變頻器在自動化控制系統(tǒng)中的應用及其故障探析

鄭永輝

(廣東龍豐精密銅管有限公司)

0 引言

伴隨現(xiàn)代電力的發(fā)展, 出現(xiàn)了變頻調速技術, 其中融合了電力電子技術等多個領域, 對傳統(tǒng)的變級及直流調速進行了創(chuàng)新, 是交流調速的關鍵裝置, 可以和多種運行系統(tǒng)進行匹配, 其調速范圍相對較大, 啟動電流非常小, 可以防止出現(xiàn)資源浪費問題。然而值得重視的是, 變頻器操作流程的要求較高, 若是未按照要求操作, 將極易出現(xiàn)一系列故障, 造成較大的經濟損失, 甚至危害人們的安全。由此, 應加強對變頻器故障的重視, 落實好維修及檢驗工作。

1 變頻器的基本構成和主要特點

(1) 主電路。在異步電動機中, 主電路是其電力變換的重點, 唯有通過主電路才能促進異步電動機電力變換, 例如電源調頻調壓。通常來講, 變頻器主電路包含兩種形式, 一種是電壓型, 另一種是電流型。對于這兩種變頻器來看, 均能夠對電壓源開展直接轉化, 將其變成交流, 二者的區(qū)別在于前者的直流回路濾波屬于電容, 而后者的交流回路濾波屬于電感。線路設計運行中主要包含三部分, 首先為整流器, 它是對工頻電源進行轉換, 變?yōu)橹绷鞴β? 利用三相E 交流實現(xiàn)防雷及濾波的有效處理, 以保證電路能夠全面吸收雷擊殘留電壓, 促進后期順利運行, 對整流及無源功率因素開展全面校正, 將其轉換成高壓直流電。其次為逆變部分, 該模塊與整流模塊進行對比, 它能夠對高壓直流電進行直接轉換, 將其變?yōu)榻涣鞯墓β? 從而促進整個系統(tǒng)順利運行。對于逆變模塊來看, 具體工作過程中, 通常是讓操作者開展時間的設置, 對6 個開關器件實際運行情況開展科學控制, 確保三相交流合理輸出。最后為脈動電壓。該部分在整流模塊工作結束后, 它是直流電壓的構成部分。一般來講, 脈動電壓達到了電源的6 倍頻率, 在逆變器運行中出現(xiàn)脈動電壓的情況下, 會對直流電壓的數(shù)值產生較大的影響, 為了可以確保直流電壓相對穩(wěn)定, 常常會借助電容等多種多樣的手段, 對脈動電壓進行吸收或是抑制。

(2) 控制電路。該部分的作用可以賦予主電路所需的回路, 以此對信號開展有效控制, 控制電路實際運行中, 往往包含大量的部分, 比如運算電路以及檢測電路等。若是具備良好的驅動電路引導, 將顯著提升控制信號, 在這一過程中, 還能實現(xiàn)電動機與逆變器保護電路的全面融合。首先, 利用運算電路能夠確定實際運行的速度, 同時對轉矩質量進行科學計算, 利用對比電壓及電流信號的方式, 求出具體的逆變器輸出頻率。其次, 一般來講, 電流與電壓檢測線路還同主電流點位之間存在適當?shù)木嚯x, 利用二者的檢測線路, 能夠科學檢測出電流電壓實際數(shù)值。另外, 對于控制電路來看, 其檢測速度的電路實際上與速度檢測器運行情況存在較大的關聯(lián)。一般來講, 速度檢測器常常會直接與異步電動機主機開展連接, 在工作過程中能夠全面接收到速度信號, 同時把接收的信號發(fā)送給運算回路, 對電動機速度開展科學控制,確保電動機可以順利工作。針對電路器件來看, 驅動電路是關鍵的部分, 發(fā)揮著較大的作用。它與控制電路間存在適當?shù)木嚯x, 利用驅動電路能夠對主電路器件實際運行情況開展科學控制。最后, 保護電路是為了對主電路電流及電壓開展保護, 在保護電路運行的情況下, 能夠第一時間找出系統(tǒng)運行的異常問題[1]。例如系統(tǒng)實際運行中, 若是電壓比較大, 將直接關閉逆變器, 確保其在暫停運行狀態(tài)下, 以此對電壓進行合理控制, 對異步電動機以及異變器開展保護, 全面減少其實際運行過程中的經濟損失。

