張博源

（北京市京密引水管理處，北京 101400）

目前，就電氣工程的控制方面來(lái)看，變頻器的工作原理清晰，在具體的控制過(guò)程中控制效果理想。利用變頻器來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，對(duì)變頻器的使用和維護(hù)是非常有必要的，能夠保持變頻器運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高變頻器的質(zhì)量，從而取得良好的使用效果。

1 變頻器的工作原理及選擇

1.1 變頻器工作原理

變頻器的電路主要由控制電路和主電路共同組成。整流器主要用于調(diào)節(jié)電流，將交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源。變頻器主要由人機(jī)界面、CPU和監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成，其中控制系統(tǒng)是通過(guò)各部件之間的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其工作原理，如圖1所示。

圖1 變頻器工作原理圖

1.2 變頻器選擇原則

變頻器是一種節(jié)能裝置，但并不適合驅(qū)動(dòng)所有的裝置。在工程設(shè)計(jì)或設(shè)備改造中，變頻器的選擇應(yīng)以了解被驅(qū)動(dòng)設(shè)備的負(fù)載特性和各種變頻器的性能和質(zhì)量為基礎(chǔ)。變頻器的選擇不僅與電機(jī)的結(jié)構(gòu)和容量有關(guān)，還與電機(jī)所承載的負(fù)載類型有關(guān)，這直接關(guān)系到電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。一般的選擇原則是，功能特性可以在可靠性的基礎(chǔ)上保證更好的性價(jià)比。

雖然變頻器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代家用電器和工程電器中，但是很多驅(qū)動(dòng)設(shè)備無(wú)法與之匹配，需要掌握不同形狀的變頻器及其在不同條件下的具體性能和質(zhì)量依據(jù)，以滿足不同驅(qū)動(dòng)設(shè)備的負(fù)載要求。變頻器的選擇與所控制設(shè)備負(fù)載的性能曲線密切相關(guān)，要根據(jù)不同的負(fù)載特性和機(jī)械效率，選擇相應(yīng)的變頻器。在使用變頻器時(shí)，必須考慮電流、電壓和設(shè)備的匹配。

變頻器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得變頻器電機(jī)線上產(chǎn)生的變頻信號(hào)容易引起電磁干擾，故而使用變頻器時(shí)要注意環(huán)境。采用變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的變頻器，結(jié)合其在電氣設(shè)備中的應(yīng)用，對(duì)工作環(huán)境有著特殊的要求，在使用變頻器時(shí)還要考慮散熱需要。

1.3 變頻器選擇方法

接下來(lái)根據(jù)不同的電機(jī)結(jié)構(gòu)選擇變頻器的方法。

（1）籠型異步電機(jī)。與頻率電源相比，變頻器提供的電流是脈動(dòng)電流，其脈動(dòng)值大于頻率電源提供的電流。此外，由于輸出電壓和電流受到諧波信號(hào)的影響，降低了電機(jī)的效率和功率因數(shù)，電流會(huì)增加10%左右，因此在選用搭配籠型異步電動(dòng)機(jī)的變頻器時(shí)，其額定電流應(yīng)大于標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)的額定電流。

（2）變極電機(jī)。當(dāng)變頻器用于控制變極電機(jī)時(shí)，可以通過(guò)更換導(dǎo)線的方式實(shí)現(xiàn)。變極電機(jī)采用變頻器控制時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①如果在操作過(guò)程中轉(zhuǎn)換極數(shù)，則必須在切換前停止運(yùn)行電機(jī)。否則，電機(jī)在切換時(shí)將會(huì)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，產(chǎn)生大電流，這段時(shí)間可能會(huì)造成變頻器的損壞。此外，變頻器的過(guò)電流保護(hù)會(huì)使電機(jī)自由停車，無(wú)法繼續(xù)工作。②變極電機(jī)的尺寸大小比通用電機(jī)大，電流也大。對(duì)此，有必要選擇大容量的串聯(lián)變頻器。③將變頻電源中的變極電機(jī)改為變頻器控制時(shí)，會(huì)限制旋轉(zhuǎn)部件的強(qiáng)度和軸承壽命。

（3）帶制動(dòng)器的電機(jī)。在生產(chǎn)設(shè)備中，為了定位電機(jī)、安全停車并在停車期間保持電機(jī)靜止，必須使用帶機(jī)械制動(dòng)器的電機(jī)。一般情況下，盤式制動(dòng)器有兩種，分別為交流電磁鐵和直流電磁鐵。使用變頻器驅(qū)動(dòng)制動(dòng)器電機(jī)時(shí)，需要注意制動(dòng)電源必須連接到變頻器輸入端子，不能像電動(dòng)機(jī)一樣連接到變頻器的輸出端。當(dāng)制動(dòng)電機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)，必須充分注意從高于工頻的頻率啟動(dòng)制動(dòng)。最好在變頻器或所選部件的制動(dòng)單元中使用再生制動(dòng)電路，將其降低到低于電源頻率的頻率，然后使用制動(dòng)器制動(dòng)。

