)速而處于再生制動(dòng)（發(fā)電）狀態(tài)，拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能將反饋到直流電路中使直流母線的泵升電壓不斷上升，這樣變頻器將會(huì)產(chǎn)生過壓保護(hù)，甚至可能損壞變頻器。因而需將反饋能量利用制動(dòng)電阻消耗掉。

二、變頻器故障分析

變頻器由許多集成IC芯片，電子元器件等組成，其中大部分是由半導(dǎo)體材料制成的，裝置較為復(fù)雜，由于材料性能問題，不可避免的在使用過程中會(huì)出現(xiàn)各種故障，以下簡要探討變頻器一旦出現(xiàn)故障對(duì)其分析及處理。

1、變頻器外部引起的故障

（1）變頻器的工作環(huán)境。由于大多數(shù)電子器件是由半導(dǎo)體材料制成的，溫度是直接影響電子器件壽命及可靠性的重要因素，另外還有潮濕、機(jī)械振動(dòng)、腐蝕性氣體和塵埃等都可能會(huì)造成電子器件性能下降，如氧化、生銹、接觸不良、絕緣降低而形成短路，

（2）外部的電磁感應(yīng)干擾。外部電磁感應(yīng)干擾可能會(huì)引起控制回路誤動(dòng)作，甚至造成工作不正?；蛲C(jī)，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞變頻器。

（3）電源異常。為保證設(shè)備的正常運(yùn)行，變頻器供電電源附近必須遠(yuǎn)離有直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)和電磁爐等設(shè)備，若有應(yīng)和變頻器供電系統(tǒng)分離，減小相互影響。

（4）雷擊、感應(yīng)雷電。變頻器器件損壞的原因也可能是雷擊或感應(yīng)雷擊形成的沖擊電壓造成。

2、變頻器內(nèi)部引起的故障

（1）參數(shù)設(shè)置引起的故障。若變頻器發(fā)生參數(shù)設(shè)置故障，可根據(jù)變頻器故障代碼或產(chǎn)品說明書上的參數(shù)進(jìn)行修改，必要時(shí)可恢復(fù)出廠值，重新設(shè)置。變頻器因參數(shù)發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)多注意電動(dòng)機(jī)參數(shù)、變頻器控制方式和啟動(dòng)方式的設(shè)定的參數(shù)。

（2）過電流和過載。如果變頻器一開電源就報(bào)過流故障，可能是整流橋或逆變管損壞，重新更好整流橋或逆變管即可；如果去掉電動(dòng)機(jī)后故障沒有出現(xiàn)不再報(bào)警，可能是變頻器和電機(jī)間存在斷路；如果運(yùn)行中出現(xiàn)加速時(shí)間設(shè)置過短、重載、機(jī)械卡死或負(fù)載突變也有可能引起過流，應(yīng)從上述可能性中逐一排查。

（3）過電壓和欠電壓。電機(jī)拖動(dòng)大慣性負(fù)載或多電機(jī)拖動(dòng)同一負(fù)載時(shí)由于負(fù)荷分配不均可能引起過電壓；電源電壓過低或缺相、一個(gè)直流母線上的電壓過低或欠壓檢測(cè)元件出現(xiàn)問題可能引起欠電壓，可檢查供電電壓是否正常，更換故障元件或維修相應(yīng)檢測(cè)電路。

（4）過熱故障。變頻器放置地方應(yīng)注意通風(fēng)，以免變頻器周圍環(huán)境溫度而產(chǎn)生故障。

三、變頻器故障處理

變頻器的故障有多方面原因造成，下面以過電壓故障為例進(jìn)行故障分析及探討故障處理的方法。

1、過電壓故障原因

引起中間直流回路過電壓的原因主要有以下兩個(gè)方面：

（1）電源輸入側(cè)的過電壓。電源電壓通常為為380V，一般允許誤差為-5%-+10%，經(jīng)三相橋式全波整流后中間直流的峰值為591V，特殊情況下電源線電壓將會(huì)達(dá)到450V，峰值電壓636V，但也并不算很高，一般電源電壓不會(huì)使變頻器因過電壓而跳閘。電源輸入側(cè)的過電壓實(shí)際上是指電源側(cè)的沖擊過電壓，它主要特點(diǎn)是電壓變化率dv/dt和幅值都很大。例如雷電引起的過電壓和補(bǔ)償電容在合閘或斷開時(shí)形成的過電壓等。

（2）負(fù)載側(cè)的過電壓。負(fù)載側(cè)的過電壓主要是指因某種原因使電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，也就是說電機(jī)處于實(shí)際轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速（由變頻頻率決定）高，因此負(fù)載的傳動(dòng)系統(tǒng)將所儲(chǔ)存的機(jī)械能經(jīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，通過逆變器的6個(gè)續(xù)流二極管回饋到變頻器的中間直流回路中。此時(shí)的逆變器處于整流狀態(tài)，如果變頻器中沒采取消耗這些電能能量的措施，那么中間直流回路的電容器的電壓上升，將會(huì)導(dǎo)致達(dá)到限值而跳閘。

2、過電壓故障處理方法

過電壓故障處理的關(guān)鍵有兩個(gè)方面：一是如何及時(shí)處理中間直流回路多余能量；二是如何避免或減少多余能量向中間直流回路饋送，限定過電壓在允許的范圍之內(nèi)。下面是過電壓故障處理方法。（1）減少過電壓因素的措施是在電源輸入側(cè)增加吸收裝置。（2）在變頻器已經(jīng)設(shè)定的參數(shù)中尋找解決辦法為減速時(shí)間參數(shù)和變頻器減速過電壓自處理功能。（3）通過控制系統(tǒng)功能優(yōu)勢(shì)解決變頻器過電壓問題。（4）采用增加泄放電阻的方法。（5）在輸入側(cè)增加逆變電路的方法。（6）采用增加適當(dāng)電容在中間直流回路上的方法。（7）適當(dāng)降低工頻電源電壓（在條件允許的情況下）。（8）多臺(tái)變頻器共用直流母線的方法。

變頻器中間直流過電壓故障是變頻器的一個(gè)弱點(diǎn)，關(guān)鍵是要分清過電壓故障原因，結(jié)合變頻器本身參數(shù)、控制系統(tǒng)狀況和工藝流程等情況，只要認(rèn)真對(duì)待，采取相應(yīng)措施，該過電壓故障是將會(huì)迎刃而解。

四、結(jié)論

該文重點(diǎn)闡述了變頻器的結(jié)構(gòu)原理及故障原因分析處理的基本方法，以便初步理解變頻器，為以后變頻器在使用過程中提高變頻器的工作性能延長變頻器的使用壽命打下維護(hù)處理基礎(chǔ)，而做好維護(hù)處理的基礎(chǔ)就是理解變頻器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。

參考文獻(xiàn)

［1］周明寶.電力電子技術(shù)［M］.北京：機(jī)制工業(yè)出版社，1985.

［2］劉立.流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)［M］.中國電力出版社，第2版，2007.9.

［3］姚錫祿.變頻器控制技術(shù)入門與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：中國機(jī)械出版社，2009.

［4］張選正，張金遠(yuǎn).變頻器應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)［M］.北京：中國電力出版社，第1版，2006.5.

［5］陳伯時(shí)，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)（第2版）［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［6］陳國呈，周勤利.變頻技術(shù)研究［J］.上海大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院學(xué)報(bào)，1995（6）：23-26.