變頻器在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用及其故障研究

周業(yè)春，耿海波

（1.東營(yíng)市技師學(xué)院，山東 東營(yíng) 257000；2.東營(yíng)市中等專業(yè)學(xué)校，山東 東營(yíng) 257000）

引言

變頻調(diào)速技術(shù)是隨著現(xiàn)代電力發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的必然產(chǎn)物，集合了電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論等多個(gè)領(lǐng)域，是對(duì)過(guò)去滑差調(diào)速、變級(jí)調(diào)速、直流調(diào)速的突破與創(chuàng)新，是交流調(diào)速最為核心的裝置，能夠與不同的運(yùn)行系統(tǒng)相匹配，調(diào)速范圍大，而且啟動(dòng)電流小，能夠避免產(chǎn)生大量的資源浪費(fèi)。但不可否認(rèn)的是，變頻器的操作流程是十分嚴(yán)格的，如果沒(méi)有按照要求來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)，就很有可能會(huì)發(fā)生各種各樣的故障，最終帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失甚至是人身安全損害。因此，必須要注重對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)中變頻器故障的分析，做好日常的維修和檢驗(yàn)工作。

1 分析變頻器的構(gòu)造和組成特點(diǎn)

1.1 主電路

主電路作為異步電動(dòng)機(jī)電力變換的關(guān)鍵，只有主電路才能完成異步電動(dòng)機(jī)的電力變換工作，比如電源調(diào)頻調(diào)壓。一般情況下變頻器的主電路分為兩種，分別是電壓型、電流型。其中電壓型的變頻器和電流型的變頻器都可以將電壓源的直流直接轉(zhuǎn)化成交流，而兩者不同的地方是電壓型變頻器是直流回路濾波為電容，而電流型的變頻器是交流回路濾波作為電感。線路運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中會(huì)涉及到三個(gè)部分。第一部分是整流器。整流器是將工頻電源轉(zhuǎn)變成直流功率，通過(guò)三相E的交流，做出防雷和濾波的處理，進(jìn)而使得電路可以有效地吸收雷擊殘留電壓，保證后期的可靠運(yùn)行，進(jìn)而有效地矯正整流和無(wú)源功率因數(shù)，成為高壓直流電。第二部分是逆變部分。逆變模塊和第一部分的整流模塊相比較而言，它可以將高壓直流電直接轉(zhuǎn)化成交流的功率，以此保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。逆變模塊在工作時(shí)可以由操作人員進(jìn)行時(shí)間的設(shè)定，有效地控制6個(gè)開(kāi)關(guān)器件的運(yùn)行狀態(tài)輸出三相交流。第三部分是脈動(dòng)電壓。脈動(dòng)電壓處于在整流模塊做好整流處理工作之后，屬于直流電壓的一部分。通常情況下脈動(dòng)電壓是電源的6倍頻率，當(dāng)逆變器在運(yùn)行的過(guò)程中產(chǎn)生脈動(dòng)電壓時(shí)，直接影響到直流電壓的數(shù)值，為了能夠使直流電壓較為平穩(wěn)，會(huì)使用電容等各種方式來(lái)吸收和抑制脈動(dòng)電壓。

1.2 控制電路

控制電路的主要作用是為電動(dòng)機(jī)的主電路提供回路來(lái)控制信號(hào)，在控制電路運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中會(huì)涉及到很多個(gè)部分，如運(yùn)算電路、電壓電流檢測(cè)電路、電動(dòng)機(jī)的速度和檢測(cè)電路等等。如果有良好的驅(qū)動(dòng)電路引導(dǎo)可以有效地增強(qiáng)控制信號(hào)，同時(shí)還可以將電動(dòng)機(jī)和逆變器保護(hù)電路進(jìn)行有效地滲透結(jié)合。第一部分，結(jié)合運(yùn)算電路可以有效的明確運(yùn)行的速度，并且計(jì)算出轉(zhuǎn)矩的質(zhì)量，通過(guò)對(duì)比電壓信號(hào)和電流線號(hào)最終確定逆變器的輸出頻率。第二部分，通常情況下電流和電壓的檢測(cè)線線路與主電流的電位有著一定的距離，通過(guò)電流和電壓的檢測(cè)線路，可以明確地檢測(cè)到電流電壓的真實(shí)數(shù)值。此外，控制電路中檢測(cè)速度的電路和速度檢測(cè)器的運(yùn)行有著密不可分的聯(lián)系。通常情況下，速度檢測(cè)器會(huì)直接連接到異步電動(dòng)機(jī)的軸機(jī)部分，其在工作狀態(tài)中可以有效地接收速度信號(hào)，并將接收到的信號(hào)輸送到運(yùn)算回路中，有效地控制整個(gè)電動(dòng)機(jī)的速度，使得電動(dòng)機(jī)能夠正常工作。驅(qū)動(dòng)電路屬于電路器件中的部分并起到了重要的作用。驅(qū)動(dòng)電路和控制電路之間有一定的距離，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路可以有效的控制主電路器件的運(yùn)行狀態(tài)。第三部分，保護(hù)電路的主要作用是保護(hù)主電路的電流和電壓，當(dāng)保護(hù)電路在工作的過(guò)程當(dāng)中可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行異常狀態(tài)。比如當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行中如果出現(xiàn)電壓過(guò)大時(shí)，可以直接關(guān)閉逆變器的，使逆變器處于暫停運(yùn)行的狀態(tài)，進(jìn)而有效地抑制電壓，保護(hù)異步電動(dòng)機(jī)和異變器，盡可能降低其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)損失。

