变频器知识汇总:从基础到应用
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  变频技术从20世纪60年代开始发展,其诞生的背景是交流电机无级调速的广泛需求。20世纪80年代变频器技术才逐渐成熟,进入实用化阶段,这期间欧美日垄断了变频器的高端产品市场,步入21世纪后,国产变频器开始崛起,像汇川变频器、英威腾变频器、安邦信变频器、欧瑞变频器等一批知名国产变频器企业逐渐抢占高端市场份额。

  一、基础知识篇

  1 简介

  变频器(Variable-frequencyDrive,缩写:VFD),也称为变频驱动器或驱动控制器,可译作Inverter(和逆变器的英文相同)。变频器是可调速驱动系统的一种,是应用变频驱动技术改变交流电动机工作电压的频率和幅度,来平滑控制交流电动机速度及转矩,最常见的是输入及输出都是交流电的交流/交流转换器。

  在变频器出现之前,要调整电动机转速的应用需透过直流电动机才能完成,不然就是要透过利用内建耦合机的VS电动机,在运转中用耦合机使电动机的实际转速下降,变频器简化了上述的工作,缩小了设备体积,大幅度降低了维修率。不过变频器的电源线及电动机线上面有高频切换的讯号,会造成电磁干扰,而变频器输入侧的功率因素一般不佳,会产生电源端的谐波。

  变频器的应用范围很广,从小型家电到大型的矿场研磨机及压缩机。全球约1/3的能量是消耗在驱动定速离心泵、风扇及压缩机的电动机上,而变频器的市场渗透率仍不算高。能源效率的显著提升是使用变频器的主要原因之一。

  变频器技术和电力电子有密切关系,包括半导体切换元件、变频器拓扑、控制及模拟技术、以及控制硬件及固件的进步等。

  2 工作原理

  2.1概述

  主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波是电感。它由三部分构成,将工频电源变换为直流功率的整流器,吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的平波回路,以及将直流功率变换为交流功率的逆变器。

  2.2整流器

  最近大量使用的是二极管的变流器,它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器,由于其功率方向可逆,可以进行再生运转。

  2.3平波回路

  在整流器整流后的直流电压中,含有电源6倍频率的脉动电压,此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动,采用电感和电容吸收脉动电压(电流)。装置容量小时,如果电源和主电路构成器件有余量,可以省去电感采用简单的平波回路。

  2.4逆变器

  同整流器相反,逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率,以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。

  控制电路是给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的回路,它有频率、电压的运算电路,主电路的电压、电流检测电路,电动机的速度检测电路,将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路,以及逆变器和电动机的保护电路组成。

  (1)运算电路:将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算,决定逆变器的输出电压、频率。

  (2)电压、电流检测电路:与主回路电位隔离检测电压、电流等。

  (3)驱动电路:驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。

  (4)速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号,送入运算回路,根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

  (5)保护电路:检测主电路的电压、电流等,当发生过载或过电压等异常时,为了防止逆变器和异步电动机损坏,使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。

  变频器原理框图

  二、应用篇

  变频器在工程应用中需要注意的几个问题

  1 概述

  随着通用变频器市场的日益繁荣,不包括OEM进口变频器,中国通用变频器年用量超过25亿元人民币,变频器及其附属设备的安装、调试、日常维护及维修工作量剧增,给用户造成重大直接和间接损失。针对造成以上问题的原因,根据大量用户的实际应用情况,从应用环境、电磁干扰与抗干扰、电网质量、电机绝缘等方面进行了分析,提出了一些改进的建议。

  2 工作环境问题

  在变频器实际应用中,由于国内客户除少数有专用机房外,大多为了降低成本,将变频器直接安装于工业现场。工作现场一般是灰尘大、温度高,在南方还有湿度大的问题。对于线缆行业还有金属粉尘,在陶瓷、印染等行业还有腐蚀性气体和粉尘,在煤矿等场合,还有防爆的要求等等。因此必须根据现场情况做出相应的对策。

