冶金企業(yè)設(shè)備中變頻器的使用及維修故障判斷

陳一鋒

（陜西省鑫元科工貿(mào)股份有限公司，陜西 商洛 726100）

隨著冶金行業(yè)在科學(xué)技術(shù)層面的不斷革新，直流傳動的不足之處日益明顯起來。由于換向器的存儲，增加了直流電機的維護難度，限制了單機的容量、最大速度和使用環(huán)境。由于異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定、維修保養(yǎng)簡便而且價格十分的低廉，受到了廣泛地關(guān)注。但是在當(dāng)前的生產(chǎn)中，異步電機難以滿足調(diào)速的需求。長期以來，直流調(diào)速以其優(yōu)異的性能一直在電力傳動領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著時代發(fā)展，在1960s交流電機的調(diào)速性足以趕上直流電機，交流開始逐漸替代直流。

1 變頻器的發(fā)展、組成

上世紀(jì)60年代初期，隨著晶體管的發(fā)明，冶金企業(yè)設(shè)備中的變頻器設(shè)想問世，隨后科研人員不斷進行實驗，最終發(fā)明出了第一個變頻器，它主要由普通晶閘管、單向晶體管以及變壓器等部件組成，結(jié)構(gòu)相對比較簡單，因此操作起來也相對較為的容易，但是同步電動機自控式的變頻器本身存在著很多的問題，稍有使用不當(dāng)就可能引起安全事故，因此科研人員不斷地加強變頻器的研究，將安全、便捷、節(jié)能等各種因素考慮到其中，最終提出了籠型異步電機調(diào)速系統(tǒng)，由于該變頻系統(tǒng)安全可靠，因此變頻器實現(xiàn)了大規(guī)模量產(chǎn)，投入到冶金企業(yè)生產(chǎn)中，此后，變頻器的性能還在不斷地進行優(yōu)化。

（1）變頻裝置大容量化。變頻器在發(fā)展的過程中遇到了不少的問題，由于在冶金企業(yè)的生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)環(huán)境都是高壓環(huán)境，因此普通的變頻器根本無法實現(xiàn)這種環(huán)境下電流的變頻，投入使用的變頻器不是嚴(yán)重?fù)p壞就是轉(zhuǎn)化的電流依舊不穩(wěn)定，給冶金生產(chǎn)帶來了許多問題，這是由于變頻器內(nèi)部容量不足所導(dǎo)致的，由于電容較小，高壓的情況下無法實現(xiàn)電流的穩(wěn)定化轉(zhuǎn)變，因此想要解決這種現(xiàn)象就要實現(xiàn)變頻裝置的大容量化。冶金生產(chǎn)中為了適應(yīng)大容量的高壓電動機，技術(shù)人員提出了高壓型PWM變頻器來實現(xiàn)裝置的大容量化并且得到了飛速的發(fā)展，技術(shù)投入成效非常明顯。

（2）主開關(guān)器件的自關(guān)斷化。變頻器發(fā)展中還有一項重要的技術(shù)突破就是主開關(guān)器件的自關(guān)斷化，近十幾年來科學(xué)家一直在這個領(lǐng)域中不斷地創(chuàng)新突破，欲將變頻器發(fā)展到一個新的高度，使其能夠為冶金生產(chǎn)提供更多的便利。在主開關(guān)器件的自關(guān)斷化中，比較實用的器件包括電力晶體管、絕緣柵雙極型集體管和門極關(guān)斷電閘晶體管等，這些器件幫助變頻器實現(xiàn)了主開關(guān)器件的自關(guān)斷化。隨著自關(guān)斷化器件的使用，變頻器內(nèi)部原有的復(fù)雜電路得到了優(yōu)化，省去了許多冗雜的電路組成部分，極大限度上減小了變頻器的總體面積，節(jié)約了生產(chǎn)成本，并且內(nèi)部電路的轉(zhuǎn)化效率得到了大幅度的提高，因此主開關(guān)器件的自關(guān)斷化是變頻器一個非常成功的突破。

