變頻器的使用及維護探討

張博源

（北京市京密引水管理處，北京 101400）

目前，就電氣工程的控制方面來看，變頻器的工作原理清晰，在具體的控制過程中控制效果理想。利用變頻器來解決實際問題時，對變頻器的使用和維護是非常有必要的，能夠保持變頻器運行的穩(wěn)定性，提高變頻器的質(zhì)量，從而取得良好的使用效果。

1 變頻器的工作原理及選擇

1.1 變頻器工作原理

變頻器的電路主要由控制電路和主電路共同組成。整流器主要用于調(diào)節(jié)電流，將交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源。變頻器主要由人機界面、CPU和監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成，其中控制系統(tǒng)是通過各部件之間的配合來實現(xiàn)的，其工作原理，如圖1所示。

圖1 變頻器工作原理圖

1.2 變頻器選擇原則

變頻器是一種節(jié)能裝置，但并不適合驅(qū)動所有的裝置。在工程設(shè)計或設(shè)備改造中，變頻器的選擇應(yīng)以了解被驅(qū)動設(shè)備的負載特性和各種變頻器的性能和質(zhì)量為基礎(chǔ)。變頻器的選擇不僅與電機的結(jié)構(gòu)和容量有關(guān)，還與電機所承載的負載類型有關(guān)，這直接關(guān)系到電機的運行狀態(tài)。一般的選擇原則是，功能特性可以在可靠性的基礎(chǔ)上保證更好的性價比。

雖然變頻器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代家用電器和工程電器中，但是很多驅(qū)動設(shè)備無法與之匹配，需要掌握不同形狀的變頻器及其在不同條件下的具體性能和質(zhì)量依據(jù)，以滿足不同驅(qū)動設(shè)備的負載要求。變頻器的選擇與所控制設(shè)備負載的性能曲線密切相關(guān)，要根據(jù)不同的負載特性和機械效率，選擇相應(yīng)的變頻器。在使用變頻器時，必須考慮電流、電壓和設(shè)備的匹配。

變頻器的結(jié)構(gòu)特點使得變頻器電機線上產(chǎn)生的變頻信號容易引起電磁干擾，故而使用變頻器時要注意環(huán)境。采用變頻驅(qū)動技術(shù)的變頻器，結(jié)合其在電氣設(shè)備中的應(yīng)用，對工作環(huán)境有著特殊的要求，在使用變頻器時還要考慮散熱需要。

1.3 變頻器選擇方法

接下來根據(jù)不同的電機結(jié)構(gòu)選擇變頻器的方法。

（1）籠型異步電機。與頻率電源相比，變頻器提供的電流是脈動電流，其脈動值大于頻率電源提供的電流。此外，由于輸出電壓和電流受到諧波信號的影響，降低了電機的效率和功率因數(shù)，電流會增加10%左右，因此在選用搭配籠型異步電動機的變頻器時，其額定電流應(yīng)大于標(biāo)準(zhǔn)電動機的額定電流。

（2）變極電機。當(dāng)變頻器用于控制變極電機時，可以通過更換導(dǎo)線的方式實現(xiàn)。變極電機采用變頻器控制時，應(yīng)注意以下幾點：①如果在操作過程中轉(zhuǎn)換極數(shù)，則必須在切換前停止運行電機。否則，電機在切換時將會出現(xiàn)空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，產(chǎn)生大電流，這段時間可能會造成變頻器的損壞。此外，變頻器的過電流保護會使電機自由停車，無法繼續(xù)工作。②變極電機的尺寸大小比通用電機大，電流也大。對此，有必要選擇大容量的串聯(lián)變頻器。③將變頻電源中的變極電機改為變頻器控制時，會限制旋轉(zhuǎn)部件的強度和軸承壽命。

（3）帶制動器的電機。在生產(chǎn)設(shè)備中，為了定位電機、安全停車并在停車期間保持電機靜止，必須使用帶機械制動器的電機。一般情況下，盤式制動器有兩種，分別為交流電磁鐵和直流電磁鐵。使用變頻器驅(qū)動制動器電機時，需要注意制動電源必須連接到變頻器輸入端子，不能像電動機一樣連接到變頻器的輸出端。當(dāng)制動電機由變頻器驅(qū)動時，必須充分注意從高于工頻的頻率啟動制動。最好在變頻器或所選部件的制動單元中使用再生制動電路，將其降低到低于電源頻率的頻率，然后使用制動器制動。

