變頻器使用中存在的問題及對策

張友平

（林德氣體（廈門）有限公司，福建 廈門 361022）

0 引言

隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，變頻器在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用率越來越高，變頻器技術(shù)也在持續(xù)推陳出新，擁有越來越強的功能性和可靠性。但是，相關(guān)領(lǐng)域針對工業(yè)變頻器的使用，存在一定的問題，設(shè)備的應(yīng)用價值沒有被充分發(fā)揮，甚至造成經(jīng)濟損失。因此，在工業(yè)變頻器的使用過程中，需要對該特性進行研究，做好日常維護檢修工作。

1 變頻器的組成

變頻器是當今社會中一種重要的電子控制技術(shù)，該技術(shù)繼承了高壓大功率晶體管，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)電壓、電流的靈活控制。變頻器主要是由整流單元、逆變器、控制器等組成的，各部分的正常運轉(zhuǎn)與配合是實現(xiàn)變頻功能的關(guān)鍵。整流單元是將系統(tǒng)運行過程中相對固定的交流電轉(zhuǎn)換為直流電的核心裝置；逆變器是方波轉(zhuǎn)化裝置，其是由大功率開關(guān)晶體管陣列組成的，根據(jù)不同元件及系統(tǒng)的需求，對直流電進行轉(zhuǎn)化；控制器的功能是根據(jù)相關(guān)功能設(shè)定的要求，對系統(tǒng)輸出方波的脈寬、幅度進行控制，將其處理成為近似正弦波的交流電，然后驅(qū)動交流電動機開始工作。在變頻器中，主電路包括整流器、濾波器和逆變器等，逆變器的電路維護需要遵循其基本構(gòu)造特點，在保證安全的基礎(chǔ)上，做好電路檢修和維護。

2 變頻器維護中存在的問題

針對變頻器的檢修與維護，是維護系統(tǒng)運行狀態(tài)、發(fā)揮變頻器功能價值、提高系統(tǒng)運行效率的關(guān)鍵。但是在實際的檢測維護工作當中，受到內(nèi)外多種因素的影響，變頻器維護中依然存在一些問題，需要針對性地進行解決。

首先是安裝問題，部分技術(shù)人員將變頻器安裝在有振動的設(shè)備上，或者在安裝時沒有考慮變頻器冷卻散熱需求，導致散熱空間過小，無法有效維持其運行溫度。因此，技術(shù)人員在安裝時應(yīng)當充分考慮散熱需求，在既定的空間條件下，盡量采取縱向位進行安裝。

其次是低速運行和短路問題，前者是指變頻器長期處于低于15 Hz 的低速運行狀態(tài)，后者是指系統(tǒng)由于各種原因出現(xiàn)短路的現(xiàn)象。長期低速運行，會導致變頻器的運行溫度增高，系統(tǒng)現(xiàn)有的散熱系統(tǒng)無法滿足實際需求。因此，要針對性地加裝散熱風扇或相關(guān)裝置。針對系統(tǒng)的短路問題，技術(shù)人員要在日常檢修維護中做好除塵、防水的工作，并且要避免因為周邊溫度溫差過大而在變頻器周圍出現(xiàn)露水凝結(jié)的情況[3]。如果變頻器在很長一段時間內(nèi)沒有運行，在開機使用之前要先檢查電路板，做好清理工作，再通電試運行。

再次是電壓不穩(wěn)、系統(tǒng)異常振動的問題，導致變頻器電壓不穩(wěn)的原因很多，通常情況下可以在發(fā)電機系統(tǒng)中加裝穩(wěn)壓器或過壓保護裝置。如果系統(tǒng)容易出現(xiàn)異常振動的現(xiàn)象，要及時查明振動源。如果是外部裝置的原因，要采用合適的方法減少其與變頻器核心元件的接觸面積。如果是內(nèi)部原因，就要檢查各部件的安裝準確度，擰緊螺栓，對有故障問題的元器件進行處理。

另外是雷擊或干擾問題。針對雷擊問題要在安裝變頻器時就做好防范措施，定期巡檢時要全面檢查防雷接地裝置是否處于正常狀態(tài)。雷雨天氣要檢查變頻器所在房間內(nèi)外情況，關(guān)好門窗，降低系統(tǒng)被雷擊的概率。針對干擾問題，要避免變頻器周邊有大電流或經(jīng)常高負荷運行的設(shè)備。如果變頻器所在系統(tǒng)中的各類干擾問題在所難免，則需要將變頻器的控制電纜更換為屏蔽線，主電纜使用變頻器專用電纜，再加裝濾波器。另外，要定期對變頻器工作環(huán)境中的電磁干擾因素以及系統(tǒng)內(nèi)部電流電壓穩(wěn)定性進行檢測，如果發(fā)現(xiàn)干擾因素則采取必要方法進行處理，為變頻器創(chuàng)造更好的運行環(huán)境。