  2.1变频器的安装设计基本要求

  (1)变频器应该安装在控制柜内部。

  (2)变频器最好安装在控制柜内的中部;变频器要垂直安装,正上方和正下方要避免安装可能阻挡排风、进风的大元件。

  (3)变频器上、下部边缘距离控制柜顶部、底部、或者隔板、或者必须安装的大元件等的最小间距,应该大于300mm。

  柜内安装变频器的基本要求

  (4)如果特殊用户在使用中需要取掉键盘,则变频器面板的键盘孔,一定要用胶带严格密封或者采用假面板替换,防止粉尘大量进入变频器内部。

  (5)对变频器要进行定期维护,及时清理内部的粉尘等。

  (6)其它的基本安装、使用要求必须遵守用户手册上的有关说明;如有疑问请及时联系相应厂家技术支持人员。

  2.2防尘控制柜的设计要求

  在多粉尘场所,特别是多金属粉尘、絮状物的场所使用变频器时,采取正确、合理的防护措施是十分必要的,防尘措施得当对保证变频器正常工作非常重要。总体要求控制柜整体应该密封,应该通过专门设计的进风口、出风口进行通风;控制柜顶部应该有防护网和防护顶盖出风口;控制柜底部应该有底板和进风口、进线孔,并且安装防尘网。

  (1)控制柜的风道要设计合理,排风通畅,避免在柜内形成涡流,在固定的位置形成灰尘堆积。

  (2)控制柜顶部出风口上面要安装防护顶盖,防止杂物直接落入;防护顶盖高度要合理,不影响排风。防护顶盖的侧面出风口要安装防护网,防止絮状杂物直接落入。

  (3)如果采用控制柜顶部侧面排风方式,出风口必须安装防护网。

  (4)一定要确保控制柜顶部的轴流风机旋转方向正确,向外抽风。如果风机安装在控制柜顶部的外部,必须确保防护顶盖与风机之间有足够的高度;如果风机安装在控制柜顶部的内部,安装所需螺钉必须采用止逆弹件,防止风机脱落造成柜内元件和设备的损坏。建议在风机和柜体之间加装塑料或者橡胶减振垫圈,可以大大减小风机震动造成的噪音。

  (5)控制柜的前、后门和其他接缝处,要采用密封垫片或者密封胶进行一定的密封处理,防止粉尘进入。

  (6)控制柜底部、侧板的所有进风口、进线孔,一定要安装防尘网。阻隔絮状杂物进入。防尘网应该设计为可拆卸式,以方便清理、维护。防尘网的网格要小,能够有效阻挡细小絮状物(与一般家用防蚊蝇纱窗的网格相仿);或者根据具体情况确定合适的网格尺寸。防尘网四周与控制柜的结合处要处理严密。

  (7)对控制柜一定要进行定期维护,及时清理内部、外部的粉尘、絮毛等杂物。维护周期可根据具体情况而定,但应该小于2~3个月;对于粉尘严重的场所,建议维护周期在1个月左右。

  防尘控制柜的安装要求

  2.3防潮湿霉变的控制柜的设计要求

  多数变频器厂家内部的印制板、金属结构件均未进行防潮湿霉变的特殊处理,如果变频器长期处于这种状态,金属结构件容易产生锈蚀,对于导电铜排在高温运行情况下,更加剧了锈蚀的过程。对于微机控制板和驱动电源板上的细小铜质导线,由于锈蚀将造成损坏,因此,对于应用于潮湿和和含有腐蚀性气体的场合,必须对于使用变频器的内部设计有基本要求,例如印刷电路板必须采用三防漆喷涂处理,对于结构件必须采用镀镍铬等处理工艺。除此之外,还需要采取其它积极、有效、合理的防潮湿、防腐蚀气体的措施

  (1)控制柜可以安装在单独的、密闭的采用空调的机房,此方法适用控制设备较多,建立机房的成本低于柜体单独密闭处理的场合,此时控制柜可以采用如上防尘或者一般环境设计即可。

