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变频器基本知识

更新时间:2023-11-13      点击次数:301

一、变频器的工作原理

变频器按能量变换的情况,可以分为交-交变频器与交-直-交变频器两种,前者是将工频电源转变成所需频率的交流电源,故称直接变频,后者是把直流电能(一般经交流电源整流而得)转变为所需频率的交流电源,故称为逆变器。

1、交-交变频器

简单的交-交变频器,可用两组反并联的变流器组成,如下图:如果让正组变流器和反组变流器轮流导通,则负载上就获得交变的输出电压u0,u0的幅值可以通过改变变流器的控制角α加以调节,u0的频率则有正、反两组变流器轮流导通的切换频率所决定。

2、交-直-交变频器

交-直-交变频器是由整流器与逆变器组成,如下图:如果让两对晶闸管T1、T4与T2、T3轮流切换导通,则负载上就得到交流输出电压u0,u0的幅值可以用改变直流电压ud来调节,u0的频率则取决于两对晶闸管的切换频率。

二、变频器的选用要点

1、负载电流

电动机采用变频器运转同采用工频电源运转相比,由于变频器输出电压、电流中所含谐波的影响,电动机的效率、功率因数将降低,电流将增加(同一负载约增10%)。电动机负载非常轻时,即使电动机电流在变频器额定电流以内,也不能使用比电动机容量小很多的变频器,这是因为电动机的电抗随电动机的容量不同,即使电动机负载相同,电动机容量越大,其脉动电流值也就越大,因而有可能超过变频器的过流耐量。

2、低速运转时的转矩特性

标准电动机采用变频器低速运转时,对于U/f一定的转距控制,各频率下运转电流大体同电动机额定频率下的运转电流一样,因此主要应控制电动机铜损造成的温升。在这种低速情况下,即使电动机的铜损大体与额定转速时相同,但由于转速变低,电动机冷却效果变差,电动机定子绕组温升就变大,所以必须与此温升相应地减小运转转矩,降低铜损使用。

3、短时最大转矩

标准电动机在额定电压、额定频率下,通常具有输出200%左右最大转矩的能力,如果用变频器运转标准电动机,其转矩特性有如下限制:

1)为了保护主电路电力电子元件等,变频器设有限流功能和过流时中断晶体管工作等功能,以防止超过耐量的电流流过,此过电流耐量通常为变频器额定电流的150%左右。

2)在数赫兹的低频区运转时,电动机电阻在阻抗中占的比例增大,转矩特性大幅度降低。

由以上两个限制,电动机与变频器组合时最大转矩值的情况,在低频区最大转矩值变小。在负载变动大或需要启动转矩大的情况下,要注意容量的选择,可使用上一级的电动机与变频器。

4、容许最高频率范围

通用变频器中,有的可以输出工频以上的频率,但电动机是以工频下运转为前提制造的,因此在工频以上频率使用时,必须确认电动机允许最高频率范围,通常电动机允许最高频率范围受以下因素限制:

1)轴承的极限转速;

2)风扇、端子等的强度;

3)转子的危险速度;

4)其他特殊零件的强度。

5、噪声

电动机用变频器运转时,与工频电源相比噪声有些增大,特别是电动机在额定转速以上运转,通风噪声非常大,采用时必须充分考虑。另外,低速运转同工频运转相比,也有刺耳的金属声(磁噪声)发生,可以使用电抗器,以降低磁噪声。

6、振动

电动机用变频器运转时,就电动机本身来说,同工频电源相比,振动并没有大幅度增加。但是把电动机安装在机械上,由于机械系统的固有频率发生谐振,以及与所传动机械的旋转体不平衡量大时,往往发生异常振动,为此需要考虑修正平衡,采用轮箍式联轴节或防震橡胶等措施。