(3) 主要特點。變頻器的規(guī)格及體系不是很大,常常運用在小型空調室中。變頻器實際運行過程中,壓力非常穩(wěn)定, 能夠有效確保系統(tǒng)安全運行, 同時提供數(shù)字上的提示。借助變頻器可以對壓力及溫度開展科學控制, 構建良好的自我保護系統(tǒng), 實現(xiàn)自動報警功能。在這一過程中, 有關操作者能夠借助自動化系統(tǒng)對其運行狀態(tài)進行全天候監(jiān)管。在此期間應重視的是, 變頻器運行能夠實現(xiàn)節(jié)能降耗效果, 比如, 在進行資源開發(fā)時, 往往會產生熱網絡失調問題, 在熱網絡檢測系統(tǒng)中引入變頻器能夠較好地解決該問題, 結合室外溫度對冷卻水溫度開展自動調節(jié)。其中熱網監(jiān)控系統(tǒng)中形成的數(shù)據通常和現(xiàn)場生產數(shù)據相同, 操作者能夠利用全新的模擬系統(tǒng), 對熱網控制開展全面分析及總結, 同時對目前的運行系統(tǒng)開展完善, 或是借助故障模擬形式, 對自動化控制系統(tǒng)涉及的一系列指標開展分析, 從而全面減少設備的損壞率。

2 基于自動化控制系統(tǒng), 運用變頻器的重要性

一方面, 變頻器可以提高電氣設備存儲容量。對于變頻器來看, 其內部組織結構屬于獨立的, 若是和存儲器進行融合, 在系統(tǒng)中會自帶部分軟件。一些用戶內部存儲器中還涉及多種多樣的應用程序, 基于此, 變頻器的運用能夠顯著增加系統(tǒng)的儲存, 保存大量的數(shù)據包, 有利于促進后期工作檢修順利進行, 為其奠定夯實基礎。另一方面, 變頻器的運用可以增強設備智能化水平。針對自動化控制系統(tǒng)而言, 變頻器的運用可以有效加快設備的反應速度, 促進設備智能化發(fā)展?；诳萍冀洕纳钊氚l(fā)展, 自動化控制系統(tǒng)會被特定軟件所限制, 有關工作往往要按照國家法規(guī)來進行, 在這一過程中, CPU 可以對系統(tǒng)中產生的信息進行收集, 對整個結構開展全面檢測, 同時提供動態(tài)的評估結果[2]。

3 變頻器的運用要點

第一, 應和順序控制系統(tǒng)全面融合?，F(xiàn)階段很多企業(yè)都借助了變頻器來實現(xiàn)對自動化控制系統(tǒng)具體運行情況的監(jiān)督, 不但可以降低監(jiān)管工作者的工作量及壓力, 還可以全面保護現(xiàn)場工作者的安全。對于電氣自動化系統(tǒng), 可以實現(xiàn)現(xiàn)場傳感, 保證工程自動化控制, 對系統(tǒng)主站機開展就地控制。第二, 運用于開關控制中。變頻器自身能夠同邏輯控制有效融合, 因此可以支撐開關實際運行, 伴隨時代的深入發(fā)展, 變頻器的運用范圍越來越廣泛。第三, 運用于閉環(huán)控制中。針對閉環(huán)控制系統(tǒng)而言, 變頻器運行是為了對調節(jié)器速度開展全面測量, 同時進行適當?shù)恼{節(jié)及控制?；谠撨^程中, 速度測量及電液執(zhí)行等工作實現(xiàn)了全面交叉滲透, 變頻器能夠對泵運行時間開展科學分析, 從而選出合適的備用泵及關鍵作用泵。一般情況下, 變頻器具體操作過程中, 需要將檔位轉換成手動方式, 有利于增加系統(tǒng)運行效率, 提升其可持續(xù)性, 基于自動化系統(tǒng)中引入變頻器, 能夠對傳統(tǒng)控制技術存在的問題進行優(yōu)化, 進一步增強效率性。