（3）變頻裝置高性能化。變頻器問世初期，它的性能并不是非常的出色，對于電力的處理能力比較差，由于內(nèi)部采用的是U/F控制，這種電流控制方法導(dǎo)致內(nèi)部電流轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度慢，電流負(fù)載能力非常差，因此為了提高變頻器的性能，科研人員經(jīng)過不斷地研究發(fā)明，提出了變頻裝置高性能化的理念。那么變頻裝置高性能化是如何被提出并且應(yīng)用的呢，早在1970年德國西門子公司就提出了變頻器矢量控制技術(shù)，這種技術(shù)打破了傳統(tǒng)的變頻器的設(shè)計觀念，改變了原先技術(shù)中只對交流電實現(xiàn)控制的方法，通過加入新器件實現(xiàn)了在控制內(nèi)部電流量的同時也可以控制其相位，實現(xiàn)了變頻器裝置高性能化，隨著這種技術(shù)的問世，變頻器得到了更加快速的發(fā)展。

2 變頻器的使用

2.1 變頻器的使用原理

冶金機電設(shè)備中應(yīng)用變頻器的工作原理比較簡單，它就是通過電機的主電路進行控制，實現(xiàn)內(nèi)部交流電向直流電的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化的器件是整流器，隨后將轉(zhuǎn)變所得到的直流電通過中間電路進行平滑濾波處理，最后通過電機中的逆變器，將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樗枰l率的電流。

2.2 變頻器的使用

變頻器的使用是一個非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^程，包括對變頻器的選擇、安裝以及工作環(huán)境要求，每一個過程對于變頻器的使用都非常的重要，下面簡單介紹一下變頻器使用的各個流程的具體內(nèi)容。

2.2.1 變頻器的選擇

對于變頻器的選擇，首先要考慮的就是變頻器的品牌，我國國內(nèi)變頻器的品牌有上千家，所生產(chǎn)出來的變頻器質(zhì)量層次不齊，因此在選擇的過程中要找對品牌，其中口碑較好的變頻器品牌包括日本東芝、富士松下、三星、泰安、時代等等，這些品牌公司所生產(chǎn)的變頻器質(zhì)量都是非常不錯的，在市場中的競爭力也比較大。接著在變頻器的選擇過程中，選購人員還要結(jié)合自身的狀況，考慮采購儲備資金進行相應(yīng)的變頻器購買。冶金生產(chǎn)中的變頻器主要包括兩大種類，一個是通用變頻器，還有一個是專用變頻器。在變頻器的選用時還應(yīng)該考慮到容量、負(fù)載等因素，在變頻器容量的選擇上，要事先確認(rèn)工程設(shè)備的有關(guān)數(shù)值，以交變電流的額定電流為參考數(shù)值，進行精密的計算后再進行電容的選擇；而變頻器負(fù)載所要考慮到的因素就比較多了，首先變頻器負(fù)載主要分為以下三類：恒功率負(fù)載、恒定轉(zhuǎn)矩負(fù)載、降轉(zhuǎn)矩負(fù)載，不同的類型對應(yīng)不同的設(shè)備，因此在變頻器的選擇上還是要經(jīng)過慎重考慮的。

2.2.2 變頻器的安裝

變頻器的安裝主要有兩種，一種是掛式變頻器安裝，還有一種是柜式安裝。在掛式安裝中，主要要考慮的就是變頻器與周邊物體的安全距離，由于變頻器在運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生小型的電子立場，因此工作周圍是不能夠有雜物的，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是兩側(cè)大于100mm，上下大于150mm。而柜式安裝所要考慮到的因素相對而言比較多，首先單臺變頻器在安裝過程中最好的辦法是采用柜外冷卻方式，并且下方還應(yīng)該安裝排風(fēng)器，而多臺變頻器安裝是要注意在每個變頻器中間安裝上隔板，避免安全事故的發(fā)生。

3 變頻器的維護故障判斷

3.1 參數(shù)設(shè)置類故障

有一種比較常見的變頻器故障是參數(shù)設(shè)置故障，這種故障就是由于變頻器出廠參數(shù)設(shè)置不準(zhǔn)確導(dǎo)致變頻器無法正常的工作，下面簡單了解一下這種故障的判斷以及處理方法。