  (2)采用独立进风口。单独的进风口可以设在控制柜的底部,通过独立密闭地沟与外部干净环境连接,此方法需要在进风口处安装一个防尘网,如果地沟超过5m以上时,可以考虑加装鼓风机。

  (3)密闭控制柜内可以加装吸湿的干燥剂或者吸附毒性气体的活性材料,并近期更换。

  3 干扰问题

  3.1变频器对微机控制板的干扰

  在注塑机、电梯等的控制系统中,多采用微机或者PLC进行控制,在系统设计或者改造过程中,一定要注意变频器对微机控制板的干扰问题。由于用户自己设计的微机控制板一般工艺水平差,不符合EMC国际标准,在采用变频器后,产生的传导和辐射干扰,往往导致控制系统工作异常,因此需要采取必要措施。

  (1)良好的接地。电机等强电控制系统的接地线必须通过接地汇流排可靠接地,微机控制板的屏蔽地,最好单独接地。对于某些干扰严重的场合,建议将传感器、I/O接口屏蔽层与控制板的控制地相连[3]。

  (2)给微机控制板输入电源加装EMI滤波器、共模电感、高频磁环等,成本低。可以有效抑制传导干扰。另外在辐射干扰严重的场合,如周围存在GSM、或者小灵通机站时,可以对微机控制板添加金属网状屏蔽罩进行屏蔽处理。

  微机控制板的电源抗干扰措施

  (3)给变频器输入加装EMI滤波器,可以有效抑制变频器对电网的传导干扰,加装输入交流和直流电抗器L1、L2,可以提高功率因数,减小谐波污染,综合效果好。在某些电机与变频器之间距离超过100m的场合,需要在变频器侧添加交流输出电抗器L3,解决因为输出导线对地分布参数造成的漏电流保护和减少对外部的辐射干扰。一个行之有效的方法就是采用钢管穿线或者屏蔽电缆的方法,并将钢管外壳或者电缆屏蔽层与大地可靠连接。请注意,在不添加交流输出电抗器L3时,如果采用钢管穿线或者屏蔽电缆的方法,增大了输出对地的分布电容,容易出现过流。当然在实际中一般只采取其中的一种或者几种方法。

  减小变频器对外部控制设备的干扰措施

  (4)对模拟传感器检测输入和模拟控制信号进行电气屏蔽和隔离。在变频器组成的控制系统设计过程中,建议尽量不要采用模拟控制,特别是控制距离大于1M,跨控制柜安装的情况下。因为变频器一般都有多段速设定、开关频率量输入输出,可以满足要求。如果非要用模拟量控制时,建议一定采用屏蔽电缆,并在传感器侧或者变频器侧实现远端一点接地。如果干扰仍旧严重,需要实现DC/DC隔离措施。可以采用标准的DC/DC模块,或者采用V/F转换,光藕隔离再采用频率设定输入的方法。

  3.2变频器本身抗干扰问题

  当变频器的供电系统附近,存在高频冲击负载如电焊机、电镀电源、电解电源或者采用滑环供电的场合,变频器本身容易因为干扰而出现保护。建议用户采用如下措施:

  (1)在变频器输入侧添加电感和电容,构成LC滤波网络。

  (2)变频器的电源线直接从变压器侧供电。

  (3)在条件许可的情况下,可以采用单独的变压器。

  (4)在采用外部开关量控制端子控制时,连接线路较长时,建议采用屏蔽电缆。当控制线路与主回路电源均在地沟中埋设时,除控制线必须采用屏蔽电缆外,主电路线路必须采用钢管屏蔽穿线,减小彼此干扰,防止变频器的误动作。

  (5)在采用外部模拟量控制端子控制时,如果连接线路在1M以内,采用屏蔽电缆连接,并实施变频器侧一点接地即可;如果线路较长,现场干扰严重的场合,建议在变频器侧加装DC/DC隔离模块或者采用经过V/F转换,采用频率指令给定模式进行控制。

