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(dòng)的不足之處日益明顯起來。由于換向器的存儲(chǔ)，增加了直流電機(jī)的維護(hù)難度，限制了單機(jī)的容量、最大速度和使用環(huán)境。由于異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、維修保養(yǎng)簡便而且價(jià)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(jī)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(dòng)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著時(shí)代發(fā)展，在1960s交流電機(jī)的調(diào)速性足以趕上直流電機(jī)，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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終發(fā)明出了第一個(gè)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(dòng)機(jī)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(qiáng)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)，由于該變頻系統(tǒng)安全可靠，因此變頻器實(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)機(jī)，技術(shù)人員提出了高壓型PWM變頻器來實(shí)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(xiàng)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(gè)領(lǐng)域中不斷地創(chuàng)新突破，欲將變頻器發(fā)展到一個(gè)新的高度，使其能夠?yàn)橐苯鹕a(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(shí)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(shí)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(gè)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(jì)觀念，改變了原先技術(shù)中只對交流電實(shí)現(xiàn)控制的方法，通過加入新器件實(shí)現(xiàn)了在控制內(nèi)部電流量的同時(shí)也可以控制其相位，實(shí)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(jī)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(jī)的主電路進(jìn)行控制，實(shí)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(jìn)行平滑濾波處理，最后通過電機(jī)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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(cuò)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(chǔ)備資金進(jìn)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(gè)是通用變頻器，還有一個(gè)是專用變頻器。在變頻器的選用時(shí)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(jìn)行精密的計(jì)算后再進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)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(tái)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(tái)變頻器安裝是要注意在每個(gè)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(hù)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(huì)進(jìn)行一個(gè)出廠設(shè)置的參數(shù)處理，主要就是設(shè)定一個(gè)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(dòng)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(yùn)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(shí)候這些出廠參數(shù)并不能滿足部分傳動(dòng)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(gè)方面進(jìn)行操作：

（1）電機(jī)參數(shù)的確認(rèn)。變頻器在進(jìn)行與冶金設(shè)備電機(jī)的配對過程中，要確保電機(jī)的功率、電壓、轉(zhuǎn)速等物理數(shù)值都符合一致才能夠進(jìn)行運(yùn)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(dòng)方式，通常出廠設(shè)置為面板啟動(dòng)，但是用戶可以按情況自主選擇另外的起動(dòng)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(shí)進(jìn)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(huì)進(jìn)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(jìn)行調(diào)整，當(dāng)這種方法不可行時(shí)，企業(yè)應(yīng)該選派專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)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(jìn)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(chǔ)能電容器充電。當(dāng)電壓達(dá)到約760V時(shí)，逆變器提供電壓保護(hù)。因此，轉(zhuǎn)換器有一個(gè)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(jī)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(jìn)行一個(gè)全面的線路檢查，隨后由企業(yè)內(nèi)的電工人員進(jìn)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(yùn)行，延遲時(shí)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于變頻器輸出頻率的轉(zhuǎn)速，電機(jī)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(hù)值就會(huì)出現(xiàn)故障。出現(xiàn)該故障，可通過無線方式添加再生制動(dòng)裝置，或修改變頻器的參數(shù)，以延長變頻器的減速時(shí)間。制動(dòng)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(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)通常有一個(gè)或幾個(gè)電機(jī)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(jī)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(shí)，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(gè)交流電機(jī)施加相同的負(fù)載時(shí)，主要是因?yàn)闆]有負(fù)載分配。取兩個(gè)電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載作為一個(gè)例子,當(dāng)一個(gè)電機(jī)的實(shí)際速度大于其他電機(jī)的同步交流轉(zhuǎn)速,電機(jī)的高速相當(dāng)于原動(dòng)機(jī),與低速電機(jī)在發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生沖突,導(dǎo)致失敗。在造紙機(jī)中經(jīng)常發(fā)生壓網(wǎng)，加工時(shí)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(shí)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。通常可以采用降低負(fù)載、穩(wěn)定電壓的方式解決。電機(jī)沒有足夠的扭矩驅(qū)動(dòng)負(fù)載，一方面是負(fù)載過重，另一方面可能是機(jī)械運(yùn)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(jī)；如果是后者，則需要對冶金生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行大修。