3.1.1 參數(shù)設(shè)置

變頻器經(jīng)由廠家生產(chǎn)完成后，會進行一個出廠設(shè)置的參數(shù)處理，主要就是設(shè)定一個數(shù)據(jù)默認(rèn)值，其設(shè)定的依據(jù)就是最大限度地滿足本公司出產(chǎn)產(chǎn)品的參數(shù)需求，目的在于能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的聯(lián)動銷售。在這種出廠參數(shù)設(shè)置的條件下，用戶可以通過板面操作使變頻器正常的運行，但是要注意的是由于多重方面因素的影響（甲乙公司是競爭關(guān)系、產(chǎn)品公司之間的技術(shù)水平更新不一致），有的時候這些出廠參數(shù)并不能滿足部分傳動系統(tǒng)的要求，因此想要正確的去使用變頻器，就要從下面兩個方面進行操作：

（1）電機參數(shù)的確認(rèn)。變頻器在進行與冶金設(shè)備電機的配對過程中，要確保電機的功率、電壓、轉(zhuǎn)速等物理數(shù)值都符合一致才能夠進行運轉(zhuǎn)，這些數(shù)值在銘牌中都能夠找到。

（2）設(shè)定變頻器的啟動方式，通常出廠設(shè)置為面板啟動，但是用戶可以按情況自主選擇另外的起動方式，如外部端子、通訊方式等。

3.1.2 參數(shù)設(shè)置類的故障處理

當(dāng)冶金在生產(chǎn)過程中，工作人員發(fā)現(xiàn)變頻器發(fā)生故障后，要及時進行檢查，并發(fā)現(xiàn)這是屬于參數(shù)設(shè)置類型的故障，最好的辦法就是找尋變頻器的說明書，一般變頻器出廠后附帶的說明書會進行參數(shù)的詳細(xì)介紹，工作人員可以依照說明書上的參數(shù)進行調(diào)整，當(dāng)這種方法不可行時，企業(yè)應(yīng)該選派專業(yè)的技術(shù)人員進行線上操作，將變頻器的所有生產(chǎn)數(shù)值都恢復(fù)到出廠設(shè)置，然后再根據(jù)工作的具體情況進行數(shù)據(jù)的設(shè)置。

3.2 過壓故障

變頻器的過電壓集中在母線的支路上。一般來說，直流電流是三相全波校正的平均值。以380V的電源電壓為例，那么平均直流電壓U=1.35u線路=513V。在過載情況下，對直流母線的儲能電容器充電。當(dāng)電壓達(dá)到約760V時，逆變器提供電壓保護。因此，轉(zhuǎn)換器有一個正常的工作電壓范圍，如果電壓超過此范圍，轉(zhuǎn)換器可能損壞。

3.2.1 輸入交流電源

這種情況下一般是冶金電機的電壓已經(jīng)超過額定電壓，導(dǎo)致電流過載故障，在節(jié)假日由于用電少負(fù)載輕，電壓內(nèi)部電流的降低導(dǎo)致線路出現(xiàn)故障，所以這種故障最好的解決方法就是斷開電源后在進行一個全面的線路檢查，隨后由企業(yè)內(nèi)的電工人員進行專門的處理。

3.2.2 發(fā)電類過電壓

如果逆變器在高慣性負(fù)載下運行，延遲時間設(shè)置得非常低。在恢復(fù)過程中，逆變器的輸出速度更快，負(fù)載電阻緩慢降低。發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于變頻器輸出頻率的轉(zhuǎn)速，電機處于功率模式，變頻器沒有能量反饋裝置。因此，變頻器二次電路的電壓升高，超過保護值就會出現(xiàn)故障。出現(xiàn)該故障，可通過無線方式添加再生制動裝置，或修改變頻器的參數(shù)，以延長變頻器的減速時間。制動總成的功能包括能耗、并聯(lián)電子母線吸收式和能量反饋式。在能量大量消耗的情況下，制動電阻與逆變器的直流電路并聯(lián)，以便通過檢測直流母線電壓來控制電源的接通和斷開。并聯(lián)直流母線吸收型用于多電機驅(qū)動系統(tǒng)，這種系統(tǒng)通常有一個或幾個電機經(jīng)常工作在電源狀態(tài)，產(chǎn)生可再生能源，能量被并聯(lián)母線吸收在電機的電態(tài)。能量反饋型的逆變器網(wǎng)絡(luò)安裝的是一種可逆的側(cè)變流器。當(dāng)可再生能源產(chǎn)生時，可逆變換器將可再生能源無敵饋回電網(wǎng)。這種故障也可能發(fā)生在多個交流電機施加相同的負(fù)載時，主要是因為沒有負(fù)載分配。取兩個電機拖動負(fù)載作為一個例子,當(dāng)一個電機的實際速度大于其他電機的同步交流轉(zhuǎn)速,電機的高速相當(dāng)于原動機,與低速電機在發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生沖突,導(dǎo)致失敗。在造紙機中經(jīng)常發(fā)生壓網(wǎng)，加工時需要增加負(fù)荷分布控制?？梢园呀涣鞯淖冾l特性調(diào)節(jié)的更加柔和。