1.3 主要特點(diǎn)

變頻器的規(guī)格和體系都是相對(duì)較小的，因此十分適用于小型的空調(diào)室。變頻器運(yùn)行的壓力是相對(duì)穩(wěn)定的，可以保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全和可靠，并給出數(shù)字上的提示。變頻器能夠精準(zhǔn)地控制壓力和溫度，擁有強(qiáng)大的自動(dòng)報(bào)警功能和自我保護(hù)系統(tǒng)。同時(shí)，操作人員也可以利用自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)變頻器的運(yùn)行展開(kāi)全天候的監(jiān)督和管理。值得注意的是，變頻器的運(yùn)行還可以達(dá)到節(jié)能降耗的效果，例如，在資源開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，必然要面對(duì)熱網(wǎng)絡(luò)失調(diào)的問(wèn)題，而變頻器的熱網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)系統(tǒng)就可以完美地應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，根據(jù)室外溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻水的溫度。在這里，熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)是完全一致的，操作人員可以結(jié)合全新的智能模擬系統(tǒng)，針對(duì)熱網(wǎng)的控制作出分析和總結(jié)，并優(yōu)化當(dāng)下的運(yùn)行系統(tǒng)，或者是利用故障模擬的形式，分析自動(dòng)化控制系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)，降低設(shè)備的損壞率。

2 分析變頻器在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值

首先，變頻器能夠增加電氣設(shè)備的存儲(chǔ)容量。變頻器的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)是相對(duì)獨(dú)立的，所以一旦與儲(chǔ)存器相結(jié)合，那么系統(tǒng)也會(huì)自帶一些軟件。而用戶內(nèi)部的儲(chǔ)存器中包含的是不同類型的應(yīng)用程序，在這種情況下，變頻器的運(yùn)行就可以有效地提高系統(tǒng)地儲(chǔ)存，保存多種多樣的數(shù)據(jù)包，為后期的工作檢修提供有效的參考，并支持維修工作的順利進(jìn)行。

其次，變頻器的應(yīng)用能夠提高電氣設(shè)備的智能化水平。對(duì)于自動(dòng)化控制系統(tǒng)來(lái)講，變頻器的使用能夠進(jìn)一步提高電氣設(shè)備的反應(yīng)速度，推動(dòng)設(shè)備向著智能化的方向邁進(jìn)。在科技經(jīng)濟(jì)的引導(dǎo)下，自動(dòng)化控制系統(tǒng)會(huì)受到特定軟件的約束，所以一系列的工作也會(huì)根據(jù)國(guó)家的法律法規(guī)來(lái)展開(kāi)，此時(shí)，CPU就會(huì)收集系統(tǒng)中已經(jīng)存在的信息，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位的檢測(cè)，并給出實(shí)時(shí)的評(píng)估結(jié)果。

3 分析變頻器在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)

首先是與順序控制系統(tǒng)的結(jié)合。當(dāng)下，大多數(shù)企業(yè)都會(huì)利用變頻器對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督，這不僅減輕了監(jiān)管人員的壓力和負(fù)擔(dān)，而且也維護(hù)了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的生命安全。其次就是開(kāi)關(guān)控制，變頻器本身就可以與邏輯控制緊密結(jié)合，所以能夠支撐開(kāi)關(guān)的運(yùn)行和啟動(dòng)。最后是在閉環(huán)控制中的應(yīng)用，對(duì)于閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)講，變頻器運(yùn)行的主要目的就是測(cè)量調(diào)節(jié)器的速度，并做好有效的調(diào)節(jié)與約束。在這里，速度測(cè)量、電子調(diào)節(jié)和電液執(zhí)行是充分交叉滲透到一起的，變頻器可以分析泵運(yùn)行的時(shí)間，由此來(lái)選擇備用泵和主要作用泵?？偟膩?lái)說(shuō)，變頻器在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)技術(shù)中的欠缺和不足。

