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變頻調(diào)速器的常見故障分析和預(yù)防措施
變頻調(diào)速器的常見故障分析和預(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
如果變頻器周圍存在干擾源，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?；蛲C(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）變頻器周圍所有繼電器、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，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。
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）更換變頻專用電機(jī)。
（3）限定運(yùn)行范圍，避開低速區(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。