3.3 過載故障

過載故障通常是在加速時間太短、系統(tǒng)電壓過低、負(fù)載過重等因素的影響下發(fā)生的。通?？梢圆捎媒档拓?fù)載、穩(wěn)定電壓的方式解決。電機沒有足夠的扭矩驅(qū)動負(fù)載，一方面是負(fù)載過重，另一方面可能是機械運行的阻力過大，可以檢查是否潤滑良好。如果確定是負(fù)載過大，必須更換成更大功率的電機；如果是后者，則需要對冶金生產(chǎn)機械進行大修。

3.4 欠張力

另一個常見問題是張力不足，原因是電機上的電壓低于某一個特定的值，導(dǎo)致實際電壓低于額定值。主要原因是單向橋式電路損壞或晶閘管的三個電路工作異常，可能導(dǎo)致電壓故障。其次，主線損壞，導(dǎo)致負(fù)載上的直流母線電源故障，可能導(dǎo)致欠壓。此外，由于電源故障，還存在電壓過低的問題。

3.5 過熱

過熱也是一個常見的錯誤。主要原因是環(huán)境溫度過高、風(fēng)扇鎖定、溫度傳感器性能差以及發(fā)動機過熱。

3.6 生產(chǎn)不平衡

輸出不平衡通常表現(xiàn)為電機抖動和速度不穩(wěn)定。主要原因是：組件不良、驅(qū)動循環(huán)不良、反應(yīng)器不良等。

3.7 聯(lián)軸器損壞電源

聯(lián)軸器損壞電源是變頻器最常見的故障，一般是由電源負(fù)載短路引起的。Danfos變頻器使用新的脈寬集成控制單元uc2844調(diào)整電源輸出。同時uc2844兼具電流與電壓的檢測反饋功能。當(dāng)沒有屏幕時，控制終端沒有電壓，當(dāng)24V閥門不工作時，我們首先要考慮電源是否損壞。

3.8 SC錯誤

SC誤差是安裝變頻的常見誤差。SC錯誤報警的重要原因就是IGBT模塊的損壞。此外，驅(qū)動電路的損壞很可能造成SC的錯誤報警。在電路的總體設(shè)計中，驅(qū)動的上橋安裝的PC923是一個IGBT模塊操作專用的帶放大電路的光耦，下橋安裝的驅(qū)動電路當(dāng)中使用的則是一個帶放大和檢測功能的光耦。三相的電流、電壓畸變和頻率顯示，但無電壓影響，這些現(xiàn)象會損壞IGBT模塊。還有許多因素會造成模塊的損壞。包括但不限于負(fù)載缺少、短路，以及電機堵轉(zhuǎn)等。此外，驅(qū)動部件的老化也會導(dǎo)致波形失真或驅(qū)動電壓的不正常變化，從而導(dǎo)致IGBT損壞和設(shè)備故障報警。

3.9 GF土壤缺陷

GF土壤缺陷也是常見錯誤，除了發(fā)動機接地發(fā)生故障外，路徑傳感器是最可能發(fā)生問題的部分。在溫度、濕度等環(huán)境因素的影響下，設(shè)備容易發(fā)生打滑，導(dǎo)致GF報警。

3.10 當(dāng)前限制性操作

在正常操作中，我們可能會遇到變頻器造成的電流限制。對于電流邊界報警發(fā)生時不能正常平穩(wěn)工作的普通變頻器，電壓（頻率）應(yīng)僅降低，直到電流降至允許范圍。當(dāng)電流低于額定值時，電壓或系統(tǒng)頻率會再次上升，從而導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。Danfos變頻器使用內(nèi)部傾斜控制裝置定位工作點而不超過預(yù)定功率限制，控制發(fā)動機在工作場所平穩(wěn)運行，并將警告信號發(fā)送回客戶。根據(jù)反饋的信號，檢查可能出現(xiàn)問題的部分。