2 變頻器在恒壓變頻供水系統(tǒng)的應(yīng)用

在變頻器的使用中，恒壓變頻供水系統(tǒng)具有十分明顯的效果。接下來(lái)對(duì)筆者所在單位的恒壓變頻供水系統(tǒng)中的變頻器進(jìn)行分析。

恒壓變頻供水系統(tǒng)充分集成了PLC控制技術(shù)、變頻控制技術(shù)、電動(dòng)泵組控制技術(shù)等現(xiàn)代化新技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)原理，在遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)中，通過(guò)壓力表對(duì)泵出口管上的電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；電壓信號(hào)由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換以獲得數(shù)字量，然后發(fā)送到PLC；在PLC內(nèi)部執(zhí)行PID操作后，輸出參考值；將參考值轉(zhuǎn)換后得到模擬值，再將模擬值傳送給變頻器，控制其輸出頻率的變化。其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行中的水泵數(shù)量取決于所用的水量。當(dāng)用戶用水量較小時(shí)，水泵的工作方式為變頻。當(dāng)用戶用水量增加時(shí)，泵的工作頻率也會(huì)隨著用水量的增加而增加。恒壓變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性是傳統(tǒng)供水系統(tǒng)無(wú)法比擬的。管網(wǎng)中的壓力能保持在一定值，從而達(dá)到節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地的目的。即使變頻器發(fā)生故障，也能保證系統(tǒng)供水，排除故障后依然能達(dá)到自動(dòng)啟動(dòng)的目的，具有一定的先進(jìn)性。在地下水的抽取工程中，利用變頻器控制供水系統(tǒng)的水壓，根據(jù)變頻器的特點(diǎn)對(duì)變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，使恒壓供水系統(tǒng)能夠滿足需要。

在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，PLC通過(guò)輸出端口控制變頻器的啟動(dòng)。當(dāng)壓力值低于設(shè)定值，管道中的水由水泵返回，同時(shí)電磁閥將處于關(guān)閉狀態(tài)，以保證不會(huì)發(fā)生回流現(xiàn)象。當(dāng)有大量的用戶同時(shí)用水，短時(shí)間內(nèi)的用水量會(huì)急劇增加，水管水壓會(huì)不斷降低，此時(shí)需要通過(guò)控制PLC的頻率來(lái)確保水流量滿足短時(shí)間內(nèi)大量用水的需求，保證設(shè)備能夠正常運(yùn)行。如果出現(xiàn)供水水管內(nèi)的壓力一直處于較低水平的情況，PLC將自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器進(jìn)行輪換工作，保證兩臺(tái)水泵在高負(fù)載的情況下能夠交替使用，從而不影響泵的壽命，盡量保證在一臺(tái)泵獨(dú)立工作幾個(gè)小時(shí)后，能夠在最短的時(shí)間內(nèi)更換另一臺(tái)泵，實(shí)現(xiàn)供水的連續(xù)性。

當(dāng)用戶用水量太小，導(dǎo)致壓力超過(guò)預(yù)定值時(shí)，技術(shù)人員會(huì)進(jìn)行處理。具體的處理方法是先估計(jì)壓力值。如果壓力值在短時(shí)間內(nèi)低于預(yù)定值，就能夠?qū)崿F(xiàn)供水系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。如果壓力值始終高于預(yù)定值，員工將暫停供水泵，讓蓄能器中存在流量輸出，當(dāng)水壓低于設(shè)定值時(shí)再進(jìn)行供水。

故障診斷中采用軟件控制。如果發(fā)生故障，故障報(bào)告結(jié)果將會(huì)被直接顯示在觸摸屏上，并伴有報(bào)警聲，并自動(dòng)切斷電源、停泵。如果PLC控制信號(hào)使水泵旋轉(zhuǎn)，但電流傳感模塊感測(cè)不到電路中的電流，則說(shuō)明水泵處于開(kāi)路狀態(tài)。該功能可以幫助維修人員及時(shí)、準(zhǔn)確地找到供水系統(tǒng)的故障點(diǎn)，進(jìn)一步提高居民生活用水的安全穩(wěn)定性。

3 變頻器的維護(hù)

對(duì)變頻器進(jìn)行維護(hù)能夠有效延長(zhǎng)其使用壽命。變頻器的運(yùn)行維護(hù)主要包括以下兩個(gè)方面。

3.1 變頻器的日常維護(hù)