最后是變頻器檢測工作問題，主要表現(xiàn)為相關(guān)人員對檢測工作不重視，沒有掌握專業(yè)的檢測維修技術(shù)工藝，在檢測工作當中表現(xiàn)得隨意、馬虎、不嚴謹。顯然，這種情況會導致變頻器系統(tǒng)中的各類問題及故障隱患長期存在，較難被發(fā)現(xiàn)，不僅不利于系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行，還可能造成巨大的安全事故或經(jīng)濟損失。對此，相關(guān)單位需要提高工業(yè)變頻器檢修維護人員的準入門檻，并在相關(guān)人員入職之后做好培訓工作，確保相關(guān)人員在掌握扎實知識技能的基礎(chǔ)上，具有良好的職業(yè)素養(yǎng)和責任感。在此基礎(chǔ)上，再針對檢修維護工作制定完善、嚴謹、可行的管理監(jiān)督機制，做好權(quán)責劃分，并且執(zhí)行獎懲制度，全面提高相關(guān)部門的工作水平。

除此之外，變頻器還會受到電磁干擾的影響，干擾產(chǎn)生的主要原因在于外部組件與變頻器之間的相互干擾。具體表現(xiàn)主要為2 個方面。首先，外部組件產(chǎn)生的對變頻器的干擾。這主要是由于變頻器中的交直流設(shè)備、整流設(shè)備以及電子電壓相關(guān)設(shè)備等對于局域網(wǎng)來講均為非線性負載，產(chǎn)生的諧波能夠影響其他電氣與電子設(shè)備，甚至對電網(wǎng)電源質(zhì)量產(chǎn)生干擾。其次，變頻器對外部組件產(chǎn)生的干擾。變頻器和整個局域網(wǎng)相比屬于非線性負載，因此在使用過程中也會對其他組件造成干擾。同時變頻器當中的逆變器多數(shù)使用PWM 技術(shù)，處于開關(guān)模式狀態(tài)下，并且進行高速切換時，會有耦合性噪聲產(chǎn)生。因此變頻器對于其他電器、電子設(shè)備來講屬于電磁干擾源。

3 變頻器常見問題的解決思路和方法

3.1 加強電磁抗干擾管理

首先，可以運用空間隔離措施?？臻g隔離將容易出現(xiàn)干擾的兩個設(shè)備進行分開放置，使其在空間位置上留有一定距離，進而在電磁干擾產(chǎn)生和傳輸時便會有所削弱或者是完全消失，進而對其他設(shè)備的干擾減少。但是在空間面積的影響下，要想完全實現(xiàn)空間隔離并不現(xiàn)實，也會使空間被大量占用。在此情況下，可以將容易被干擾的變頻器以及弱電控制設(shè)施進行分開放置，在條件允許的情況下盡量保持一定距離，中間位置可以放置不容易被干擾的設(shè)備。變頻器在實際運行過程中，會產(chǎn)生高次諧波，引發(fā)磁場對部分機械部件形成電磁策動力。策動力如果在頻率上與機械當中部件的頻率相等或者相似，都會造成電磁影響下震動的發(fā)生。將震動減少的主要方式為將交流電抗器在電動機與變頻器之間接入，促進變頻器中產(chǎn)生高次諧波的減弱。在此情況下，抗電器需要安裝在和變頻器距離較近的地方，進而將引線距離減少。

3.2 制定定期檢修機制

針對變頻器常見的各種故障問題，最好的方法是針對變頻器做好日常的檢修工作。相關(guān)單位人員需要根據(jù)實際情況，制定一套完善的檢修維護工作機制。該機制應(yīng)當由定期巡檢和針對性檢查兩部分組成，前者重點在于對變頻器乃至整個系統(tǒng)各部分運行狀態(tài)進行檢查，后者重點在于對變頻器容易發(fā)生故障的地方進行針對性、深入性的檢查。在定期檢修環(huán)節(jié)中，操作人員需要確保電源被切斷，待變頻器的面板電源指示燈完全熄滅之后，還要再等待4 min～15 min，該等待過程的目的在于讓主電流直流濾波電容器能夠充分放電，而等待時長則與變頻器容量成正比[2]。在操作之前，還要使用萬用表確認電容器是否完全放電。在檢查完成之后，需要保證所有裝置歸位，然后讓設(shè)備帶電機空載試運行一段時間，觀察其電機運轉(zhuǎn)方向、變頻器運行狀態(tài)是否穩(wěn)定。