  (6)在采用外部通信控制端子控制时,建议采用屏蔽双绞线,并将变频器侧的屏蔽层接地(PE),如果干扰非常严重,建议将屏蔽层接控制电源地(GND)。对于RS232通信方式,注意控制线路尽量不要超过15m,如果要加长,必须随之降低通信波特率,在100m左右时,能够正常通信的波特率小于600bps。对于RS485通信,还必须考虑终端匹配电阻等。对于采用现场总线的高速控制系统,通信电缆必须采用专用电缆,并采用多点接地的方式,才能够提高可靠性。

  4 电网质量问题

  在高频冲击负载如电焊机、电镀电源、电解电源等场合,电压经常出现闪变;在一个车间中,有几百台变频器等容性整流负载在工作时,电网的谐波非常大,对于电网质量有很严重的污染,对设备本身也有相当的破坏作用,轻则不能够连续正常运行,重则造成设备输入回路的损坏。可以采取以下的措施:

  集中整流的直流共母线供电方式

  (1)在高频冲击负载如电焊机、电镀电源、电解电源等场合建议用户增加无功静补装置,提高电网功率因数和质量。

  (2)在变频器比较集中的车间,建议采用集中整流,直流共母线供电方式。建议用户采用12脉冲整流模式。优点是,谐波小、节能,特别适用于频繁起制动、电动运行与发电运行同时进行的场合。

  (3)变频器输入侧加装无源LC滤波器,减小输入谐波,提高功率因数,成本较低,可靠性高,效果好。

  (4)变频器输入侧加装有源PFC装置,效果最好,但成本较高。

  5 电机的漏电、轴电压与轴承电流问题

  变频器驱动感应电机的电机模型,Csf为定子与机壳之间的等效电容,Csr为定子与转子之间的等效电容,Crf为转子与机壳之间的等效电容,Rb为轴承对轴的电阻;Cb和Zb为轴承油膜的电容和非线性阻抗。

  高频PWM脉冲输入下,电机内分布电容的电压耦合作用构成系统共模回路,从而引起对地漏电流、轴电压与轴承电流问题。

  漏电流主要是PWM三相供电电压极其瞬时不平衡电压与大地之间通过Csf产生。其大小与PWM的dv/dt大小与开关频率大小有关,其直接结果将导致带有漏电保护装置动作。另外,对于旧式电机,由于其绝缘材料差,又经过长期运行老化,有些在经过变频改造后造成绝缘损坏。因此,建议在改造前,必须进行绝缘的测试。对于新的变频电机的绝缘,要求要比标准电机高出一个等级。

  轴承电流主要以三种方式存在:dv/dt电流、EDM(ElectricDischargeMachining)电流和环路电流。轴电压的大小不仅与电机内各部分耦合电容参数有关,且与脉冲电压上升时间和幅值有关。dv/dt电流主要与PWM的上升时间tr有关,tr越小,dv/dt电流的幅值越大;逆变器载波频率越高,轴承电流中的dv/dt电流成分越多。EDM电流出现存在一定的偶然性,只有当轴承润滑油层被击穿或者轴承内部发生接触时,存储在电子转子对地电容Crf上的电荷(1/2CrfUrf)通过轴承等效回路Rb、Cb和Zb对地进行火花式放电,造成轴承光洁度下降,降低使用寿命,严重地造成直接损坏。损坏程度主要取决于轴电压和存储在电子转子对地电容Crf的大小。

  环路电流发生在电网变压器地线、变频器地线、电机地线及电机负载与大地地线之间的回路(如水泵类负载)中。环路电流主要造成传导干扰和地线干扰,对变频器和电机影响不大。避免或者减小环流的方法就是尽可能减小地线回路的阻抗。由于变频器接地线(PE变频器)一般与电机接地线(PE电机1)连接在一个点,因此,必须尽可能加粗电机接地电缆线径,减小两者之间的电阻,同时变频器与电源之间的地线采用地线铜母排或者专用接地电缆,保证良好接地。对于潜水深井泵这样的负载,接地阻抗ZE电机2可能小于ZE变压器与ZE变频器之和,容易形成地环流,建议断开ZE变频器,抗干扰效果好。