變頻器的日常維護(hù)是在一定的環(huán)境下進(jìn)行的，受到多種環(huán)境因素的影響，包括濕度、溫度、氣體和粉塵等。

（1）濕度。過(guò)高或過(guò)低的濕度都會(huì)嚴(yán)重影響變頻器的絕緣效果，變頻器工作環(huán)境的濕度應(yīng)保持在40%～90%。如果低于此范圍，應(yīng)將空氣送入變頻器所在的配電箱；如果高于此范圍，應(yīng)在配電箱附近放置吸濕劑。

（2）溫度。一般情況下，變頻器的使用范圍為-10～50℃。如果在這個(gè)范圍之外工作，會(huì)影響變頻器的使用效果。另外，需要記錄變頻器的三相電流和電壓，最好2周檢查一次，通過(guò)比較數(shù)據(jù)以確定變頻器的平穩(wěn)運(yùn)行。還應(yīng)注意變頻器的散熱情況。溫度過(guò)高會(huì)造成變頻器的不良工作狀態(tài)，如果溫度記錄過(guò)高，應(yīng)及時(shí)檢查散熱器的狀況。

（3）煤氣和灰塵。如果變頻器環(huán)境中存在不必要的氣體和粉塵，將影響變頻器的正常運(yùn)行，故有必要并采取相應(yīng)的技術(shù)措施，避免氣體和粉塵對(duì)變頻器的影響。

（4）日常檢查。運(yùn)行過(guò)程中，要對(duì)變頻器的各項(xiàng)因素進(jìn)行日常檢查，檢查中應(yīng)特別注意周圍環(huán)境是否清潔、電線是否外露等。

3.2 變頻器的定期維護(hù)

變頻器使用過(guò)程中，要定期檢查其使用情況。用戶應(yīng)每3～6個(gè)月對(duì)變頻器進(jìn)行定期檢查。定期檢查時(shí)，應(yīng)提前停止變頻器，切斷外部電源，拆除外殼。

（1）定期除塵。變頻器運(yùn)行一段時(shí)間后，需要進(jìn)行除塵處理。變頻器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及的元件很多。為了徹底除塵，必須拆卸變頻器進(jìn)行吹灰處理。對(duì)于難以清除的灰塵，可用刷子刷掉；對(duì)于易受粉塵影響的敏感部件，應(yīng)提高除塵頻率。還要定期清洗散熱器，有效防止散熱器因積灰堵塞而過(guò)熱損壞。變頻器的除塵工作應(yīng)定期、及時(shí)進(jìn)行，每季度的除塵工作應(yīng)在前3周內(nèi)進(jìn)行。

（2）定期更換老化零件。在使用過(guò)程中，要定期檢查各部件的狀態(tài)，及時(shí)更換故障或運(yùn)行不良的部件，保證變頻器的正常運(yùn)行。

4 變頻器常見(jiàn)故障及處理

變頻器在使用過(guò)程中常見(jiàn)的故障有電壓故障、電流故障以及過(guò)載故障等。當(dāng)變頻器故障報(bào)警時(shí)，首先要考慮參數(shù)設(shè)計(jì)，并通過(guò)通電檢測(cè)檢查參數(shù)設(shè)置。但變頻器故障源較多，在變頻器運(yùn)行過(guò)程中難以檢測(cè)，為此需要采用非常規(guī)的方法檢測(cè)。

目前，市場(chǎng)中變頻器的種類繁多，但它們的故障具有一定的共性。大致可分為以下三種：

（1）過(guò)電壓故障：當(dāng)電壓不足時(shí)，要檢查變頻器的接觸器和整流器是否損壞，然后檢查電路系統(tǒng)的負(fù)載啟動(dòng)問(wèn)題。

（2）過(guò)電流故障：檢查需要變頻的設(shè)備內(nèi)部是否存在問(wèn)題，然后再檢查變頻器是否損壞。

（3）過(guò)載故障：設(shè)置熱繼電器保護(hù)值和轉(zhuǎn)矩升壓量，最終消除變頻器的過(guò)載故障。

在變頻器故障維修中，對(duì)整個(gè)變頻器進(jìn)行負(fù)載測(cè)試也是非常重要的，是保證維修效果的不容忽視的重要環(huán)節(jié)。

5 結(jié)論

目前，變頻器是應(yīng)用十分廣泛的一類電氣件。在應(yīng)用變頻器的過(guò)程中，首先要了解各種變頻器的性能和質(zhì)量，熟悉驅(qū)動(dòng)設(shè)備的負(fù)載特性。使用變頻器時(shí)，必須了解和掌握各種常見(jiàn)故障的原因、判斷方法，采用相應(yīng)的措施對(duì)變頻器進(jìn)行合理使用和維護(hù)，這樣不僅能充分發(fā)揮變頻器的最大效率，還有利于設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。