2 變頻器在恒壓變頻供水系統(tǒng)的應(yīng)用

在變頻器的使用中，恒壓變頻供水系統(tǒng)具有十分明顯的效果。接下來對筆者所在單位的恒壓變頻供水系統(tǒng)中的變頻器進行分析。

恒壓變頻供水系統(tǒng)充分集成了PLC控制技術(shù)、變頻控制技術(shù)、電動泵組控制技術(shù)等現(xiàn)代化新技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)原理，在遠程傳輸系統(tǒng)中，通過壓力表對泵出口管上的電壓信號進行轉(zhuǎn)換；電壓信號由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換以獲得數(shù)字量，然后發(fā)送到PLC；在PLC內(nèi)部執(zhí)行PID操作后，輸出參考值；將參考值轉(zhuǎn)換后得到模擬值，再將模擬值傳送給變頻器，控制其輸出頻率的變化。其優(yōu)點是運行中的水泵數(shù)量取決于所用的水量。當(dāng)用戶用水量較小時，水泵的工作方式為變頻。當(dāng)用戶用水量增加時，泵的工作頻率也會隨著用水量的增加而增加。恒壓變頻供水系統(tǒng)運行的可靠性是傳統(tǒng)供水系統(tǒng)無法比擬的。管網(wǎng)中的壓力能保持在一定值，從而達到節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地的目的。即使變頻器發(fā)生故障，也能保證系統(tǒng)供水，排除故障后依然能達到自動啟動的目的，具有一定的先進性。在地下水的抽取工程中，利用變頻器控制供水系統(tǒng)的水壓，根據(jù)變頻器的特點對變頻器進行調(diào)節(jié)和控制，使恒壓供水系統(tǒng)能夠滿足需要。

在系統(tǒng)運行時，PLC通過輸出端口控制變頻器的啟動。當(dāng)壓力值低于設(shè)定值，管道中的水由水泵返回，同時電磁閥將處于關(guān)閉狀態(tài)，以保證不會發(fā)生回流現(xiàn)象。當(dāng)有大量的用戶同時用水，短時間內(nèi)的用水量會急劇增加，水管水壓會不斷降低，此時需要通過控制PLC的頻率來確保水流量滿足短時間內(nèi)大量用水的需求，保證設(shè)備能夠正常運行。如果出現(xiàn)供水水管內(nèi)的壓力一直處于較低水平的情況，PLC將自動調(diào)節(jié)變頻器進行輪換工作，保證兩臺水泵在高負載的情況下能夠交替使用，從而不影響泵的壽命，盡量保證在一臺泵獨立工作幾個小時后，能夠在最短的時間內(nèi)更換另一臺泵，實現(xiàn)供水的連續(xù)性。

當(dāng)用戶用水量太小，導(dǎo)致壓力超過預(yù)定值時，技術(shù)人員會進行處理。具體的處理方法是先估計壓力值。如果壓力值在短時間內(nèi)低于預(yù)定值，就能夠?qū)崿F(xiàn)供水系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行。如果壓力值始終高于預(yù)定值，員工將暫停供水泵，讓蓄能器中存在流量輸出，當(dāng)水壓低于設(shè)定值時再進行供水。

故障診斷中采用軟件控制。如果發(fā)生故障，故障報告結(jié)果將會被直接顯示在觸摸屏上，并伴有報警聲，并自動切斷電源、停泵。如果PLC控制信號使水泵旋轉(zhuǎn)，但電流傳感模塊感測不到電路中的電流，則說明水泵處于開路狀態(tài)。該功能可以幫助維修人員及時、準(zhǔn)確地找到供水系統(tǒng)的故障點，進一步提高居民生活用水的安全穩(wěn)定性。

