变频调速器的常见故障分析和预防措施

       近年来,随着微电子技术及IGBT功率期间的迅速发展,作为交流电机主要调速方式的变频调速技术也获得了前所未有的发展。尤其是矢量控制变频器,以其优异的控制性能在调速领域独树一帜,在港口机械、冶金、造纸、电梯等多个领域得到迅速推广。日本,欧美等变频技术发达国家,均承认以进入AC(交流)时代。我国港口机械设备中的场桥(RTG)、门座式起重机、装卸桥(C/C)也广泛使用了变频调速器,从37kW到440kW均有应用实例。随着使用数量的不断增加,也遇到了故障维修问题。我公司于1997年对4台门机的变幅及旋转机构进行了变频调速改造,经过一年多的实际运行,下面就变频器的常见故障及预防措施进行分析及探讨。
      1.变频器的主要故障原因及预防措施
      由于使用方法不正确或设置环境不合理,将容易造成变频器误动作及发生故障,或者无法满足预期的运行效果,为防患于未然,事先对故障原因进行认真分析显得尤为重要。图1所示为变频器硬件回路框图。
      1.1外部的电磁感应干扰
      如果变频器周围存在干扰源,它们将通过辐射或电源线侵入变频器的内部,引起控制回路误动作,造成工作不正常或停机,严重时甚至损坏变频器。提高变频器自身的抗干扰能力固然重要,但由于受装置成本限制,在外部采取噪声抑制措施,消除干扰源显得更合理,更必要。以下几项措施是对噪声干扰实行“三不”原则的具体方法。
      (1)变频器周围所有继电器、接触器的控制线圈上需加装防止冲击电压的吸收装置,如RC吸收器。
      (2)尽量缩短控制回路的配线距离,并使其与主线路分离。
      (3)指定采用屏蔽线的回路,必须按规定进行,若线路较长,应采用合理的中继方式。
      (4)变频器接地端子应按规定进行,不能同电焊,动力接地混用。
      (5)变频器输入端安装噪声滤波器,避免由电源进线引入干扰。
      以上即为不输出干扰、不传送干扰、不接受干扰的“三不”原则。
      1.2安装环境
      变频器属于电子器件装置,在其规格书中有详细安装使用环境的要求。在特殊情况下,若确实无法满足这些要求,必须尽量采用相应抑制措施。
      (1)振动是对电子器件造成机械损伤的主要原因。对于振动冲击较大的场合,应采用橡胶等避振措施。
      (2)潮湿、腐蚀性气体及尘埃等将造成电子器件生锈、接触不良、绝缘降低而形成短路。作为防范措施,应对控制板进行防腐防尘处理,并进量采用封闭式结构。
      (3)温度是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素,特别是半导体器件,若结温超过规定值将立刻造成器件损坏,因此应根据装置要求的环境条件安装空调或避免日光直射。
      除上述3点外,定期检查变频器的空气滤请器及冷却风扇也是非常必要的。
      对于特殊的高寒场合,为防止微处理器因温度过低而不能正常工作,应采取设置空间加热器等必要措施。
      1.3电源异常
       电源异常表现为各种形式,但大致分以下3种,即:缺相、低电压、停电。有时也出现它们的混合形式。这些异常现象的主要原因多半是输电线路因风、雪、雷击造成的,有时也因为同一供电系统内出现对地短路及相间短路。而雷击因地域和季节有很大差异。除电压波动外,有些电网或自行发电单位,也会出现频率波动,并且这些现象有时在短时间内重复出现,为保证设备的正常运行,对变频器供电电源也提出相应要求。
      (1)如果附近有直接起动电动机和电磁炉等设备,为防止这些设备投入时造成的电压降低,硬是变频器供电系统分离,减小相互影响。
      (2)对于要求瞬时停电后仍能继续运行的场合,除选择合适规格的变频器外,还因预先考虑负载电机的降速比例。变频器和外部控制回路采用瞬停补偿方式,当电压回复后,通过速度追踪和测速电机的检测来防止在加速中的过电流。
      (3)对于要求必须量需运行的设备,要对变频器加装自动切换的不停电电源装置。
      二极管输入及使用单相控制电源的变频器,虽然在缺相状态也能继续工作,但整流器中个别器件电流过大及电容器的脉冲电流过大,若长期运行将对变频器的寿命及可靠性造成不良影响,应及早检查处理。
      1.4雷击、感应雷电
      雷击或感应雷击形成的冲击电压有时也能造成变频器的损坏。此外,当电源系统一次侧带有真空断路器时,短路器开,闭也能产生较高的冲击电压。如图2 所示。
      变压器一次侧真空断路器断开时,通过耦合在二次侧形成很高的电压冲击尖峰。
      (1)为防止因冲击电压造成过电压损坏,通常需要在变频器的输入端加压敏电阻等吸收器件,保证输入电压不高于变频器主回路期间所允许的最大电压。如图3所示。
      (2)当使用真空断路器时,应景量采用冲击形成追加RC浪涌吸收器。
      (3)若变压器一次侧有真空断路器,因在控制时序上保证真空断路器动作前先将变频器断开。
      2.变频器本身的故障自诊断及预防功能。
      过去的晶体管变频器主要有以下缺点:容易跳闸,不容易再起动,过负载能力低。由于IGBT及CPU的迅速发展,变频器内部增加了完善的自诊断及故障防范功能,大幅度提高了变频器的可靠性。
      有图4变频器故障解析示意图可知,
      如果使用矢量控制变频器中的“全领域自动转矩补偿功能”,其中“起动转矩不足”,“环境条件变化造成出力下降”等故障原因,将得到很好的克服。该功能是利用变频器内部的微型计算机的高速运算,计算出当前时刻所需要的转矩,迅速对输出电压进行修正和补偿,以抵消因外部条件变化而造成的变频器输出转矩变化。
      此外,由于变频器的软件开发更加完善,可以预先在变频器的内部设置各种故障防止措施,并使故障化解后仍能保持继续运行,例如:
      1.     对自由停车过程中的电机进行再起动;
      2.     对内部故障自动复位并保持连续运行;
      3.     负载转矩过大时能自动调整运行曲线,避免Trip;
      4.     能够对机械系统的异常转矩进行检测。

