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變頻調(diào)速器的常見(jiàn)故障分析和預(yù)防措施
變頻調(diào)速器的常見(jiàn)故障分析和預(yù)防措施
近年來(lái),，隨著微電子技術(shù)及IGBT功率期間的迅速發(fā)展,，作為交流電機(jī)主要調(diào)速方式的變頻調(diào)速技術(shù)也獲得了發(fā)展。尤其是矢量控制變頻器,，以其優(yōu)異的控制性能在調(diào)速領(lǐng)域獨(dú)樹(shù)一幟,，在港口機(jī)械、冶金,、造紙,、電梯等多個(gè)領(lǐng)域得到迅速推廣。日本,，歐美等變頻技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家,，均承認(rèn)以進(jìn)入AC（交流）時(shí)代。我國(guó)港口機(jī)械設(shè)備中的場(chǎng)橋（RTG）、門(mén)座式起重機(jī),、裝卸橋（C/C）也廣泛使用了變頻調(diào)速器,，從37kW到440kW均有應(yīng)用實(shí)例,。隨著使用數(shù)量的不斷增加,，也遇到了故障維修問(wèn)題。我公司于1997年對(duì)4臺(tái)門(mén)機(jī)的變幅及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了變頻調(diào)速改造,，經(jīng)過(guò)一年多的實(shí)際運(yùn)行,，下面就變頻器的常見(jiàn)故障及預(yù)防措施進(jìn)行分析及探討。
一,、變頻器的主要故障原因及預(yù)防措施
由于使用方法不正確或設(shè)置環(huán)境不合理,，將容易造成變頻器誤動(dòng)作及發(fā)生故障，或者無(wú)法滿足預(yù)期的運(yùn)行效果,，為防患于未然,，事先對(duì)故障原因進(jìn)行認(rèn)真分析顯得尤為重要。圖1所示為變頻器硬件回路框圖,。
1,、外部的電磁感應(yīng)干擾
如果變頻器周?chē)嬖诟蓴_源，它們將通過(guò)輻射或電源線侵入變頻器的內(nèi)部,，引起控制回路誤動(dòng)作,，造成工作不正常或停機(jī),，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞變頻器,。提高變頻器自身的抗干擾能力固然重要，但由于受裝置成本限制,，在外部采取噪聲抑制措施,，消除干擾源顯得更合理，更必要,。以下幾項(xiàng)措施是對(duì)噪聲干擾實(shí)行“三不"原則的具體方法,。
（1）變頻器周?chē)欣^電器、接觸器的控制線圈上需加裝防止沖擊電壓的吸收裝置,，如RC吸收器,。
（2）盡量縮短控制回路的配線距離，并使其與主線路分離,。
（3）采用屏蔽線的回路,，必須按規(guī)定進(jìn)行，若線路較長(zhǎng),，應(yīng)采用合理的中繼方式,。
（4）變頻器接地端子應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行，不能同電焊，動(dòng)力接地混用,。
（5）變頻器輸入端安裝噪聲濾波器,，避免由電源進(jìn)線引入干擾。
以上即為不輸出干擾,、不傳送干擾,、不接受干擾的“三不"原則。
2,、安裝環(huán)境
變頻器屬于電子器件裝置,，在其規(guī)格書(shū)中有詳細(xì)安裝使用環(huán)境的要求。在特殊情況下,，若確實(shí)無(wú)法滿足這些要求,，必須盡量采用相應(yīng)抑制措施。
（1）振動(dòng)是對(duì)電子器件造成機(jī)械損傷的主要原因,。對(duì)于振動(dòng)沖擊較大的場(chǎng)合,，應(yīng)采用橡膠等避振措施。
（2）潮濕,、腐蝕性氣體及塵埃等將造成電子器件生銹,、接觸不良、絕緣降低而形成短路,。作為防范措施,，應(yīng)對(duì)控制板進(jìn)行防腐防塵處理，并進(jìn)量采用封閉式結(jié)構(gòu),。
（3）溫度是影響電子器件壽命及可靠性的重要因素,，特別是半導(dǎo)體器件，若結(jié)溫超過(guò)規(guī)定值將立刻造成器件損壞,，因此應(yīng)根據(jù)裝置要求的環(huán)境條件安裝空調(diào)或避免日光直射,。
除上述3點(diǎn)外，定期檢查變頻器的空氣濾請(qǐng)器及冷卻風(fēng)扇也是非常必要的,。
對(duì)于特殊的高寒場(chǎng)合,，為防止微處理器因溫度過(guò)低而不能正常工作，應(yīng)采取設(shè)置空間加熱器等必要措施,。
3,、電源異常