三、变频器的安装要求

1、环境温度

变频器一般适用于-10~40℃、海拔低于1000m、相对湿度不大于90%的环境中工作。环境温度若高于40℃,每升高1℃,变频器应降额5%使用。

2、现场条件

1)无腐蚀,无易燃、易爆气体和液体;无灰尘、漂浮性的纤维及金属颗粒;无电磁干扰。

2)安装场所的基础、墙壁应坚固无损伤、无振动。

3)安装位置应避免阳光直射。

4)驱动防爆电动机时,变频器无防爆结构,应将变频器设置在危险场所之外。

3、安装方式

1)变频器必须垂直安装,若多台变频器安装在同一装置或控制箱里时,宜横向并列安装。若采用纵向方式安装,变频器间应加装隔热板。

2)墙挂式安装变频器与周围物体之间的距离,两侧不小于100mm,上下不小于150mm。

3)环境比较洁净,尘埃少时,单台变频器安装宜采用柜外冷却方式;若采用柜内冷却方式,应在变频器柜柜顶安装抽风式冷却风扇。

四、变频器的绝缘测量

1、主回路绝缘测量

1)用合格的500V兆欧表。

2)断开变频器主回路和控制电路所有端子对外的连接。

3)将主回路端子R、S、T、P1、P+、N和U、V、W等公用线进行短接。

4)兆欧表电压只能加于主回路公共端连接线和接地端子E(G)之间,绝对不能只连接某一个主回路端子对地进行绝缘电阻的测量,也不能对变频器的控制端子进行绝缘测量,否则可能会损坏变频器。 

5)兆欧表指示值达到5MΩ及以上为正常合格。

6)绝缘电阻测量结束以后,一定要记住拆除所有上述短接主回路端子的连线。

2、控制回路绝缘测量

不能用兆欧表对控制电路进行测试,否则将烧损电路元件。可用万用表的高阻挡在控制回路端子和接地端子之间进行测量,达到1MΩ及以上为正常合格。

3、外接电路绝缘测量

为了防止兆欧表的高压加到变频器上,在测量外接电路的绝缘电阻时,必须首先把外接电路从变频器上拆下来,还要注意检查兆欧表的高压是否有可能通过其他回路加到变频器上,如有,则应将有关的所有连线拆下,之后方可进行测量。

