電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試與故障分析

隨著變頻器的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，變頻器運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題也越來(lái)越多。主要表現(xiàn)為:過(guò)電壓、過(guò)電流、高次諧波、振動(dòng)與噪聲、發(fā)熱等。本文針對(duì)上述常見(jiàn)問(wèn)題的產(chǎn)生進(jìn)行原因分析并提出相應(yīng)的處理方法。

　　一、過(guò)電壓產(chǎn)生的原因及處理方法

　　1.1 過(guò)電壓產(chǎn)生的原因

　　(1)分?jǐn)嘧儔浩鞒霈F(xiàn)的過(guò)電壓

　　按照截流過(guò)電壓形成的理論，當(dāng)斷開(kāi)變壓器時(shí)，變壓器電感中的電流不能突變、其中存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量，在變壓器勵(lì)磁電感和對(duì)地電容間形成振蕩，從而出現(xiàn)過(guò)電壓。

　　(2)變壓器帶負(fù)載合閘產(chǎn)生的過(guò)電壓

　　在實(shí)際試驗(yàn)中，合空載變壓器曾檢測(cè)到數(shù)倍于電源電壓的過(guò)電壓，其物理原理為:空載變壓器仍可等值于一個(gè)勵(lì)磁電感與變壓器本身的等效電容的并聯(lián)，如果變壓器的中性點(diǎn)不接地，開(kāi)關(guān)又是非周期合閘(一相或兩相先合)，由于饋線電容、變壓器對(duì)地電容、縱向電容與變壓器電感產(chǎn)生振蕩，結(jié)果產(chǎn)生較高的過(guò)電壓，特別是變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓較高。

　　雖然變壓器基本上都是帶負(fù)載合閘，但是變壓器帶上負(fù)載后合閘也會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，只是相對(duì)空載時(shí)要小些。在真實(shí)負(fù)載中有比較大的電容，由于電容的儲(chǔ)能不會(huì)突然增加，再加上輸送電纜在傳輸高頻率的振蕩電壓時(shí)有分布對(duì)地電容，這些電容對(duì)過(guò)電壓有吸收作用。這兩者的共同作用使變壓器在合閘過(guò)程中的過(guò)電壓受到抑制，但是有時(shí)候其數(shù)值仍然很高，甚至有可能高出元件的耐壓值，這是很危險(xiǎn)的。

　　(3)整流元件的換向過(guò)電壓

　　整流元件在換向時(shí)，由于很高，所以轉(zhuǎn)向過(guò)電壓也很高。這不僅會(huì)損壞元件，而且還會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。

　　1.2 過(guò)電壓的處理方法

　　(1)對(duì)于變頻器移相變壓器的分?jǐn)噙^(guò)電壓，采用阻容吸收網(wǎng)絡(luò)和氧化鋅避雷器組成過(guò)電壓吸收回路，取得較好效果。

　　(2)對(duì)于變壓器帶負(fù)載合閘產(chǎn)生的過(guò)電壓，可以選用周期性能好的開(kāi)關(guān)(開(kāi)關(guān)長(zhǎng)期操作后會(huì)出現(xiàn)不同期);采用良好的阻容吸收回路或者有源抑制器技術(shù)方案;采用帶靜電屏蔽措施的變壓器，也可以有效地抑制合閘過(guò)電壓。但是大功率變壓器在制作靜電屏蔽層的難度將是相當(dāng)大的。

　　(3)對(duì)整流元件換向產(chǎn)生的過(guò)電壓，注意點(diǎn)是:整流元件的反向耐壓值要足夠，其次就是吸收回路和續(xù)流回路必須措施得當(dāng)。否則整流器件就有可能被過(guò)電壓擊穿。

　　(4)由于變頻器工作時(shí)的過(guò)電壓基本上是變壓器分閘合閘時(shí)產(chǎn)生，因此應(yīng)該從變壓器開(kāi)始想辦法抑制變頻器的過(guò)電壓?？梢圆捎?

　?、偌哟笞儔浩鲃?lì)磁電感和對(duì)地電容，加大勵(lì)磁電感即減小空載電流，這都會(huì)引起變壓器成本的增加。②加大變壓器對(duì)地電容：原理上容易分析，但是實(shí)際上由于變壓器本身的結(jié)構(gòu)和材料限制，要想做出任意絕緣方式或絕緣等級(jí)高的變壓器是不太可能的，因此要想較大地增加變壓器的對(duì)地電容C也是相當(dāng)困難的。

　　二、過(guò)電流產(chǎn)生的原因及處理方法

　　2.1 過(guò)電流產(chǎn)生的原因

　　(1)工作中過(guò)電流

　　即拖動(dòng)系統(tǒng)在工作過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)電流。其原因大致來(lái)自以下幾方面:

　?、匐妱?dòng)機(jī)遇到?jīng)_擊負(fù)載，或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)"卡住"現(xiàn)象，引起電動(dòng)機(jī)電流的突然增加。