  在变频器输出端串由电感、RC组成的正弦波滤波器是抑制轴电压与轴承电流的有效途径。目前有多家厂家可提供标准滤波器。

  三、常见故障篇

  1 过流(OC)

  过流是变频器报警最为频繁的现象。

  1、现象

  (1)重新启动时,一升速就跳闸。这是过电流十分严重的现象。主要原因有:负载短路,机械部位有卡住;逆变模块损坏;电动机的转矩过小等现象引起。

  (2)上电就跳,这种现象一般不能复位,主要原因有:模块坏、驱动电路坏、电流检测电路坏。

  (3)重新启动时并不立即跳闸而是在加速时,主要原因有:加速时间设置太短、电流上限设置太小、转矩补偿(V/F)设定较高。

  实例

  (1)一台LG-IS3-43.7kW变频器一启动就跳OC

  分析与维修:打开机盖没有发现任何烧坏的迹象,在线测量IGBT(7MBR25NF-120)基本判断没有问题,为进一步判断问题,把IGBT拆下后测量7个单元的大功率晶体管开通与关闭都很好。在测量上半桥的驱动电路时发现有一路与其他两路有明显区别,经仔细检查发现一只光耦A3120输出脚与电源负极短路,更换后三路基本一样。模块装上上电运行一切良好。

  (2)一台BELTRO-VERT2.2kW变频通电就跳OC且不能复位。

  分析与维修:首先检查逆变模块没有发现问题。其次检查驱动电路也没有异常现象,估计问题不在这一块,可能出在过流信号处理这一部位,将其电路传感器拆掉后上电,显示一切正常,故认为传感器已坏,找一新品换上后带负载实验一切正常。

  2 过压(OU)

  过电压报警一般是出现在停机的时候,其主要原因是减速时间太短或制动电阻及制动单元有问题。

  实例

  一台台安N2系列3.7kW变频器在停机时跳OU。

  分析与维修:在修这台机器之前,首先要搞清楚OU报警的原因何在,这是因为变频器在减速时,电动机转子绕组切割旋转磁场的速度加快,转子的电动势和电流增大,使电机处于发电状态,回馈的能量通过逆变环节中与大功率开关管并联的二极管流向直流环节,使直流母线电压升高所致,所以我们应该着重检查制动回路,测量放电电阻没有问题,在测量制动管(ET191)时发现已击穿,更换后上电运行,且快速停车都没有问题。

  3 欠压(Uu)

  欠压也是我们在使用中经常碰到的问题。主要是因为主回路电压太低(220V系列低于200V,380V系列低于400V),主要原因:整流桥某一路损坏或可控硅三路中有工作不正常的都有可能导致欠压故障的出现,其次主回路接触器损坏,导致直流母线电压损耗在充电电阻上面有可能导致欠压.还有就是电压检测电路发生故障而出现欠压问题。

  举例

  (1)一台CT18.5kW变频器上电跳Uu。

  分析与维修:经检查这台变频器的整流桥充电电阻都是好的,但是上电后没有听到接触器动作,因为这台变频器的充电回路不是利用可控硅而是靠接触器的吸合来完成充电过程的,因此认为故障可能出在接触器或控制回路以及电源部分,拆掉接触器单独加24V直流电接触器工作正常。继而检查24V直流电源,经仔细检查该电压是经过LM7824稳压管稳压后输出的,测量该稳压管已损坏,找一新品更换后上电工作正常。