五、变频器的接线要求

1、变频器主回路接线

1)电缆线屑、金属屑、短断头及其螺杆、螺母等不得遗落在变频器内部。

2)变频器输入端(R、S、T),输出端(U、V、W)接线应正确,电缆芯线连接无松动。端子接线裸露部分与其他端子带电部分间应做好绝缘隔离。

3)变频器输出端子排上的N端子不得接至输入电源中性线端子上。

2、变频器控制回路接线

1)控制回路与主回路的配线、模拟信号回路与反馈信号回路的配线应分开,且保持一定的距离。

2)变频器控制回路中的继电器触点端子引线与其他控制回路端子的连线,应按区域配线。

3)变频器控制回路配线应采用屏蔽线或屏蔽电缆。

4)模拟量控制线应采用屏蔽线或屏蔽电缆,屏蔽一端应接至控制电路的公共(COM)侧,不得接至地端(E)或大地,另一端可悬空。

5)开关量控制线未采用屏蔽线,同一信号两根线应绞结后分别连接。

3、变频器接地和防雷接线

1)变频器接地线截面不应小于2mm2,长度宜控制在20m内。

2)雷电活跃地区,电源进线侧应装设变频器专用避雷器,或按规范在变频器安装处20m的距离以外预埋钢管保护接地装置。

3)多台变频器接地时,变频器应分别与大地相连,不得一台变频器的接地端与另一台变频器的接地端连接后再接地。

4)变频器的接地端子(PE)可与电机电缆的接地线相连接。

4、变频器的“EMC电磁兼容性"接线

1)传动柜中所有电气设备接地良好,接地线应连接至公共接地点或接地母排上,宜用高频时阻抗较低的扁平导体,例如金属网编织线。

2)变频器的电机电缆须采用屏蔽电缆,屏蔽层的电导截面积不小于每相导线芯截面积的1/10。

3)控制电缆应采用屏蔽电缆,屏蔽层应直接接至变频器内部接地侧,另一侧可通过高频小电容接地。

4)当屏蔽层两端的差模电压(信号线与信号线之间的电位差)较低和连接到同一接地线上时,可将屏蔽层的两端直接接地。

5)模拟信号的传输线应采用双屏蔽的双绞线,不同的模拟信号线单独配线,不同模拟信号不得置于同一对公共反馈回线中。

6)低压数字信号线应采用双屏蔽的双绞线。

7)电机电缆应单独配线,其最小间距为500mm。

8)变频器控制电缆和电源电缆的安装与接线若有交叉,应按90°角交叉配线,采用专用夹子将电机电缆和控制电缆屏蔽层固定到接地点。

六、变频器的试运要求

1、空载试运

1)电动机的旋转方向正确。

2)运转至各频率点电动机不得有异常振动、共振、振动噪声。

3)参数设定程序重新检查,确认参数设定值无误。

4)输出电压和电流值应符合产品质量技术文件要求,三相平衡值不得大于10%。

2、带负载试运

1)按正常负荷量运行,三相输出电流值应符合预定值。

2)闭环控制系统的转速反馈变化值应符合产品质量技术文件要求。

3)电动机运行的平稳性,电动机和变频器运行温度变化应保持稳定。

4)各类保护性参数值具备有效性。

5)按工艺要求试运行,随时监控并做好记录。

七、变频器的巡视检查

1、巡视检查的目的

对变频器进行巡视检查的主要目的是尽早发现异常现象,清除尘埃,紧固配件,排除事故隐患等。在变频器运行过程中,可以从设备外部目视检查运行状况有无异常。通过键盘面板转换键查阅变频器的运行参数,如输出电压、输出电流、输出转距、电机转速等,掌握变频器日常运行值的范围,以便及时发现变频器及电动机问题。

2、巡视检查的内容

1)键盘面板显示是否正常,有无缺少字符,仪表指示是否正确,是否有震动、震荡等现象。

2)冷却风扇部分是否运转正常,是否有异常声音等。

3)变频器及引出电缆是否有过热、变色、变形、异味、噪声、振动等异常情况。

4)变频器周围环境是否符合标准规定,温度与湿度是否正常。

5)变频器的散热器温度是否正常。冷风机电机是否有过热、异味、噪声、振动等异常情况。

6)变频器控制系统是否积聚尘埃、各连接线及外围电气元件是否有松动等异常现象。

7)变频器的进线电源是否正常,电源开关是否有电火花、缺相,引线压接螺栓是否松动,电压是否正常等。

八、变频器的维护检查

1、综合检查

1)周围环境

检查周围有无危险品,检测环境温度,湿度,空气清洁度。

2)电压

测量主回路、控制回路电压是否正常。

3)触摸面板

是否缺少字符,字符是否清楚。

4)框架、前面板

(1)是否沾有灰尘污损;

(2)是否因过热变色;

(3)是否有异常声音、异常振动;

(4)螺栓是否松动。

2、主回路检查

1)公用

(1)是否附着灰尘污损;

(2)螺栓是否松动;

(3)是否有变形、裂纹、破损或过热老化变色。

2)导体、电线

(1)导体是否变形或过热变色;

(2)导线皮是否破损、裂口、变色。

3)电阻

(1)是否断线;

(2)是否有过热的怪味,绝缘体有无裂纹。

4)滤波电容器

(1)是否漏液、变色、裂纹、外壳膨胀;

(2)阀体是否明显膨胀;安全阀是否出来。

5)变压器、电抗器

是否有异常的声音和怪味。

6)接触器、继电器

工作时是否振动、声音异常 。

3、控制回路检查

印刷电路板连接器:

1)螺栓、螺钉是否松动;

2)是否有裂纹、破损、变形;

3)电容器是否漏液、变形;

4、冷却系统检查

1)冷却风扇

(1)否有异常振动、异常声音;

(2)螺栓是否松动。

2)通风道

散热片给气排气口的间隙是否有堵塞和附着异物。

九、变频器的故障处理

1、过流和过载故障

过流和过载在变压器的应用中是经常出现的,此类故障首先要将负载断开,确定是由于负荷过载引起的故障,还是电气主回路、控制回路问题。如果是电气方面的问题,再将变频器和电机电缆脱离开进行检查,进一步确认是哪个环节的故障。