3.2 基本注意事項(xiàng)

首先是散熱問(wèn)題，這是變頻器運(yùn)行中必須面對(duì)的重要任務(wù)，自動(dòng)化控制系統(tǒng)也對(duì)散熱提出了嚴(yán)格的要求。溫度的把控在很大程度上影響，甚至決定著變頻器的使用周期，所以散熱問(wèn)題必須要得到妥善的解決和處理。一般情況下，操作人員可以在變頻器內(nèi)部安裝冷卻風(fēng)扇，此時(shí)要保證風(fēng)扇的安裝是垂直的，這樣就可以讓空氣自上而下的進(jìn)行流通。另外，也可以把多臺(tái)變頻器安裝到同一個(gè)控制箱內(nèi)。

其次，變頻器斷路器兩者的相互配合問(wèn)題。眾所周知，變頻器的類型非常繁多，在將變頻器和自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行連接的過(guò)程當(dāng)中有多種多樣的模式，同時(shí)如果接觸器的類型不同，連接方式也會(huì)有很大的差異。接觸器連接輸入端或者輸出端的過(guò)程當(dāng)中會(huì)受到變頻器故障接觸點(diǎn)的控制，當(dāng)變頻器在工作的過(guò)程當(dāng)中如果一旦出現(xiàn)問(wèn)題，接觸器也會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)連接，來(lái)保護(hù)整體的運(yùn)行設(shè)備。當(dāng)兩者在連接的過(guò)程當(dāng)中，變頻器和斷路器都會(huì)應(yīng)用橫轉(zhuǎn)距負(fù)載，在電池的自動(dòng)吸合狀態(tài)下使傳送帶和電機(jī)可以平穩(wěn)地開(kāi)展工作，也可以使電機(jī)一直處于發(fā)電的工作狀態(tài)。這兩種運(yùn)行狀態(tài)所產(chǎn)生的電力和其他的能量都會(huì)及時(shí)地傳輸?shù)阶冾l器上，進(jìn)而有效增強(qiáng)電流母線的電壓，使得傳感器進(jìn)行高效的工作，并且還可以將一些多余的其他能量轉(zhuǎn)變成交流電，而交流電可以為有效地傳送到電網(wǎng)當(dāng)中。

再次，變頻器的干擾問(wèn)題。通常情況下變頻器在運(yùn)行時(shí)會(huì)使用到脈寬調(diào)節(jié)的控制形式，而這種形式有一個(gè)最大的弱點(diǎn)，就是使逆變器在供電的過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生一些諧波電流，而這些諧波電流會(huì)使電壓和電流波處于失真的狀態(tài)，會(huì)降低后續(xù)的電能質(zhì)量，導(dǎo)致設(shè)備在運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中無(wú)法提高運(yùn)行效率，甚至還會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行故障。為了有效地解決這一問(wèn)題，可以通過(guò)安裝波濾波電抗器，將其與變頻器的輸入端進(jìn)行連接，來(lái)降低諧波的干擾。此外在運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中，為了能夠增強(qiáng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的靈敏度，很多工作人員還會(huì)采取有效的接地處理，這需要選擇合適的接地點(diǎn)，保證和控制接地的電阻。在進(jìn)行此操作時(shí)還要注意將接地導(dǎo)線的橫截面積大于或等于2 m3，并且保證使其實(shí)際的導(dǎo)線長(zhǎng)度小于等于20 m，才能保證良好的靈敏度。

另外，如果變頻器質(zhì)電極之間的距離過(guò)長(zhǎng)，那么也需要采取相對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償措施。若是電機(jī)里面的電纜長(zhǎng)度越長(zhǎng)，那么分部的電容也會(huì)越來(lái)越大，過(guò)電壓也會(huì)隨之上升。在這里，操作人員可以用電機(jī)電纜來(lái)屏蔽電纜，讓電纜里的電容超越傳統(tǒng)的電纜，從而提高電壓。

4 分析變頻器的常見(jiàn)故障

4.1 短路故障

變頻器引流的原因是多種多樣的，在這其中，最為常見(jiàn)的就是電路短路的問(wèn)題，電流短路會(huì)埋下嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患，甚至?xí)p害現(xiàn)場(chǎng)的人身安全，導(dǎo)致公司員工受到生命威脅，造成無(wú)可挽回的經(jīng)濟(jì)損失。因此，企業(yè)必須要針對(duì)變頻器短路的問(wèn)題作出分析，要及時(shí)解決潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。操作人員要認(rèn)真分析每次短路背后的根本原因，要把握好硬件問(wèn)題和軟件問(wèn)題，研制出過(guò)流保護(hù)裝置[1]。