電源異常表現(xiàn)為各種形式，但大致分以下3種,，即：缺相,、低電壓、停電,。有時(shí)也出現(xiàn)它們的混合形式,。這些異?，F(xiàn)象的主要原因多半是輸電線路因風(fēng)、雪,、雷擊造成的,，有時(shí)也因?yàn)橥还╇娤到y(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)對(duì)地短路及相間短路。而雷擊因地域和季節(jié)有很大差異,。除電壓波動(dòng)外,，有些電網(wǎng)或自行發(fā)電單位，也會(huì)出現(xiàn)頻率波動(dòng),，并且這些現(xiàn)象有時(shí)在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)出現(xiàn),，為保證設(shè)備的正常運(yùn)行，對(duì)變頻器供電電源也提出相應(yīng)要求,。
（1）如果附近有直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)和電磁爐等設(shè)備，為防止這些設(shè)備投入時(shí)造成的電壓降低,，硬是變頻器供電系統(tǒng)分離,，減小相互影響。
（2）對(duì)于要求瞬時(shí)停電后仍能繼續(xù)運(yùn)行的場(chǎng)合,，除選擇合適規(guī)格的變頻器外,，還因預(yù)先考慮負(fù)載電機(jī)的降速比例。變頻器和外部控制回路采用瞬停補(bǔ)償方式,，當(dāng)電壓回復(fù)后,，通過(guò)速度追蹤和測(cè)速電機(jī)的檢測(cè)來(lái)防止在加速中的過(guò)電流。
（3）對(duì)于要求必須量需運(yùn)行的設(shè)備,，要對(duì)變頻器加裝自動(dòng)切換的不停電電源裝置,。
二極管輸入及使用單相控制電源的變頻器，雖然在缺相狀態(tài)也能繼續(xù)工作,，但整流器中個(gè)別器件電流過(guò)大及電容器的脈沖電流過(guò)大,，若長(zhǎng)期運(yùn)行將對(duì)變頻器的壽命及可靠性造成不良影響，應(yīng)及早檢查處理,。
4,、雷擊、感應(yīng)雷電
雷擊或感應(yīng)雷擊形成的沖擊電壓有時(shí)也能造成變頻器的損壞,。此外,，當(dāng)電源系統(tǒng)一次側(cè)帶有真空斷路器時(shí)，短路器開(kāi),，閉也能產(chǎn)生較高的沖擊電壓,。如圖2所示。
變壓器一次側(cè)真空斷路器斷開(kāi)時(shí),，通過(guò)耦合在二次側(cè)形成很高的電壓沖擊尖峰,。
（1）為防止因沖擊電壓造成過(guò)電壓損壞，通常需要在變頻器的輸入端加壓敏電阻等吸收器件，保證輸入電壓不高于變頻器主回路期間所允許的最大電壓,。如圖3所示,。
（2）當(dāng)使用真空斷路器時(shí)，應(yīng)景量采用沖擊形成追加RC浪涌吸收器,。
（3）若變壓器一次側(cè)有真空斷路器,，因在控制時(shí)序上保證真空斷路器動(dòng)作前先將變頻器斷開(kāi)。
二,、變頻器本身的故障自診斷及預(yù)防功能
過(guò)去的晶體管變頻器主要有以下缺點(diǎn)：容易跳閘,，不容易再起動(dòng)，過(guò)負(fù)載能力低,。由于IGBT及CPU的迅速發(fā)展,，變頻器內(nèi)部增加了完善的自診斷及故障防范功能，大幅度提高了變頻器的可靠性,。
有圖4變頻器故障解析示意圖可知,，如果使用矢量控制變頻器中的“全領(lǐng)域自動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能"，其中“起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足",，“環(huán)境條件變化造成出力下降"等故障原因,，將得到很好的克服。該功能是利用變頻器內(nèi)部的微型計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算,，計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻所需要的轉(zhuǎn)矩,，迅速對(duì)輸出電壓進(jìn)行修正和補(bǔ)償，以抵消因外部條件變化而造成的變頻器輸出轉(zhuǎn)矩變化,。
此外,，由于變頻器的軟件開(kāi)發(fā)更加完善，可以預(yù)先在變頻器的內(nèi)部設(shè)置各種故障防止措施,，并使故障化解后仍能保持繼續(xù)運(yùn)行,，例如：
1、對(duì)自由停車(chē)過(guò)程中的電機(jī)進(jìn)行再起動(dòng),；
2,、對(duì)內(nèi)部故障自動(dòng)復(fù)位并保持連續(xù)運(yùn)行；
