变频器的控制电路及几种常见故障分析

      1 引言
       随着变频器在工业生产中日益广泛的应用,了解变频器的结构,主要器件的电气特性和一些常用参数的作用,及其常见故障越来越显示出其重要性。
      2 变频器控制电路
       给异步电动机供电 (电压、频率可调)的主电路提供控制信号的回路,称为控制电路,如图1所示。控制电路由以下电路组成:频率、电压的运算电路、主电路的电压、电流检测电路、电动机的速度检测电路、将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路,以及逆变器和电动机的保护电路。
       在图 1点划线内,无速度检测电路为开环控制。在控制电路增加了速度检测电路,即增加速度指令,可以对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。
      1)运算电路将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算,决定逆变器的输出电压、频率。
      2)电压、电流检测电路
       与主回路电位隔离检测电压、电流等。
      3)驱动电路
       为驱动主电路器件的电路,它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
      4)I/0输入输出电路
       为了变频器更好人机交互,变频器具有多种输入信号的输入 (比如运行、多段速度运行等)信号,还有各种内部参数的输出“比如电流、频率、保护动作驱动等)信号。
      5)速度检测电路
       以装在异步电动轴机上的速度检测器 (TG、PLG等)的信号为速度信号,送入运算回路,根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
      6)保护电路
       检测主电路的电压、电流等,当发生过载或过电压等异常时,为了防止逆变器和异步电动机损坏,使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
       逆变器控制电路中的保护电路,可分为逆变器保护和异步电动机保护两种,保护功能如下
      (1)逆变器保护
      ①瞬时过电流保护由于逆变电流负载侧短路等,流过逆变器器件的电流达到异常值 (超过容许值)时,瞬时停止逆变器运转,切断电流。变流器的输出电流达到异常值,也同样停止逆变器运转。
      ②过载保护
       逆变器输出电流超过额定值,且持续流通达规定的时间以上,为了防止逆变器器件、电线等损坏要停止运转。恰当的保护需要反时限特性,采用热继电器或者电子热保护 (使用电子电路)。过载是由于负载的GD2(惯性)过大或因负载过大使电动机堵转而产生。
      ③再生过电压保护
       采用逆变器是电动机快速减速时,由于再生功率直流电路电压将升高,有时超过容许值。可以采取停止逆变器运转或停止快速减速的方法,防止过电压。
      ④瞬时停电保护
       对于数毫秒以内的瞬时停电,控制电路工作正常。但瞬时停电如果达数 10ms以上时,通常不仅控制电路误动作,主电路也不能供电,所以检出后使逆变器停止运转。
      ⑤接地过电流保护
       逆变器负载接地时,为了保护逆变器有时要有接地过电流保护功能。但为了确保人身安全,需要装设漏电断路器。
      ⑥冷却风机异常
       有冷却风机的装置,当风机异常时装置内温度将上升,因此采用风机热继电器或器件散热片温度传感器,检出异常后停止逆变器。在温度上升很小对运转无妨碍的场合,可以省略。
      (2)异步电机的保护
      ①过载保护
       过载检出装置与逆变器保护共用,但考虑低速运转的过热时,在异步电动机内埋入温度检出器,或者利用装在逆变器内的电子热保护来检出过热。动作频繁时,可以考虑减轻电动机负载、增加电动机及逆变器容量等。
      ②超额 (超速)保护
       逆变器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值时,停止逆变器运转。
      其它保护