  (2)一台DANFOSSVLT5004变频器,上电显示正常,但是加负载后跳DCLINKUNDERVOLT(直流回路电压低)。

  分析与维修:这台变频器从现象上看比较特别,但是你如果仔细分析一下问题也就不是那么复杂,该变频器同样也是通过充电回路,接触器来完成充电过程的,上电时没有发现任何异常现象,估计是加负载时直流回路的电压下降所引起,而直流回路的电压又是通过整流桥全波整流,然后由电容平波后提供的,所以应着重检查整流桥,经测量发现该整流桥有一路桥臂开路,更换新品后问题解决。

  4 过热(OH)

  过热也是一种比较常见的故障,主要原因:周围温度过高,风机堵转,温度传感器性能不良,马达过热。

  举例

  一台ABBACS50022kW变频器客户反映在运行半小时左右跳OH。

  分析与维修:因为是在运行一段时间后才有故障,所以温度传感器坏的可能性不大,可能变频器的温度确实太高,通电后发现风机转动缓慢,防护罩里面堵满了很多棉絮(因该变频器是用在纺织行业),经打扫后开机风机运行良好,运行数小时后没有再跳此故障。

  5 输出不平衡

  输出不平衡一般表现为马达抖动,转速不稳,主要原因:模块坏,驱动电路坏,电抗器坏等。

  举例

  一台富士G9S11KW变频器,输出电压相差100V左右。

  分析与维修:打开机器初步在线检查逆变模块(6MBI50N-120)没发现问题,测量6路驱动电路也没发现故障,将其模块拆下测量发现有一路上桥大功率晶体管不能正常导通和关闭,该模块已经损坏,经确认驱动电路无故障后更换新品后一切正常。

  6 过载

  过载也是变频器跳动比较频繁的故障之一,平时看到过载现象我们其实首先应该分析一下到底是马达过载还是变频器自身过载,一般来讲马达由于过载能力较强,只要变频器参数表的电机参数设置得当,一般不大会出现马达过载.而变频器本身由于过载能力较差很容易出现过载报警.我们可以检测变频器输出电压。

  7 开关电源损坏

  这是众多变频器最常见的故障,通常是由于开关电源的负载发生短路造成的,丹佛斯变频器采用了新型脉宽集成控制器UC2844来调整开关电源的输出,同时UC2844还带有电流检测,电压反馈等功能,当发生无显示,控制端子无电压,DC12V,24V风扇不运转等现象时我们首先应该考虑是否开关电源损坏了。

  8 SC故障

  SC故障是安川变频器较常见的故障。IGBT模块损坏,这是引起SC故障报警的原因之一。此外驱动电路损坏也容易导致SC故障报警。安川在驱动电路的设计上,上桥使用了驱动光耦PC923,这是专用于驱动IGBT模块的带有放大电路的一款光耦,安川的下桥驱动电路则是采用了光耦PC929,这是一款内部带有放大电路,及检测电路的光耦。此外电机抖动,三相电流,电压不平衡,有频率显示却无电压输出,这些现象都有可能是IGBT模块损坏。IGBT模块损坏的原因有多种,首先是外部负载发生故障而导致IGBT模块的损坏如负载发生短路,堵转等。其次驱动电路老化也有可能导致驱动波形失真,或驱动电压波动太大而导致IGBT损坏,从而导致SC故障报警。

  9 GF接地故障

  接地故障也是平时会碰到的故障,在排除电机接地存在问题的原因外,最可能发生故障的部分就是霍尔传感器了,霍尔传感器由于受温度,湿度等环境因数的影响,工作点很容易发生飘移,导致GF报警。

  10 限流运行

  在平时运行中我们可能会碰到变频器提示电流极限。对于一般的变频器在限流报警出现时不能正常平滑的工作,电压(频率)首先要降下来,直到电流下降到允许的范围,一旦电流低于允许值,电压(频率)会再次上升,从而导致系统的不稳定。丹佛斯变频器采用内部斜率控制,在不超过预定限流值的情况下寻找工作点,并控制电机平稳地运行在工作点,并将警告信号反馈客户,依据警告信息我们再去检查负载和电机是否有问题。

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