3,、負(fù)載轉(zhuǎn)矩過(guò)大時(shí)能自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行曲線,，避免Trip；
4,、能夠?qū)C(jī)械系統(tǒng)的異常轉(zhuǎn)矩進(jìn)行檢測(cè),。
三、變頻器對(duì)周邊設(shè)備的影響及故障防范
變頻器的安裝使用也將對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生影響,，有時(shí)甚至導(dǎo)致其他設(shè)備故障,。因此,，對(duì)這些影響因素進(jìn)行分析探討，并研究應(yīng)該采取哪些措施時(shí)非常必要的,。
1,、電源高次諧波
由于目前的變頻器幾乎都采用PWM控制方式，這樣的脈沖調(diào)制形式使得變頻器運(yùn)行時(shí)在電源側(cè)產(chǎn)生高次諧波電流,，并造成電壓波形畸變,，對(duì)電源系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，通常采用以下處理措施,。
（1）采用專(zhuān)用變壓器對(duì)變頻器供電,，與其它供電系統(tǒng)分離。
（2）在變頻器輸入側(cè)加裝濾波電抗器或多種整流橋回路,，降低高次諧波分量,，如圖5所示。
對(duì)于有進(jìn)相電容器的場(chǎng)合因高次諧波電流將電容電流增加造成發(fā)熱嚴(yán)重,，必須在電容前串接電抗器,，以減小諧波分量。如圖6所時(shí),，對(duì)電抗器的電感應(yīng)合理分析計(jì)算，避免形成LC振蕩,。
2,、電動(dòng)機(jī)溫度過(guò)高及運(yùn)行范圍
對(duì)于現(xiàn)有電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造時(shí)，由于自冷電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)冷卻能力下降造成電機(jī)過(guò)熱,。此外,，因?yàn)樽冾l器輸出波形中所含有的高次諧波勢(shì)必增加電機(jī)的鐵損和銅損，因此在確認(rèn)電機(jī)的負(fù)載狀態(tài)和運(yùn)行范圍之后,，采取以下的相應(yīng)措施,。
（1）對(duì)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)冷通風(fēng)或提高電機(jī)規(guī)格等級(jí)。
（2）更換變頻專(zhuān)用電機(jī),。
（3）限定運(yùn)行范圍,，避開(kāi)低速區(qū)。
3,、振動(dòng),、噪聲
振動(dòng)通常是由于電機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩及機(jī)械系統(tǒng)的共振引起的，特別是當(dāng)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩與機(jī)械共振電恰好一致時(shí)更為嚴(yán)重,。噪聲通常分為變頻裝置噪聲和電動(dòng)機(jī)噪聲,，對(duì)于不同的安裝場(chǎng)所應(yīng)采取不同的處理措施。
（1）變頻器在調(diào)試過(guò)程中,，在保證控制精度的前提下,，應(yīng)盡量減小脈沖轉(zhuǎn)矩成分,。
（2）調(diào)試確認(rèn)機(jī)械共振點(diǎn)，利用變頻器的頻率屏蔽功能,，使這些共振點(diǎn)排除在運(yùn)行范圍之外,。
（3）由于變頻器噪聲主要有冷卻風(fēng)扇機(jī)電抗器產(chǎn)生，因選用低噪聲器件,。
（4）在電動(dòng)機(jī)與變頻器之間合理設(shè)置交流電抗器,，減小因PWM調(diào)制方式造成的高次諧波。
4,、高頻開(kāi)關(guān)形成的尖峰電壓對(duì)電機(jī)絕緣不利
在變頻器的輸出電壓中,，含有高風(fēng)浪用電壓。這些高次諧波沖擊電壓將時(shí)電動(dòng)機(jī)繞組的絕緣強(qiáng)度降低,，尤其以PWM控制型變頻器更為明顯,，應(yīng)采取以下措施。
（1）盡量縮短變頻器到電機(jī)的配線距離,。
（2）采用阻斷二極管的浪涌電壓吸收裝置,，對(duì)變頻器輸出電壓進(jìn)行處理。
（3）對(duì)PWM型變頻器應(yīng)盡量在電機(jī)輸入側(cè)加裝圖7所使得濾波器,。圖7b中無(wú)濾波器是輸出電壓上升沿有明顯沖擊電壓,，容易造成電機(jī)絕緣損傷。