例如，筆者依據(jù)變頻器使用手冊和自己的工作經(jīng)驗，制定了一套變頻器3 年期維護檢查的機制，具體流程如下。1）拆下變頻器控制主板，然后使用除塵器及毛刷，將變頻器內(nèi)部IGBT 模塊、線路板等位置清理干凈，降低灰塵對其工作及散熱的影響。對于線路板臟污的位置，針對性的使用棉布沾適量酒精進行擦除。然后要檢查變頻器裝置內(nèi)各條導線絕緣層的完整度和狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)破損要及時更換。2）在變頻器的工作過程當中，會因為外部溫度變化或振動問題而出現(xiàn)螺絲、元件松動的情況。因此，在日常檢修保養(yǎng)的過程中，要檢查各個螺栓、緊固件、元件是否足夠緊固。然后要檢查系統(tǒng)散熱風扇是否完好，尤其要檢查散熱風扇的軸承，通常按照2 年更換一次風扇軸承的頻率，確保系統(tǒng)散熱正常。3）針對系統(tǒng)變壓器以及輸入輸出電抗器的檢查，筆者采用專業(yè)的方法，評估其是否出現(xiàn)過熱的情況。同時，通過感官看外部是否有變色、異味情況。同時，要對變頻器系統(tǒng)中部回路濾波電解電容器的安全閥進行檢查，明確是否存在裂縫、變形等問題。通常情況下，濾波電容器使用壽命為五年，需要按照1 年的間隔時間進行檢查，最后2 年則按照半年1 次的頻率進行檢查，確保其處于正常工作狀態(tài)。4）要對變頻器絕緣電阻進行檢查，并且要嚴格杜絕使用兆歐表進行測量檢測，否則很容易導致系統(tǒng)電子元器件受到影響。在檢查時，要斷開變頻器電源，然后檢查系統(tǒng)各位置是否按照規(guī)范接地。

3.3 加強日常維護保養(yǎng)

工業(yè)變頻器應(yīng)當按照規(guī)范要求安裝在室內(nèi)，否則容易受到外部環(huán)境的不利影響。安裝環(huán)境的溫度應(yīng)當控制在-10 ℃～40 ℃，相對濕度要控制在90%以下，且變頻器內(nèi)外不能因環(huán)境原因凝結(jié)露水，否則可能導致短路問題的發(fā)生[1]。變頻器安裝位置不能被陽光長時間直射，要遠離腐蝕性、可燃性氣體，周邊不能有較強振動或電磁干擾因素。具體來講，變頻器因各種因素而出現(xiàn)的振動幅度要控制在3 mm 以內(nèi)，否則會影響其正常功能。

在變頻器的安裝中，要預(yù)留足夠的拆裝、檢修維護空間以及散熱空間，并且還要安裝必要的通風換氣裝置。如果電力系統(tǒng)中存在高次諧波、無線電干擾設(shè)備，在安裝時應(yīng)當與變頻器保持足以消除影響的距離。