　?、谧冾l器的輸出側(cè)短路，如輸出端到電動(dòng)機(jī)之間的連接線發(fā)生相互短路，或電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生短路等。

　　③變頻器自身工作的不正常，如逆變橋中同一橋臂的兩個(gè)逆變器件在不斷交替的工作過(guò)程中出現(xiàn)異常。例如由于環(huán)境溫度過(guò)高，或逆變器件本身老化等原因，使逆變器件的參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致在交替過(guò)程中，一個(gè)器件已經(jīng)導(dǎo)通、而另一個(gè)器件卻還未來(lái)得及關(guān)斷，引起同一個(gè)橋臂的上、下兩個(gè)器件的"直通"、使直流電壓的正、負(fù)極間處于短路狀態(tài)。

　　(2) 升速時(shí)過(guò)電流

　　當(dāng)負(fù)載的慣性較大，而升速時(shí)間又設(shè)定得太短時(shí)，意味著在升速過(guò)程中，變頻器的工作效率上升太快，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速迅速上升，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速因負(fù)載慣性較大而跟不上去，結(jié)果是升速電流太大。

　　(3) 降速中的過(guò)電流

　　當(dāng)負(fù)載的慣性較大，而降速時(shí)間設(shè)定得太短時(shí)，也會(huì)引起過(guò)電流。因?yàn)?，降速時(shí)間太短，同步轉(zhuǎn)速迅速下降，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子因負(fù)載的慣性大，仍維持較高的轉(zhuǎn)速，這時(shí)同樣可以是轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線的速度太大而產(chǎn)生過(guò)電流。

　　2.2 過(guò)電流處理方法

　　(1)起動(dòng)時(shí)一升速就跳閘，這是過(guò)電流十分嚴(yán)重的現(xiàn)象，主要檢查:工作機(jī)械有沒(méi)有卡住;負(fù)載側(cè)有沒(méi)有短路，用兆歐表檢查對(duì)地有沒(méi)有短路;變頻器功率模塊有沒(méi)有損壞; 電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩過(guò)小，拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)不起來(lái)。

　　(2)起動(dòng)時(shí)不馬上跳閘，而在運(yùn)行過(guò)程中跳閘，主要檢查:升速時(shí)間設(shè)定太短，加長(zhǎng)加速時(shí)間;減速時(shí)間設(shè)定太短，加長(zhǎng)減速時(shí)間;轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償(U/f比)設(shè)定太大，引起低頻時(shí)空載電流過(guò)大:電子熱繼電器整定不當(dāng)，動(dòng)作電流設(shè)定得太小，引起變頻器誤動(dòng)作。

　　三、諧波產(chǎn)生的原因及處理方法

　　3.1 諧波產(chǎn)生的原因

　　從結(jié)構(gòu)上看、變頻器可分為直接變頻和間接變頻兩大類。間接變頻將工頻電流通過(guò)整流器變成直流，然后再經(jīng)過(guò)逆變器將直流換成可控頻率的交流。直接變頻器則將工頻交流變換成可控頻率的交流，沒(méi)有中間環(huán)節(jié)。它的每相都是一個(gè)兩相晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。正反兩組按一定周期相互切換，在負(fù)荷上就獲得了交變輸出電壓，其幅值決定于各整流裝置的控制角，頻率決定于兩相整流裝置的切換頻率。目前應(yīng)用較多的還是間接變頻器。間接變頻器有三種不同的結(jié)構(gòu)形式：(1)用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調(diào)壓調(diào)頻分別是在兩個(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)行，兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)配合。(2)用不控整流器整流斬波器變壓、逆變器變頻，這種變頻器整流環(huán)節(jié)用斬波器，用脈寬調(diào)壓。(3)用不控整流器整流,PWM(Pulse Width Modulation,脈沖寬度調(diào)制)逆變器同時(shí)變頻，這種變頻器只有采用可控關(guān)斷的全控式器件(加絕緣柵雙極晶休管IGBT等)輸出波形才會(huì)非常逼真的正弦波。

　　無(wú)論是哪一種的變頻器，都大量使用了晶閘管等非線性電力電子元件。不管采用哪種整流方式，變頻器從電網(wǎng)中吸取能量的方式均不是連續(xù)的正弦波，而是以脈動(dòng)的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流，這種脈動(dòng)電流和電網(wǎng)的阻抗共同形成脈動(dòng)電壓降疊加在電網(wǎng)的電壓上，使電壓發(fā)生畸變，經(jīng)傅里葉級(jí)數(shù)分析可知，這種非周期正弦波電流是由頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成。

　　3.2 諧波的處理方法

　　為了消除諧波，主要采用以下對(duì)策:

　　(1)增加變頻器供電電源內(nèi)陰抗 通常情況下，電源設(shè)備的內(nèi)阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無(wú)功功率的作用。這種內(nèi)阻抗就是變壓器的短路阻抗。當(dāng)電源容量相對(duì)變頻器容量越小，內(nèi)阻抗值相對(duì)越大，諧波含量越小;電源容量相對(duì)變頻器容量越大，則內(nèi)阻抗值相對(duì)越小，諧波含量越大。所以選擇變頻器供電電源變壓器時(shí)，最好選擇短路阻抗大的變壓器。

　　(2)安裝電抗器 安裝電抗器實(shí)際是從外部增加變頻器供電電源的內(nèi)阻抗。在變頻器的交流側(cè)或變頻器的直流側(cè)安裝電抗器或同時(shí)安裝，可抑制諧波電流。

　　(3)變壓器多相運(yùn)行 通常變頻器的整流部分是6脈波整流器，所以產(chǎn)生的諧波較大，應(yīng)用變壓器的多相運(yùn)行，如使相位角互差30°的Y-Δ、Δ-Δ組合的2臺(tái)變壓器構(gòu)成相當(dāng)于12脈波整流器，則可減小諧波電流，起到諧波抑制作用。

　　(4)調(diào)節(jié)變頻器的載波比 提高變頻器載波比，可有效抑制低次諧波。

　　(5)應(yīng)用濾波器 濾波器可檢測(cè)變頻器諧波電流的幅值和相位，并產(chǎn)生與諧波電流幅值相同、相位相反的電流，從而有效地吸收和消除諧波電流。[!--empirenews.page--]四、振動(dòng)與噪聲產(chǎn)生的原因與處理方法

　　4.1 振動(dòng)與噪聲產(chǎn)生的原因

　　變頻器工作時(shí)，輸出波形中的高次諧波引起的磁場(chǎng)對(duì)許多機(jī)械部件產(chǎn)生電磁策動(dòng)力，策動(dòng)力的頻率總能與某些機(jī)械部件的固有頻率相近或重合，導(dǎo)致共振。對(duì)振動(dòng)影響大的高次諧波主要是較低次的諧波分量，在PAM(Pulse Amplitude Modulation，脈沖幅度調(diào)制)方式和方波PWM方式時(shí)有較大的影響。但采用正弦波PWM方式時(shí)，低次的諧波分量小，影響變小。

　　用變頻器傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于輸出電壓電流中含有高次諧波分量，氣隙的高次諧波磁通增加，故噪聲增大。電磁噪聲有以下特征:由于變頻器輸出中的低次諧波分量與轉(zhuǎn)子固有機(jī)械頻率諧振，則轉(zhuǎn)子固有頻率附近的噪聲增大。變頻器輸出中的高次諧波分量與鐵心機(jī)殼軸承架等諧振，在這些部件的各自固有頻率附近處的噪聲增大。

　　變頻器傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲特別是刺耳的噪聲與PWM控制的開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)，尤其在低頻區(qū)更為顯著。

　　采用變頻器調(diào)速，將產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，這是變頻器輸出波形中含有高次諧波分量所產(chǎn)生的影響。隨著運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的變化，基波分量、高次諧波分量都在大范圍內(nèi)變化，很可能引起與電動(dòng)機(jī)的各個(gè)部分產(chǎn)生諧振等。

　　4.2 振動(dòng)與噪聲的處理方法

　　減弱或消除振動(dòng)的方法，可以在變頻器輸出側(cè)接入交流電抗器以吸收變頻器輸出電流中的高次諧波電流成分。使用PAM方式或方波PWM方式變頻器時(shí)，可改用正弦波PWM方式變頻器，以減小脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。為防止電動(dòng)機(jī)與負(fù)載相連而成的機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)，必須使整個(gè)系統(tǒng)不與電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁力諧振。

　　一般采用以下措施抑制和減小噪聲:在變頻器輸出側(cè)連接交流電抗器。如果電磁轉(zhuǎn)矩有余量，可將U/f定小些。采用特殊電動(dòng)機(jī)如在較低頻的噪聲音量較嚴(yán)重時(shí)，則要檢查與軸系統(tǒng)(含負(fù)載)固有頻率的諧振。

　　五、變頻器發(fā)熱產(chǎn)生的原因與處理方法

　　5.1 變頻器發(fā)熱產(chǎn)生的原因

　　變頻器發(fā)熱是由于內(nèi)部的損耗而產(chǎn)生的，以主電路為主，約占98%，控制電路占2%。

　　5.2 變頻器發(fā)熱的處理方法

　　(1)采用風(fēng)扇散熱 變頻器內(nèi)裝風(fēng)扇可將變頻器箱體內(nèi)的熱量帶走。

　　(2)降低運(yùn)行環(huán)境溫度 變頻器是電子裝置，內(nèi)含電子元件、電解電容等，所以溫度對(duì)其壽命影響較大。通用變頻器的環(huán)境運(yùn)行溫度一般要求-10℃～+50℃，如果能降低變頻器運(yùn)行溫度，就延長(zhǎng)了變頻器的使用壽命，性能也穩(wěn)定。