4.2 功率單元igbt

目前，功率單元模塊正在向著智能化的方向不斷邁進(jìn)，igbt模塊作為連接正負(fù)極的接口，在變頻器設(shè)備中的地位也是不可小覷的。無(wú)論在何種狀態(tài)下，變頻器的運(yùn)行都要保護(hù)好功率單元模塊，不能對(duì)模塊施加過(guò)度的電流，避免操作電源模塊超出給定的安全運(yùn)行區(qū)域，維持其使用壽命和周期。操作人員在對(duì)臨界電流狀態(tài)和故障做出應(yīng)對(duì)之前，要先檢驗(yàn)?zāi)K運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4.3 輔助電路故障

一般情況下，如果輔助電路出現(xiàn)了故障，具體表現(xiàn)在：變頻器運(yùn)行期間，初始運(yùn)行是可以正常通電的，但有顯示，無(wú)輸出，在拆卸變頻器前蓋進(jìn)行檢查之后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)熔斷問(wèn)題。如果檢修人員的經(jīng)驗(yàn)不充足，沒(méi)有檢查模塊的隱患，沒(méi)有尋找其他合理的熔件，而是采用銅芯線替換時(shí)。變頻器啟動(dòng)之后，就會(huì)發(fā)出巨大的響聲，吸收回路和驅(qū)動(dòng)板塊都會(huì)遭受損壞，帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。之所以會(huì)出現(xiàn)這一問(wèn)題，主要原因在于同心線作為保險(xiǎn)絲使用時(shí)，產(chǎn)生短路的可能性是極高的，燒熔銅芯線會(huì)四處噴射。在這種情況下，操作人員就可以選擇使用快速熔斷器保護(hù)硅整流原件和晶閘管半導(dǎo)體原件[2]。

4.4 拓展故障診斷的途徑

首先，操作人員可以結(jié)合故障樹(shù)這一診斷方法，故障樹(shù)是種定性因果模型，能夠把系統(tǒng)最不愿意發(fā)生的狀況當(dāng)做頂事件，把不愿意發(fā)生的原因當(dāng)做底事件和中間事件，并結(jié)合邏輯們表現(xiàn)彼此之間的關(guān)系。具體來(lái)講，操作人員要先選擇診斷對(duì)象當(dāng)做相事件，然后再對(duì)故障樹(shù)做出合理的描述，分析變頻器的問(wèn)題和情況，再結(jié)合合力搜尋法，查找故障的位置，并設(shè)計(jì)出解決的方法和規(guī)劃。故障樹(shù)的應(yīng)用能夠讓變頻器問(wèn)題更加直觀的展現(xiàn)出來(lái)，適用性極強(qiáng)，可以快速診斷現(xiàn)場(chǎng)的操作問(wèn)題。

其次，可以結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)處理故障診斷法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的運(yùn)行不需要借助對(duì)象數(shù)據(jù)模型。變頻系統(tǒng)本身就具有極強(qiáng)的模糊性與隨機(jī)性，所以當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，操作人員也不能完全按照傳統(tǒng)的模式來(lái)檢驗(yàn)，而是要參照神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷，直接描述故障信號(hào)類型之間的邏輯關(guān)系。另外，信號(hào)處理故障診斷法也需要得到高度的關(guān)注和重視，操作人員可以結(jié)合傅立葉分析，對(duì)三相全的控制電流進(jìn)行探究，把時(shí)域信息轉(zhuǎn)化為頻域范圍，或者是按照蝙蝠值特點(diǎn)實(shí)施故障診斷，確定故障的類型與內(nèi)容，結(jié)合相位特點(diǎn)診斷故障的部位。同時(shí)，沃爾什分析法也可以幫助操作人員分析三相全的控制電流，將電路具體故障的波形通過(guò)沃爾什法變換，把周期時(shí)域中波變?yōu)轭l域里。

5 結(jié)語(yǔ)

持續(xù)性推動(dòng)變頻器的故障分析和檢驗(yàn)是合理且必要的舉動(dòng)，這是提高自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的應(yīng)有之策，也是維護(hù)工業(yè)生產(chǎn)和資源開(kāi)發(fā)的有效措施。本文通過(guò)對(duì)過(guò)電流保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)、igbt的監(jiān)督、輔助電路的維修、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷和信號(hào)診斷這幾個(gè)角度，論述了變頻器故障診斷和解決的方法，充分結(jié)合了自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)，具有理論上的合理性與實(shí)踐上的可行性，能夠作為從業(yè)人員的參考依據(jù)。