通用变频器应用的常见错误与对策

      交流变频速以其节能显著、保护完善、控制性能好、过载能力强、使用维护方便等特点,迅速发展起来,已成为电动机调速的主潮流。变频调速在我国已进入推广应用阶段。然而由于认识上的局限,人们在VVVF(变频变压)变频器的实际应用中还存在许多错误。怎样结合生产工艺要求正确使用变频器并使其充分发挥效益,已成人们关注的焦点。现结合工程应用中的故障实例,对变频器在应用中普遍存在的问题进行分析。

      一、故障实例

      1、误操作故障

      山东业公司水泥厂7#水泥回转窑篦式冷却机设计选用两台Y250M-830kW电动机分别传动两级篦床,变频调速控制,其控制原理如图1所示。图中VVVF是日产富士FRNO37P7-4EX57kVA通用变频频器,装于低压配电室内,其电源接触器及运转命令上冷却机现场和控制室两地操作,KA是篦冷机与破碎机联锁触点。变频器系统试车时,因工艺需要,操作人员在主控室操作SB4断开变频器电源接触器KM,使处于集中控制的篦冷机停车。重新开车时,两台变频器均进入OH2(外部故障)闭锁状态,故障历史查询显示OH2和LU(低电压),检查端子THR随联接良好,电源电压正常,按RESET键复位无效,测量主电路直流电压为518V。经分析故障前篦冷机工作于集中控制状态,参与系统联锁,操作员停变频器电源实现停车时,计算机进行内部数据读操作并获取正转指令,但此时主回路直流电压尚未建立,CPU检测后封锁输出,发出OH2故障信号,因此,导致故障的真正原因是错误操作,而非现场技术人员认为的由电源接触器频繁起动变频器所致。故障原因明确以后,针对现场情况规定了操作程序,开停车使用控制室内的S2(集中控制时)或SB5、SB6开停车按钮,将集中控制室内变频器电源接触器控制按钮SB3、SB4用胶带贴封,仅当停机检修时启用,以避免误操作现象出现,系统运行正常。


                         图1

      2、使用条件造成的故障

      一家油田某采区所用的九台变频器在短期内烧毁三台,故障都是变频器控制的变压器烧毁导致主板等部件损坏。据了解,该地区电网电压有时高达480V,远超过手册规定的+10%的电压上限,使绝缘裕度较小的控制变压器烧毁。这是一个变频器用于严重过压条件下而损坏的曲型事例。因此,使用变频器时,应对使用现场的电网质量、环境温度、粉尘、干扰等条件认真调查,外部条件不能满足要求时应采取有效措施加以解决。

      二、变频器应用中的常见问题及处理方法

      1、变频器电源开关的设置与控制

      变频器用户手册规定,在电源与主电路端子之间,一定要接一个开关,这是为了确保检修安全。对这一点,一般用户能够按手册要求做。但容易忽视的是手册还建议在开关后装设电磁接触器,其目的是在变频器进入故障保护状态时能及时切断电源,防止故障扩散。在实际使用中,有的用户没有安装,有的使用不合理;如图1方案中电源接触器仅被用来实现远地停送电及变频器的过负荷保护;有些方案则仅用于起、停电动机。这都是不恰当的。由于变频器价格较高,使用时应在电源接触器控制回路中串接变频器故障报警接触器动断触点控制回路中串接变频器故障报警接链接触器动断触点(如富士P7/G7系列的B30、C30触点),这对大容量变频器尤为重要。

      变频器电源进线端一定要装设开关,使用中宜优选刀熔开关,该开关有明显的断点,集电源开关、隔离开关、应急开关和是路保护于一体,性能优于目前采用较多的单一熔断器、刀开关或自动空气开关等方案。对大容量变频器应选配快速熔断器以保护整流模块。

      变频器电源侧设置接触器应选配快速熔断器以保护整流模块。

      变频器电源侧设置接触器并参与故障联锁时,应将控制电源辅助输入端子接于接触器前,以保证变频器主电路断电后,故障显示和集中报警输出信号得以保持,便于实现故障检索及诊断。

      2、不应用电源侧接触器频繁起、停电动机

      实际应用中,有许多控制方案设置外围电路控制电源侧接触器实现系统软起动特性,图2是某杂志一篇文章推荐的日产三垦(SANKEK)变频器的控制方案。由图可知,该方案电动机起动时按SB2,其触点闭合,KA1得电,其动合触点分别发出变频器运行和时间继电器KT的激励命令,KT延时断开动合触点提供继电器KA2激励命令,KA2动合触点控制KM吸合,变频器得电起动电动机。停车时按SB1发出停车命令,KA1断电,其动合触点复位,取消运行命令并使KT断电,KT动合触点延时20s复位,电源接触器KM断电,,实现当KM起动时,先闭合KA1,停止时先断开KA1的办法,可达到起动、停止软特性,从而避免电动机反馈电压侵入变频器。


                           图2
      上述方案建议利用电源接触器直接起动变频器来实现电动机起动、停止的软特性是错误的。由图3可知,当电压型交-直-交变频器通电时,主电路将产生较大充电电流,频繁重复通断电,将产生热积累效应,引起元件的热疲劳,缩短设备寿命。因此上述方案不适用于频繁起动的设备。对不频繁起动的设备也无优越性(某些大容量变频器根本无法起动,如例1所述),因为变频器本身具有优越的控制性能,实现软起动特性应优先考虑利用正、反转命令和通过加、减速速时间设定实现,无谓地增加许多外围电路器件,不但浪费资金而且降低了系统的可靠性,大大降低了响应速度,加大维护工作量,增加损耗,是不足取的。