      3.变频器对周边设备的影响及故障防范
       变频器的安装使用也将对其他设备产生影响,有时甚至导致其他设备故障。因此,对这些影响因素进行分析探讨,并研究应该采取哪些措施时非常必要的。
      3.1电源高次谐波
      由于目前的变频器几乎都采用PWM控制方式,这样的脉冲调制形式使得变频器运行时在电源侧产生高次谐波电流,并造成电压波形畸变,对电源系统产生严重影响,通常采用以下处理措施。
      (1)采用专用变压器对变频器供电,与其它供电系统分离。
      (2)在变频器输入侧加装滤波电抗器或多种整流桥回路,降低高次谐波分量,如图5所示。

     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
      对于有进相电容器的场合因高次谐波电流将电容电流增加造成发热严重,必须在电容前串接电抗器,以减小谐波分量。如图6 所示,对电抗器的电感应合理分析计算,避免形成LC振荡。
      3.2电动机温度过高及运行范围
      对于现有电机进行变频调速改造时,由于自冷电机在低速运行时冷却能力下降造成电机过热。此外,因为变频器输出波形中所含有的高次谐波势必增加电机的铁损和铜损,因此在确认电机的负载状态和运行范围之后,采取以下的相应措施。
      (1)对电机进行强冷通风或提高电机规格等级。
      (2)更换变频专用电机。
      (3)限定运行范围,避开低速区。
      3.3振动、噪声
      振动通常是由于电机的脉动转矩及机械系统的共振引起的,特别是当脉动转矩与机械共振电恰好一致时更为严重。噪声通常分为变频装置噪声和电动机噪声,对于不同的安装场所应采取不同的处理措施。
      (1)变频器在调试过程中,在保证控制精度的前提下,应尽量减小脉冲转矩成分。
      (2)调试确认机械共振点,利用变频器的频率屏蔽功能,使这些共振点排除在运行范围之外。
      (3)由于变频器噪声主要有冷却风扇机电抗器产生,因选用低噪声器件。
      (4) 在电动机与变频器之间合理设置交流电抗器,减小因PWM调制方式造成的高次谐波。
      3.4高频开关形成的尖峰电压对电机绝缘不利
      在变频器的输出电压中,含有高贫贱风浪用电压。这些高次谐波冲击电压将时电动机绕组的绝缘强度降低,尤其以PWM控制型变频器更为明显,应采取以下措施。
      (1)尽量缩短变频器到电机的配线距离。
      (2)采用阻断二极管的浪涌电压吸收装置,对变频器输出电压进行处理。  
      (3)对PWM型变频器应尽量在电机输入侧加装图7所使得滤波器。
      图7b中无滤波器是输出电压上升沿有明显冲击电压,容易造成电机绝缘损伤。
       以上是在变频器使用中的经验总结,希望能给其他用户提供参考,使变频器能在我国更好地推广使用。
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