4 用變頻器的維護方法

4.1 附注

操作人員必須具備相關(guān)的從業(yè)經(jīng)驗以及知識能力，最好具有相關(guān)證書。在檢測維修之前必須對所有設(shè)備切斷供電。此外，當(dāng)逆變器夾鉗完全關(guān)閉時。

4.2 例行檢查

打開變頻器之前，必須測試周圍環(huán)境的溫度和濕度。溫度過高會引起高溫報警，未及時處理會導(dǎo)致設(shè)備的損壞。當(dāng)空氣潮濕時，逆變器內(nèi)部直接短路。變頻器運行時應(yīng)注意冷卻系統(tǒng)是否正常，如風(fēng)機是否有異響，風(fēng)道排氣是否順暢等。一般來說，保護等級相對較高的變頻器（如IP20以上的變頻器）可以直接連接，而低于IP20的變頻器通常安裝在外殼上。變頻器能否及時散熱決定著系統(tǒng)的正常運行。變頻器的排氣系統(tǒng)是風(fēng)機平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)的地方。我們的日常檢查可以忽略進氣口是否有灰塵或堵塞。發(fā)動機、變壓器是否溫度過高、是否有橡膠燒焦而發(fā)出的異味，系統(tǒng)是否有異常的聲音？逆變器顯示是否過大，電流變化寬度是否過大，輸出UVW是否等于三相電壓和電流。

4.3 定期維護

清潔空氣濾清器冷卻風(fēng)道和內(nèi)部灰塵。確認(rèn)螺釘、螺栓、插頭等松動或輸入/輸出電抗器的輸入/輸出電阻短路或不超過數(shù)十歐姆。導(dǎo)體和絕緣體的腐蝕必須擦拭干凈。條件允許時，用示波器測量開關(guān)的電壓是否穩(wěn)定在設(shè)定的數(shù)值，檢測各電路是否出現(xiàn)電壓波形的失真。UVW相間波形是正弦的嗎？無論觸點上是否有標(biāo)記，嚴(yán)重的必須更換為大于相同或原始容量的新觸點。確認(rèn)控制電路電壓是否精準(zhǔn)，并試運行對系統(tǒng)進行檢測。確認(rèn)保護顯示電路無異常。確認(rèn)逆變器運行期間的輸出電壓平衡。

建議每年進行一次定期檢查。

4.4 備用交換機

變頻器的組成元件很多，部分元件在使用較長時間后的老化是變頻器故障的主要原因，為確保設(shè)施的長期正常運行，應(yīng)定期更換一些老化的部件。

4.4.1 冷卻風(fēng)扇

逆變器是系統(tǒng)中最容易發(fā)熱的設(shè)備，必須利用風(fēng)扇對其進行散熱處理。在變頻器連續(xù)運行的情況下，典型風(fēng)扇的使用壽命約為10kh～40kh，每2年～3年更換一次。直接冷卻風(fēng)機有兩條線和三條線，兩線風(fēng)機的一條線為正極，另一條線為負(fù)極，連接不誤為更換。請注意，三線制風(fēng)扇為正極和負(fù)極，并且有一條檢測線。否則會引起逆變器過熱報警。交流風(fēng)扇通常為220V和380V，但更換時不要弄錯電壓水平。

4.4.2 過濾能力

濾波器的電容也稱為電解電容，用于減緩電壓的變化，吸收頻率低的電流以及阻止直流電的通過，工作時會大量產(chǎn)熱進而導(dǎo)致電容過熱影響其工作的效率與穩(wěn)定性。正常容量壽命為5年。建議定期檢查容量，并將容量更換20%或以上。

5 結(jié)語

變頻調(diào)速以其效率高、功率因數(shù)高、調(diào)速和制動性能優(yōu)良等諸多優(yōu)點被公認(rèn)為最有前途的調(diào)速方式。交流調(diào)速系統(tǒng)由變頻器和交流電機組成，允許電壓波動范圍廣，體積小，通信能力強，調(diào)速性能好，已廣泛應(yīng)用于冶金企業(yè)、工礦企業(yè)。變頻器的日常維護是保障系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作的前提。如何進行變頻器的維護保養(yǎng)是一件非常重要的工作，工作人員要切實做好變頻器的維護工作并且掌握故障處理的方法，將公司生產(chǎn)故障降低到最小，提高生產(chǎn)力。