湛江市技師學(xué)院 項(xiàng)書紅

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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(lái)，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(lái)簡(jiǎn)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)橹绷麟姡缓笥秒娮悠骷?duì)直流電進(jìn)行開(kāi)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(lái)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(guò)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(lái)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(wú)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(lái)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(guò)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(wú)功功率將由它來(lái)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(wú)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(jiàn)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(guò)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(wú)功電流返回到直流電源提供通道；V1～V6進(jìn)行逆變過(guò)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(guò)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(guò)高的電壓增長(zhǎng)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(zhǎng)率，以免損壞逆變管。

（7）制動(dòng)單元。制動(dòng)單元由開(kāi)關(guān)管與驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，其功能是用來(lái)控制放電電流。用來(lái)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(guò)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(guò)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(wèn)題，不可避免的在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種故障，以下簡(jiǎn)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(shuō)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(guò)電流和過(guò)載。如果變頻器一開(kāi)電源就報(bào)過(guò)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(méi)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(guò)短、重載、機(jī)械卡死或負(fù)載突變也有可能引起過(guò)流，應(yīng)從上述可能性中逐一排查。

（3）過(guò)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(guò)電壓；電源電壓過(guò)低或缺相、一個(gè)直流母線上的電壓過(guò)低或欠壓檢測(cè)元件出現(xiàn)問(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)電壓故障原因

引起中間直流回路過(guò)電壓的原因主要有以下兩個(gè)方面：

（1）電源輸入側(cè)的過(guò)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(guò)電壓而跳閘。電源輸入側(cè)的過(guò)電壓實(shí)際上是指電源側(cè)的沖擊過(guò)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(guò)電壓和補(bǔ)償電容在合閘或斷開(kāi)時(shí)形成的過(guò)電壓等。

（2）負(fù)載側(cè)的過(guò)電壓。負(fù)載側(cè)的過(guò)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(shuō)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(guò)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(méi)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(guò)電壓故障處理方法

過(guò)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(guò)電壓在允許的范圍之內(nèi)。下面是過(guò)電壓故障處理方法。（1）減少過(guò)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(guò)電壓自處理功能。（3）通過(guò)控制系統(tǒng)功能優(yōu)勢(shì)解決變頻器過(guò)電壓?jiǎn)栴}。（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(guò)電壓故障是變頻器的一個(gè)弱點(diǎn)，關(guān)鍵是要分清過(guò)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(guò)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(guò)程中提高變頻器的工作性能延長(zhǎng)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。

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