                           图3

      3、电动机过载保护宜优先选择电子热继电器

      一部分专业人员认为,变频器内部的过载保护只是为保护其自身而设,对电动机过载保护不适用,为了保护电动机,必须另设热继电器。在实际应用中,笔者所见各种变频调速控制方案也绝大多数在电路的不同位置设置了热继电器,以完成所控单台电动机的过负荷保护,这显然又是一种误解。对一台变频器控制一台标准四极电动机的控制方案而言,使用变频器电子热过载继电器保护电动机过载,无疑要优于外加热继电器,对普通电动机可利用其矫正特性解决低速运行时冷却条件恶化的问题,使保护性能更可靠。尤其是新型高机能变频器(如富士9S系列)现已在用户手册中给出设定曲线,用户可根据工艺条件设定。通常,考虑到变频器与电动机的匹配,电子热过载继电器可在50%~105%额定电流范围内选择设定。

      只有在下列情况时,才用常规热继电器代替电子热继电器:
      所用电动机不是四极电动机。
      使用特殊电动机(非标准通用电动机)
      一台变频器控制多台电动机。
      电动机频繁起动。

      但是,如果用户有丰富的运行经验时,笔者仍建议通过电子热继电器的合理设定(引入校正系数)来完成单台电动机变频调速的过载保护。

      当变步器选用外部热继电器进行电动机过载保护时,热继电器应装设于变频器输出侧,常见的装于输入侧的方案起不到保护作用(变频器的变频变压特性使 其低频时输入电流远远小于输出电流)。过载保护应根据设备工艺要求情况,采用变频器停止命令(断开CM)或空转停车(断开BX)命令实现停车,不宜通过电源接触器实现。

      4、变频器与电动机间不宜装设接触器

      装设于变频器和电动机间的接触器在电动机运行时通断,将产生操作过电压,对变频器造成损害,因此,用户手册要求原则上不要在变频器与电动机之间装设接触器。但是,当变频器用于下列情况时,仍有必要设置:

      当用于节能控制的变频调速系统时常工作于额定转速,为实现经济运行需切除变频器时。

      参与重要工艺流程,不能长时间停运,需切换备用控制系统以提高系统可靠性时。

      一台变频器控制多台电动机(包括互为备用的电动机)时。变频器输出侧设置电磁时,设计外围电路应避免接触器在变频器有输出时动作,任何时候严禁将电源接入变频器输出端。

      目前,有些用户为了方便测试负荷电缆和电动机绝缘,在变频器输出侧设置自动空气开关,用以在测试时切除变频器,该法弊大于利。由于变频器输出电缆(线)要求选用屏蔽电缆或穿管敷设,缆线故障几率很小,通常情况下测量电动机及电缆绝缘时,可选用铅丝或软线将变频器输入、输出、直流电抗器和制动单元联接端子可靠短接后进行测试,仅在需要测量电缆相间绝缘时拆线检测,确无必要增加投资,否则还要采取可靠措施,防止在运行中误操作。

      5、电流检测时电汉互感器的设置及电流表的选择

      由于设计人员或用户容易忽视变频器输出频率的变化特性,在电流检测及仪表选型上经学出现错误。变频器输出侧电流测量应使用电磁经系仪表,以获得所需的测量精度。例如,某杂志刊登的《一起变频器不能复位的故障处理》一文,提出变频器输出侧不能使用普通电流互感器,这是错误的论点。在变频器输出侧使用普通电流互感器是可以完成输出电流检测的。由电流互感器铁心磁通密度计算公式Bmake=K2/4.44fSmW2可知,铁心的磁通密度与交流电流频率的变化成反比,忽略次要因素时,其电流误差(即变化误差)和相位误差可看作与电流频率变化成反比,只是当电流频率超过1kHz时,铁心温度会增高。但是,由于互感器正常运行时激磁电流设计得很小(主要为了减小误差),因此,普通电流互感器用于50Hz频率附近时,其电流误差是很小的。通过实际校验对比可知,当变频器输出频率在10~50Hz之间变化时,电磁系电流表指示误差很小,实测误差在1.27%以下,并与电流频率变化成反比(以变频器输出电流指示为基准),能够满足输出电流监视的要求。此外,尤其是当变频调速系统驱动负载变化不太大的往复运动设备时,由于设备传动力矩的周期性变化,使变频器输出电流产生一定波动,变频器的LED数码显示电流值跳字严重,造成观察读数困难,采用模拟电流表可有效地解决这个问题。

      应当注意的是,使用指针式电流表测量变频器输出侧电流时,必须选择电磁经系仪表(手册通常称作动铁式),使用时应严格按用户手册的规定选择安装,以保证应有的精度。如选用整流系仪表(该错误非常普遍)时,经实测在19~50Hz区间,指示误差为69.7%~16.66%,且为负偏差。

      此外,由于变频器的输入电流一般不大于输出电流,因此,输入侧设置电流监视意义不大,一般有信号灯指示电源即可,如电压不稳时可设电压表监视。大容量变频器低频运行时,其输入侧电流表可能无指示。

      如今,变频器已具有很强的功能,但是,国内的应用情况在很大程度上与录像机一样,其功能的开发与正确应用十分有限,许多地方仅限于能够开停车和调速的应用。因此,迅速提高技术人员的应用水平,对发挥变频器的节能和优良的控制性能是十分重要的。