針對系統(tǒng)中長期保持運行的變頻器，檢修人員首先可以通過目視的方式進行檢查，檢查重點是變頻器的運行狀態(tài)和外觀品質(zhì)。定期的巡視檢查，可以第一時間發(fā)現(xiàn)變頻器比較嚴重的異?，F(xiàn)象。其次，檢修人員要按照規(guī)范檢查變頻器周邊環(huán)境溫度。變頻器在長期運行狀態(tài)下，會有大量熱量產(chǎn)生，部分熱量在不能及時擴散的情況下會在設(shè)備當中殘留，進而使設(shè)備老化加快，影響其實際運行效率。通常情況下，如果變頻器工作環(huán)境溫度在合理范圍之外每升高10 ℃，設(shè)備的使用壽命將減少一半。變頻器工作的最佳環(huán)境溫度是25 ℃左右，最佳相對濕度為30%左右。檢查過程中要明確變頻器顯示面板上的相關(guān)數(shù)值是否在合理范圍之內(nèi)，變頻器散熱風扇是否正常運轉(zhuǎn)，散熱口是否被遮擋等。設(shè)備中的風扇能使產(chǎn)生的熱量得以降低，并且可以在設(shè)備機房當中對循環(huán)通風系統(tǒng)進行安裝，進而使室內(nèi)溫度得到保證，促進變頻器的降溫。另外，要針對變頻器的故障報警系統(tǒng)進行檢查，明確其是否處于正常運轉(zhuǎn)的狀態(tài)。變頻器工作過程中，其交流輸入電壓極限應(yīng)當是418 V，如果主電路外加輸入電壓超過該最大幅度，很可能會導致變頻器無法運行，甚至損壞變頻器。變頻器屬于精細程度較高的電子設(shè)備，包括多種電子組件和電子元件，溫度高低與其實際使用壽命之間聯(lián)系緊密，通過變頻器實際運行環(huán)境溫度的降低，能夠延長使用壽命，并且使設(shè)備穩(wěn)定性得到保證。一般來說，在較為重要設(shè)備放置機房當中會設(shè)置散熱冷卻相應(yīng)系統(tǒng)，其中主要有加裝風道、空調(diào)移機冷水設(shè)備等。除此之外，變頻器在實際應(yīng)用過程中，也會出現(xiàn)電源異常問題，故障主要體現(xiàn)在欠壓、過壓一級停電，有時會出現(xiàn)這幾種的混合形式，異常現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因在于輸電線路受到雪、風、大雨等的影響。部分情況下也會出現(xiàn)相同供電系統(tǒng)當中出現(xiàn)相間短路與對地短路問題，如在電弧爐、電焊機、軋鋼機等影響下，電壓會出現(xiàn)閃變問題。在一個車間中，多臺變頻器出現(xiàn)容性整流負載情況下，產(chǎn)生的諧波會對電網(wǎng)質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響，影響不嚴重的情況下會使其難以連續(xù)運用，在影響嚴重情況下將會使設(shè)備在輸入回路上有所損壞。為了使設(shè)備得以正常運用，供電電源應(yīng)使用雙電源，在備用電源安裝過程中需要使用變頻器，確保變頻器電源能夠正常供電，電弧爐、電焊機、軋鋼機等需使用電容補償柜。

4 變頻器優(yōu)化改造實踐分析

在現(xiàn)代社會生產(chǎn)力進一步提升、各項工業(yè)技術(shù)不斷進步的情況下，為了進一步滿足工業(yè)生產(chǎn)管理的新要求，對工廠設(shè)備的運行方式進行了改造升級。筆者針對公司某現(xiàn)場的8466C 水泵電機運行系統(tǒng)進行了變頻運行改造。在該過程中，首先設(shè)置水泵電機直接啟動方式為變頻運行方式，打開水泵所有的閥門，然后根據(jù)系統(tǒng)中冷卻水的流量及目標壓力，通過DCS 輸入4 mA～20 mA 的電流信號改變變頻器的頻率。通過這種方式，對水泵轉(zhuǎn)速進行控制，滿足了控制流量和系統(tǒng)壓力的需求。為了保證在變頻器發(fā)生故障時系統(tǒng)也能正常生產(chǎn)，筆者所在的技術(shù)團隊為系統(tǒng)設(shè)置了旁路接觸器，一旦變頻器發(fā)生故障，系統(tǒng)會自動將水泵轉(zhuǎn)為工頻運行。同時在變頻器回路設(shè)置了輸出接觸器，當變頻器出現(xiàn)故障時，將與主電路完全斷開，確保系統(tǒng)安全，同時為后續(xù)的維修、更換創(chuàng)造安全的條件。本次變頻器系統(tǒng)改造完成之后，經(jīng)過3 個多月的運行觀察，如圖1 和表1中的數(shù)據(jù)所示，可以發(fā)現(xiàn)該變頻器柜內(nèi)的溫升符合實際要求。

圖1 變頻器柜紅外成像圖

表1 變頻器改造后溫升數(shù)據(jù)示意

5 結(jié)語

綜上所述，在如今自動化技術(shù)飛速發(fā)展和大范圍應(yīng)用的大環(huán)境下，工業(yè)變頻器的使用和維護管理至關(guān)重要。針對工業(yè)變頻器及相關(guān)系統(tǒng)的檢修和維護工作，技術(shù)團隊應(yīng)當深入分析在工作過程中可能面臨的挑戰(zhàn)、問題及干擾因素，再在全面了解變頻器系統(tǒng)功能特性的基礎(chǔ)上，制定嚴謹、完善的檢修維護管理工作制度，結(jié)合定期檢修維護與重點檢修維護的工作機制，全面提高變頻器檢修維護工作水平；再通過具體的案例應(yīng)用，來不斷加深對變頻器性能和結(jié)構(gòu)的了解。這樣才能嫻熟地掌握變頻器的正常運行狀況和維護技能，充分發(fā)揮其功能價值。