4 變頻器使用過程中的注意事項

(1) 散熱問題。變頻器實際運行過程中, 應對散熱問題加以重視, 基于自動化控制系統(tǒng)的運用, 對散熱的要求非常高。溫度的控制會對變頻器使用周期產生較大的影響, 因此, 應科學處理好散熱問題。通常來講, 操作者應在變頻器內部配備冷卻風扇, 在這一過程中, 應確保風扇處于垂直狀態(tài), 如此才能保證空氣自上而下流通。除此之外, 還應將多臺變頻器設置在相同控制箱中, 如此也能緩解散熱問題。

(2) 變頻器和斷路器結合運用中的問題。變頻器的類型比較多, 把它與自動化控制系統(tǒng)連接在一起, 可以形成多樣化的模式, 在這一過程中, 若是接觸器類型存在差異, 那么使用的連接方式也是有區(qū)別的, 在與輸入端及輸出端進行連接時, 極易被故障接觸點所影響, 若是變頻器實際運行中出現(xiàn)問題, 將自動斷開連接, 以此對整體運行設備進行保護。在二者進行連接時, 變頻器與斷路器均會借助橫轉距負載,基于電池自動吸合過程中, 能夠保證傳送帶及電機穩(wěn)定運行, 使其始終在發(fā)電狀態(tài)中。該運行狀態(tài)下形成的電力與別的能量均會在第一時間發(fā)送給變頻器, 進一步提升電流母線的電壓, 保證傳感器高效工作, 同時還能把部分多余的能量轉換為交流電, 并將其全面發(fā)送至電網中[3]。比如, 某金礦廠區(qū)在輸送礦石下行過程中, 借助110kW 變頻器對運行中的電能進行控制, 同時輸入電網, 利用區(qū)域電網消納手段可以全面減少用電成本, 促進清潔生產節(jié)能。若是交流母線電壓在短期內全面提升, 將穿透里面的電容, 導致嚴重的事故。由此, 若是電動機正在發(fā)電, 應第一時間借助進線接觸器, 在母線中電壓提高到規(guī)定值時, 故障解除器將自動斷開, 有利于更好地保護交流器。

(3) 變頻器干擾問題。一般來講, 變頻器運行過程中, 往往會借助脈寬調節(jié)形式, 該形式的運用是促使逆變器供電中形成諧波電流, 讓電壓及電流全部在失真狀態(tài)中, 減少后續(xù)電能質量, 這將不能保證設備的運行效率, 可能會產生運行故障。想要有效處理該問題, 可利用配備諧波濾波電抗器的方式, 把它和變頻器輸入端全面連接在一起, 以此減少諧波的干擾。另外, 實際運行中為了提升系統(tǒng)的靈敏度, 一些工作者常常利用接地處理方式, 這需要確定科學的接地點, 對接地電阻進行有效控制。在執(zhí)行該操作故操作, 應對接地導線橫截面積加以重視, 應達到2m3以上, 同時確保導線長度在20m 以下, 如此才能確保其靈敏度。

(4) 若是變頻器與電機間距離比較長, 應運用科學的補償措施。通常輸出電壓都是矩形脈沖du/dt,其中接地電容及電抗值分別是c 及z, 由于二者互相交互造成變換器工作過程中形成電壓, 其計算公式為

U=zxdu/dt

如果電機中使用的電纜長度比較長, 將導致分部電容相對較大, 還會提高過電壓。對此, 操作者可借助電機電纜對電纜進行屏蔽, 確保其電容在傳統(tǒng)電纜之上, 進而增加電壓。