3 變頻器的維護

對變頻器進行維護能夠有效延長其使用壽命。變頻器的運行維護主要包括以下兩個方面。

3.1 變頻器的日常維護

變頻器的日常維護是在一定的環(huán)境下進行的，受到多種環(huán)境因素的影響，包括濕度、溫度、氣體和粉塵等。

（1）濕度。過高或過低的濕度都會嚴重影響變頻器的絕緣效果，變頻器工作環(huán)境的濕度應(yīng)保持在40%～90%。如果低于此范圍，應(yīng)將空氣送入變頻器所在的配電箱；如果高于此范圍，應(yīng)在配電箱附近放置吸濕劑。

（2）溫度。一般情況下，變頻器的使用范圍為-10～50℃。如果在這個范圍之外工作，會影響變頻器的使用效果。另外，需要記錄變頻器的三相電流和電壓，最好2周檢查一次，通過比較數(shù)據(jù)以確定變頻器的平穩(wěn)運行。還應(yīng)注意變頻器的散熱情況。溫度過高會造成變頻器的不良工作狀態(tài)，如果溫度記錄過高，應(yīng)及時檢查散熱器的狀況。

（3）煤氣和灰塵。如果變頻器環(huán)境中存在不必要的氣體和粉塵，將影響變頻器的正常運行，故有必要并采取相應(yīng)的技術(shù)措施，避免氣體和粉塵對變頻器的影響。

（4）日常檢查。運行過程中，要對變頻器的各項因素進行日常檢查，檢查中應(yīng)特別注意周圍環(huán)境是否清潔、電線是否外露等。

3.2 變頻器的定期維護

變頻器使用過程中，要定期檢查其使用情況。用戶應(yīng)每3～6個月對變頻器進行定期檢查。定期檢查時，應(yīng)提前停止變頻器，切斷外部電源，拆除外殼。

（1）定期除塵。變頻器運行一段時間后，需要進行除塵處理。變頻器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及的元件很多。為了徹底除塵，必須拆卸變頻器進行吹灰處理。對于難以清除的灰塵，可用刷子刷掉；對于易受粉塵影響的敏感部件，應(yīng)提高除塵頻率。還要定期清洗散熱器，有效防止散熱器因積灰堵塞而過熱損壞。變頻器的除塵工作應(yīng)定期、及時進行，每季度的除塵工作應(yīng)在前3周內(nèi)進行。

（2）定期更換老化零件。在使用過程中，要定期檢查各部件的狀態(tài)，及時更換故障或運行不良的部件，保證變頻器的正常運行。

4 變頻器常見故障及處理

變頻器在使用過程中常見的故障有電壓故障、電流故障以及過載故障等。當(dāng)變頻器故障報警時，首先要考慮參數(shù)設(shè)計，并通過通電檢測檢查參數(shù)設(shè)置。但變頻器故障源較多，在變頻器運行過程中難以檢測，為此需要采用非常規(guī)的方法檢測。

目前，市場中變頻器的種類繁多，但它們的故障具有一定的共性。大致可分為以下三種：

（1）過電壓故障：當(dāng)電壓不足時，要檢查變頻器的接觸器和整流器是否損壞，然后檢查電路系統(tǒng)的負載啟動問題。

（2）過電流故障：檢查需要變頻的設(shè)備內(nèi)部是否存在問題，然后再檢查變頻器是否損壞。

（3）過載故障：設(shè)置熱繼電器保護值和轉(zhuǎn)矩升壓量，最終消除變頻器的過載故障。

在變頻器故障維修中，對整個變頻器進行負載測試也是非常重要的，是保證維修效果的不容忽視的重要環(huán)節(jié)。

5 結(jié)論

目前，變頻器是應(yīng)用十分廣泛的一類電氣件。在應(yīng)用變頻器的過程中，首先要了解各種變頻器的性能和質(zhì)量，熟悉驅(qū)動設(shè)備的負載特性。使用變頻器時，必須了解和掌握各種常見故障的原因、判斷方法，采用相應(yīng)的措施對變頻器進行合理使用和維護，這樣不僅能充分發(fā)揮變頻器的最大效率，還有利于設(shè)備的穩(wěn)定運行。