1)外部原因

(1)由于电动机负载突变,引起大的冲击电流使过电流保护动作。这类故障一般是暂时的,重新启动后会恢复正常。如果经常有负载突变的情况,则应采取限制负载突变或更换较大容量的变频器。

(2)电动机和电缆相间或相对地绝缘破坏,造成匝间或相间对地短路,因而导致过电流,一般遇到此类故障是先将电机不带负载单试,如果仍出现过流则将出线电缆解开,对电机和电缆单独进行检查。

(3)在电动机绕组和外壳之间,电动机电缆和大地之间存在着较大的寄生电容,通过寄生电容会有高频漏电电流流向大地,引起过电流和过电压故障。解决问题的办法是加滤波器或选用容量大一级的变频器。

2)变频器本身原因

(1)参数设定不正确,如加减速设定的时间太短,变频器的多数参数如果设置不当,均有可能引起变频器故障。

(2)变频器主回路出现问题,如果变频器的整流和逆变单元的元器件损坏,会直接导致过流保护动作。控制触发脉冲的卡件出现故障,也可能会导致过电流故障。

(3)变频器本身控制回路的检测元器件故障,引起逆变器不工作或工作不正常,甚至过电流保护动作。

(4)变频器本身遭到电磁干扰,引起变频器误动作。

2、参数设置类故障

变频器在使用中,如果参数设置不正确,会导致变频器不工作、不能正常工作或频繁发生保护动作甚至损坏。一般变频器都做了出厂设置,对每一个参数都有一个默认值,这些参数叫缺省值。实际应用时要从以下几方面进行:

1)确认电动机参数,在变频器电动机参数中设定功率、电流、电压、转速、最大频率等,应与电动机铭牌中的数据一致。

2)变频器控制方式的设定主要有频率(速度)控制、转矩控制、PID控制或其他控制方式。每一种控制方式对应于一组数据范围的设定,如果这些数据范围设定的不正确,就会引起变频器不工作或工作不正常,或发生故障保护动作而跳闸,显示故障类型代码。

3)变频器的启动方式在变频器出厂时设定为面板启动,可以根据实际情况选用面板、外部端子、通信方式等几种,除面板启动外,其他需要与相应的给定参数及控制端子匹配,否则会引起变频器不工作,工作不正常或频繁发生保护动作甚至损坏。

4)频率给定参数的选择,一般变频器的频率给定也有多种方式,如面板给定、外部给定、外部电压或电流给定、通信方式给定等,可以选择其中的一种或几种方式的组合。

3、其他故障

1)过热保护

变频器的过热保护,有电动机过热保护和变频器过热保护两种,引起过热的原因也是多方面的。一般的电动机过热保护动作,应检查电动机的散热和通风情况,变频器的过热保护动作,则应检查变频器的冷却风扇和通风情况。

2)电磁干扰

变频器在生产运行的过程中,很多时候会出现因电磁干扰而造成的故障,容易导致变频器产生误动作,不正常启停工作,或者造成模拟控制信号失真,严重时会损坏变频器。

3)开停机控制回路故障

此类故障排查,要确定是外部回路故障还是内部故障,首先将外部的停车及连锁信号摘除,然后短接启动信号端口,如果能启动,则检查外部电路。不行则在变频器控制面板上强制启动,如启动成功则需检查控制输入输出端口。

4)与变频器载波频率有关的故障

变频器的载波频率是可调的,可方便人们对噪声的需求。变频器的载波频率出厂值往往与现场需要不符,需要调整。但在实际调整时,往往因载波频率值设定不当,造成各种异常现象甚至故障,损坏变频器。一般在调试过程中,应试探性地调整载波频率,电动机功率大的相对选用载波频率要低些,并从低端向高的一端调整。要确定合适的载波频率值后,再考虑是否需要加装滤波器或谐波抑制装置。

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