5 變頻器主要故障和處理

(1) 短路故障。變頻器引流原因具有多樣性,其中電路短路是非常普遍的問題, 若是出現(xiàn)電流短路問題, 將產生較大的安全風險, 嚴重的話, 會對現(xiàn)場工作者的安全產生損害, 造成公司員工受傷, 導致嚴重的經濟損失。由此, 企業(yè)應對變頻器短路開展全面分析, 第一時間處理潛在的安全問題。要求操作者對短路的根本原因開展科學分析, 對硬件及軟件問題加以重視, 采用過流保護裝置。

(2) 功率單元igbt?，F(xiàn)階段, 功率單元模塊開始朝著智能化發(fā)展, igbt 模塊是正負極之間的連接接口, 對變頻器設備運行具有較大的作用。不管處于什么樣的狀態(tài)中, 變頻器運行過程中都應對功率單元模塊進行有效保護, 避免對模塊提供過度電流以及在超過安全運行區(qū)域中操作電源模塊, 應確保其使用周期。操作者在對臨界電流故障進行處理前, 應先對模塊運行穩(wěn)定性開展全面檢驗。

(3) 輔助電路故障。通常來講, 若是輔助電路產生故障, 將表現(xiàn)為下述情況: 變頻器實際運行過程中, 初始運行能夠順利通電, 然而卻顯示沒有輸出,在對變頻器開展拆卸檢查后, 可以找出熔斷問題。若是檢修工作者缺乏足夠的經驗, 未在第一時間發(fā)現(xiàn)模塊的隱患, 也未使用別的有效的熔件, 而借助銅芯線進行替換。在變頻器開啟后, 將產生非常大的響聲,會對回路吸收以及驅動板塊造成較大的破壞, 導致不可預計的經濟損失。該問題產生的原因, 一般是將銅芯線當作保險絲運用, 這樣一來, 將極易出現(xiàn)短路問題, 當銅芯線燒熔時還會造成四處噴射?；诖? 操作者應借助快速熔斷器對晶閘管半導體元件等進行保護[4]。

(4) 增加故障診斷路徑。第一, 操作者可利用故障樹診斷法, 它屬于一種定性因果模型, 可以將系統(tǒng)不愿出現(xiàn)的情況看成頂事件, 將不愿出現(xiàn)的原因看成底事件及中間事件, 根據邏輯門彰顯相互間的關系。一般情況下, 操作者應先選取診斷對象, 以此充當相關事件, 接著對故障樹開展科學的描述, 對變頻器問題進行有效分析, 利用合理搜尋法找出故障的部位, 然后制定相應的方法及規(guī)劃?；诠收蠘涞倪\用, 可以全面展示變頻器問題, 有著良好的適用性,能夠快速找出現(xiàn)場操作問題。第二, 可根據神經網絡以及信號處理法, 在神經網絡控制器實際運行過程中, 無需使用對象數(shù)據模型。因為變頻器自身有著一定的模糊性以及隨機性, 在產生問題的情況下, 操作者無法憑借傳統(tǒng)模式進行檢驗, 應參照神經網絡開展診斷, 對故障信號間存在的關系進行描述。除此之外, 信號處理法逐漸受到人們的重視, 操作者可根據傅立葉分析, 計算三相全控制電流, 將時域信息變成頻域范圍, 根據變幅值特征開展故障診斷, 判斷故障的種類, 根據相位特征明確故障的位置。在這一過程中, 沃爾什分析法可以促進三相全控制電流的合理分析, 利用沃爾什法對電路故障波形開展變換, 將周期時域波轉換成頻域波。

6 結束語

綜上所述, 變頻器故障分析以及檢驗是非常重要的工作, 有利于促進自動化系統(tǒng)安全運行, 是行之有效的措施, 是實現(xiàn)工業(yè)生產以及資源合理開發(fā)的重要手段。伴隨電力行業(yè)的進步, 變頻器被運用于多個領域, 由此, 產生了很多變頻器維護和檢修問題, 應提高對相關維護工作的重視, 要求操作者熟練使用變頻器和維修技術, 做好維護及保養(yǎng)工作, 全面保證變頻器高效率工作。