3.4 欠張力

另一個(gè)常見問題是張力不足，原因是電機(jī)上的電壓低于某一個(gè)特定的值，導(dǎo)致實(shí)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(gè)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(gè)常見的錯(cuò)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(dòng)機(jī)過熱。

3.6 生產(chǎn)不平衡

輸出不平衡通常表現(xiàn)為電機(jī)抖動(dòng)和速度不穩(wěn)定。主要原因是：組件不良、驅(qū)動(dòng)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(shí)uc2844兼具電流與電壓的檢測反饋功能。當(dāng)沒有屏幕時(shí)，控制終端沒有電壓，當(dāng)24V閥門不工作時(shí)，我們首先要考慮電源是否損壞。

3.8 SC錯(cuò)誤

SC誤差是安裝變頻的常見誤差。SC錯(cuò)誤報(bào)警的重要原因就是IGBT模塊的損壞。此外，驅(qū)動(dòng)電路的損壞很可能造成SC的錯(cuò)誤報(bào)警。在電路的總體設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)的上橋安裝的PC923是一個(gè)IGBT模塊操作專用的帶放大電路的光耦，下橋安裝的驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)中使用的則是一個(gè)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(huì)損壞IGBT模塊。還有許多因素會(huì)造成模塊的損壞。包括但不限于負(fù)載缺少、短路，以及電機(jī)堵轉(zhuǎn)等。此外，驅(qū)動(dòng)部件的老化也會(huì)導(dǎo)致波形失真或驅(qū)動(dòng)電壓的不正常變化，從而導(dǎo)致IGBT損壞和設(shè)備故障報(bào)警。

3.9 GF土壤缺陷

GF土壤缺陷也是常見錯(cuò)誤，除了發(fā)動(dòng)機(jī)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(bào)警。

3.10 當(dāng)前限制性操作

在正常操作中，我們可能會(huì)遇到變頻器造成的電流限制。對于電流邊界報(bào)警發(fā)生時(shí)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(shí)，電壓或系統(tǒng)頻率會(huì)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(diǎn)而不超過預(yù)定功率限制，控制發(fā)動(dòng)機(jī)在工作場所平穩(wěn)運(yùn)行，并將警告信號(hào)發(fā)送回客戶。根據(jù)反饋的信號(hào)，檢查可能出現(xiàn)問題的部分。

4 用變頻器的維護(hù)方法

4.1 附注

操作人員必須具備相關(guān)的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)以及知識(shí)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(shí)。

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(huì)引起高溫報(bào)警，未及時(shí)處理會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的損壞。當(dāng)空氣潮濕時(shí)，逆變器內(nèi)部直接短路。變頻器運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意冷卻系統(tǒng)是否正常，如風(fēng)機(jī)是否有異響，風(fēng)道排氣是否順暢等。一般來說，保護(hù)等級(jí)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(shí)散熱決定著系統(tǒng)的正常運(yùn)行。變頻器的排氣系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)的地方。我們的日常檢查可以忽略進(jìn)氣口是否有灰塵或堵塞。發(fā)動(dòng)機(jī)、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(hù)

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(dòng)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(shí)，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(diǎn)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(diǎn)。確認(rèn)控制電路電壓是否精準(zhǔn)，并試運(yùn)行對系統(tǒng)進(jìn)行檢測。確認(rèn)保護(hù)顯示電路無異常。確認(rèn)逆變器運(yùn)行期間的輸出電壓平衡。

建議每年進(jìn)行一次定期檢查。

4.4 備用交換機(jī)

變頻器的組成元件很多，部分元件在使用較長時(shí)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(yùn)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(jìn)行散熱處理。在變頻器連續(xù)運(yùn)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(jī)有兩條線和三條線，兩線風(fēng)機(jī)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(huì)引起逆變器過熱報(bào)警。交流風(fēng)扇通常為220V和380V，但更換時(shí)不要弄錯(cuò)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(shí)會(huì)大量產(chǎn)熱進(jìn)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(dòng)性能優(yōu)良等諸多優(yōu)點(diǎn)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(jī)組成，允許電壓波動(dòng)范圍廣，體積小，通信能力強(qiáng)，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(hù)是保障系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作的前提。如何進(jìn)行變頻器的維護(hù)保養(yǎng)是一件非常重要的工作，工作人員要切實(shí)做好變頻器的維護(hù)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。