      ①防止失速过电流
       急加速时,如果异步电动跟踪迟缓,则过电流保护电路动作,运转就不能继续进行 (失速)。所以,在负载电流减小之前要进行控制,抑制频率上升或使频率下降。对于恒速运转中的过电流,有时也进行同样的控制。
      ②防止失速再生过电压
       减速时产生的再生能量使主电路直流电压上升,为了防止再生过电压电路保护动作,在直流电压下降之前要进行控制,抑制频率下降,防止不能运转 (失速)。
      3 变频器控制回路的抗干扰措施
       由于主回路的非线性 (进行开关动作),变频器本身就是谐波干扰源,而其周边控制回路却是小能量、弱信号回路,极易遭受其它装置产生的干扰,造成变频器自身和周边设备无法正常的工作。因此,变频器在安装使用时,必须对控制回路采取抗干扰措施。
      1)变频器的基本控制回路
       同外部进行信号交流的基本回路有模拟与数字两种:
      ① 4~20mA电流信号回路(模拟);1~5V/0~5V电压信号回路(模拟)。
      ②开关信号回路,变频器的开停指令、正反转指令等 (数字)。
       外部控制指令信号通过上述基本回路导入变频器,同时干扰源也在其回路上产生干扰电势,以控制电缆为媒体入侵变频器。
      2)干扰的基本类型及抗干扰措施。
      ①静电耦合干扰:指控制电缆与周围电气回路的静电容耦合,在电缆中产生的电势。
       措施:加大与干扰源电缆的距离,达到导体直径 40倍以上时,干扰程度就不大明显。
       在两电缆间设置屏蔽导体,再将屏蔽导体接地。
      ②静电感应干扰:指周围电气回路产生的磁通变化在电缆中感应出的电势。干扰的大小取决干扰源电缆产生的磁通大小,控制电缆形成的闭环面积和干扰源电缆与控制电缆间的相对角度。
       措施:一般将控制电缆与主回路电缆或其它动力电缆分离铺设,分离距离通常在 30cm以上(最低为10cm),分离困难时,将控制电缆穿过铁管铺设。将控制导体绞合,绞合间距越小,铺设的路线越短,抗干扰效果越好。
      ③电波干扰:指控制电缆成为天线,由外来电波在电缆中产生电势。
       措施:同 1和2所述。必要时将变频器放入铁箱内进行电波屏蔽,屏蔽用的铁箱要接地。
      ④接触不良干扰:指变频器控制电缆的电接点及继电器触点接触不良,电阻发生变化在电缆中产生的干扰。
       措施:对继电器触点接触不良,采用并联触点或镀金触点继电器或选用密封式继电器。对电缆连接点应定期做拧紧加固处理。
      ⑤电源线传导干扰:指各种电气设备从同一电源系统获得供电时,由其它设备在电源系统直接产生电势。
       措施:变频器的控制电源由另外系统供电,在控制电源的输入侧装设线路滤波器;装设绝缘变压器,且屏蔽接地。
      ⑥接地干扰:指机体接地和信号接地。对于弱电压电流回路及任何不合理的接地均可诱发的各种意想不到的干扰,比如设置两个以上接地点,接地处会产生电位差,产生干扰。
       措施:速度给定的控制电缆取 1点接地,接地线不作为信号的通路使用。电缆的接地在变频器侧进行,使用专设的接地端子,不与其它接地端子共用,并尽量减少接地端子引接点的电阻,一般不大于100d。
      3)其它注意事项
      ①装有变频器的控制柜,应尽量远离大容量变压器和电动机。其控制电缆线路也应避开这些漏磁通大的设备。
      ②弱电压电流控制电缆不要接近易产生电弧的断路器和接触器。
      ③控制电缆建议采用 1.25mm×2或2mm×2屏蔽绞合绝缘电缆。
      ④屏蔽电缆的屏蔽要连续到电缆导体同样长。电缆在端子箱中连接时,屏蔽端子要互相连接。
      4 变频器常见故障分析
      1)变频器充电起动电路故障
       通用变频器一般为电压型变频器,采用交—直—交工作方式,即是输入为交流电源,交流电压三相整流桥整流后变为直流电压,然后直流电压经三相桥式逆变电路变换为调压调频的三相交流电输出到负载。当变频器刚上电时,由于直流侧的平波电容容量非常大,充电电流很大,通常采用一个起动电阻来限制充电电流,常见的变频起动两种电路,如图 1所示。充电完成后,控制电路通过继电器的触点或晶闸管将电阻短路,起动电路故障一般表现为起动电阻烧坏,变频器报警显示为直流母线电压故障,一般设计者在设计变频器的起动电路时,为了减少变频器的体积选择起动电阻,都选择小一些,电阻值在10~50Ω,功率为10~50W。
       当变频器的交流输入电源频繁通时,或者旁路接触器的触点接触不良时,以及旁路晶闸管的导通阻值变大时,都会导致起动电阻烧坏。如遇此情况,可购买同规格的电阻换之,同时必须找出引出电阻烧坏的原因。如果故障是由输入侧电源频率开合引起的,必须消除这种现象才能将变频器投入使用;如果故障是由旁路继电器触点或旁路晶闸管引起,则必须更换这些器件。
      2)变频器无故障显示,但不能高速运行
       我厂一台变频器状态正常,但调不到高速运行,经检查,变频器并无故障,参数设置正确,调速输入信号正常,上电运行时测试出现变频器直流母线电压只有 450V左右,正常值为580~600V,再测输入侧,发现缺了一相,故障原因是输入侧的一个空气开关的一相接触不良造成的,为什么变频器输入缺相不报警仍能在低频段工作呢?实际上变频器缺一相输入时,是可以工作的,多数变频器的母线电压下限为400V,即是当直流母线电压降至400V以下时,变频器才报告直流母线低电压故障。当两相输入时,直流母线电压为380*1.2=452V>400V。当变频器不运行时,由于平波电容的作用,直流电压也可达到正常值,新型的变频器都是采用PWM控制技术,调压调频的工作在逆变桥完成,所以在低频段输入缺相仍可以正常工作,但因为输入电压低输出电压低,造成异步电机转矩低,频率上不去。
      3)变频器显示过流
       出现这种故障显示时,首先检查加速时间参数是否太短,力矩提升参数是否太大,然后检查负载是否太重。如果无这些现象,可以断开输出侧的电流互感器和直流侧的霍尔电流检测点,复位后运行,看是否出现过流现象,如果出现的话,很可能是 1PM模块出现故障,因为1PM模块内含有过压过流、欠压、过载、过热、缺相、短路等保护功能,而这些故障信号都是经模块控制引脚的输出Fn引脚传送到微控器的,微控器接收到故障信息后,一方面封锁脉冲输出,另一方面将故障信息显示在面板上,一般更换1PM模块。
      4)变频器显示过压故障
       变频器出现过压故障,一般是雷雨天气,由于雷电串入变频器的电源中,使变频器直流侧的电压检测器动作而跳闸,在这种情况下,通常只须断开变频器电源 1min左右,再合上电源,即可复位;另一种情况是变频器驱动大惯性负载,就出现过压现象,因为这种情况下,变频器的减速停止属于再生制动,在停止过程中,变频器的输出频率按线性下降,而负载电机的频率高于变频器的输出频率,负载电机处于发电状态,机械能转化为电能,并被变频器直流侧的平波电容吸收,当这种能量足够大时,就会产生所谓的“泵升现象”,变频器直流侧的电压会超过直流母线的最大电压而跳闸,对于这种故障,一是将减速时间参数设置长些或增大制动电阻或增加制动单元;二是将变频器的停止方式设置为自由停车。
      5)电机发热,变频器显示过载
       对于已经投入运行的变频器如果出现这种故障,就必须检查负载的状况;对于新安装的变频器如果出现这种故障,很可能是 V/F曲线设置不当或电机参数设置有问题,如一台新装变频器,其驱动的是一台变频电机,电机额定参数为220V/50Hz,而变频器出厂时设置为380V/50Hz,由于安装人员没有正确设定变频器的V/F参数,导致电机运行一段时间后转子出现磁饱和,致使电机转速降低,发热而过载。所以在新变频器使用以前,必须设置好该参数,另外使用变频器的无速度传感器矢量控制方式时,没有正确的设置负载电机的额定电压、电流、容量等参数,也会导致电机热过载,还有一种情形是设置的变频器载波率过高时,也会导致电机发热过载,最后一种情形是电气设计者设计变频器常常在低频段工作,而没有考虑到在低频段工作的电机散热变差的问题,致使电机工作一段时间后发热过载,对于这种,需加装散热装置。
      5 结束语
       采用变频器作为异步电动机驱动器,尽管采用先进工艺和器件制造出来的新的可靠性非常高,但是如果使用不当或偶然事件也会发生造成变频器的损坏。要想在生产过程中,使用好变频器,熟悉变频器的结构原理,了解常见故障,对技术人员尤为重要。
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