通用变频器的使用与维护.ppt

变频器的使用与维护,希望森兰科技有限公司 二零零八年四月,通用变频器的参数设定及功能选择,一.通过操作面板设定和选择变频器的参数与功能,1.给定频率的设定方法,(一）通用变频器运行频率的设定方法,（1）面板给定：数字增加键或少键操作（内控）,（2）预置给定：run,（3）外接给定：电流4-20ma或0-10v(0-5v),（4）通讯给定：,2.变频器的外接给定配置,（1）外接电压给定信号控制端,图1 acs600给定信号控制端子,选应用宏pi或pfc,ai2为反馈输入；选手动/自动，即可本地/远方操作。,频率设定电流输入端,图2 g11给定信号控制端子,图3 sb61给定信号控制端子,h20-h25设定pid控制功能：h20:0(no) , 1(正）,2（反）；h21:0(12正0-10v),1(c1正4-20ma),2 (12反10-0v)，3 (c反20-4ma)；h22:p增益（p大响应快）；h23:积分时间；h24:微分时间;h25:反馈增益。x1-x9,e17,e18.,f001频率给定模式：0上下键；1电动电位器，存储 ；2电动电位器，不存储；3上下键和电动电位器，停电不存储。,acs400 d13u,4d;d13u,4d(r).停电复位到零。,（2）电流给定信号控制端：4-20ma(0-20ma),（3）外接辅助给定信号,3.电位器的选择：wx-4.7k-2w(110k),二、通用变频器运行频率范围的设定及有关的功能：,1、基本频率与最高频率：电机的额定频率-基本频率；当频率给定值信号为最大时，变频器的给定频率-最高频率。,2、上限频率与下限频率： 调速系统所要求的工作 范围。 3、载波频率设定：,图4 各种频率的关系,输出频率(hz),最高输出频率,上限频率,下限频率,偏置频率,起动频率,设定频率(hz),4、变频器自处理功能 变频器的保护功能是比较准确而灵敏的，但过多的跳闸，也会使用户感到不方便。为此，变频器对于某些持续时间不长、电流或电压在上升时的变化率（ 和 ）不高的“故障”，设置了避免跳闸的自处理功能，也叫失速防止功能。例如，在升、降速过程中的过电流和过电压，以及偶发性的短时间过载等。 （1）加速过程中的过电流 加速时间预置得太短，会产生过电流。 在电力拖动系统中，加速时间的长短是一个相对的概念。它是和拖动系统的惯性大小（由gd2表示）有关的。如果拖动系统的惯性很大，预置的加、减速时间并不短，只要出现拖动系统的转速跟不上频率的变化，导致过电流者，就是加速时间预置得太短所形成的。,在加速过程中，如果加速电流超过 了某一设定值iset（即起动电流的最大 允许值），变频器的输出频率将暂停 增加，待拖动系统的转速跟了上来，电 流下降到设定值iset以下后再继续升速， 如图所示。（挖土机功能） （2）运行过电流的自处理功能 变频器在运行过程中出现过电流时， 其自处理方法是：当电流超过设定值 iset时，变频器首先将工作频率适当降低， 到电流低于设定值iset时，工作频率再逐 渐恢复，如图所示。（电流限幅功能、 电流限幅动作水平）,运行过电流的自处理功能,加速过电流的自处理功能,（3）减速过电压的自处理功能 降速过快会引起的过电压。和升速 过程相仿，对于惯性较大的负载，如 果降速时间预置得过短，会因拖动系 统的动能释放得太快而引起直流回路的 过电压。如果在降速过程中，直流电压 超过了某一设定值uset，变频器的输出 频率将不再下降，电动机暂缓降速，待 直流电压下降到设定值以下后再继续降 速，如所示。,降速自处理功能,5、给定方式中的特殊功能 模拟量给定的正、反转控制，不少变频器具有用模拟量给定信号直接进行正、反转控制的功能，主要有两种方式： （a） 由给定信号的正、负值来控制正、反转。例如，给定信号可以预置为（-10+10）v，其中（-100）v为反转信号，（0+10）v为正转信号。 （b）由给定信号的中间值作为正转和反转的分界点。例如，给定信号为（0+10）v时，可以预置成（05）v为反转信号，（510）v为正转信号。 针对这种正、反转控制方式，有的变频器设置了如下的功能： （1）死区功能 用模拟量给定信号进行正、反转控制时，“0”速控制很难稳定，常常出现正转或反转的“蠕动”现象。为了防止这种“蠕动”现象，需,要在“0”速附近设定一个死区。具体方法是：在正转和反转方向分别预置一个最低频“ ”率和“- ”，死区范围即为“ - ”。 例如，在森兰sb70系列变频器（中国）和vacon cx系列变频器中，采用上述的第(1)种方式，其死区呈回线状，如图(a)所示；而在abb-acs800变频器中，则采用上述的第(2)种方式，其死区如图(b)所示。,模拟给定的正、反转控制 (a)正、负信号控制 (b)正、负信号控制,（2）有效“0”信号功能 在上述第（2）种控制方式中，存在着一个特殊的问题。即，万一给定信号因电路接触不良或其他原因而“丢失”，则变频器的给定输入端得到的信号为“0”。按照图(b)所示曲线，其输出频率应为 -50hz，电动机将处于高速反转状态。在实际工作中，这种情况常常是十分有害的，甚至有可能损坏生产机械。 对此，变频器设置了一个有效“0”功能。例如，将有效“0”预置为5v或更高。则当给定信号小于预置的有效“0”时，变频器的输出频率将降为0hz。 6、模拟输入掉线保护功能 在张力闭环控制系统中，若张力反馈信号丢失，卷取设备以50hz高速运转，这很危险。 可设置掉线后不动作；报警并按掉线前10s平均频率运行；报警,并按设置的“掉线强制频率”运行；过障并自由停车。 7、比例联锁给定 在实际生产中，变频器的基本转速由主给定信号给定。但在生产过程中，常常还需要根据其他信号对电动机的转速进行修正（微调）。例如，某机械的冷却风机，其基本转速由操作工根据具体情况进行调节。同时，当环境温度发生变化时，要求转速能自动地进行微调。一般的变频器都能实现这种控制，而明电vt230s系列变,频器（日本）则专门设置了一个辅助信号输入端，并给出了十分明确的计算方法，如图所示。图(a)为外接给定端子的安排，fsv是主信号给定端，aux是辅助信号给定端。其逻辑关系如图(b)所示，图中各量之间的关系是： y=ax+b+c 式中： y为综合给定信号； x为主给定信号； a为频率增益； b为偏置频率； c为辅助给定信号。 8、升、降速特殊功能 （1）齿隙补偿功能,当传动机构中有齿轮箱的情况下，电动机从静止状态刚开始升速，以及从运行状态刚开始降速时，齿轮间将发生撞击，影响齿轮的寿命。为此，有的变频器专门设置了齿隙补偿功能，以三菱fr-a500系列变频器（日本）为例，其功能设置如图所示： 当电动机从停止状态开 始升速时，预置一个较低 的上升频率 和维持时间 ，使电动机在极低的频率 下运行一个短时间 ， 然后再按预置的升速时间 升速，从而避免了齿轮间的 撞击。反之，当电动机从运行状态开始降速时，预置一个较小的下降频率 和维持时间 ，以达到避免齿轮间撞击的目的。,齿隙补偿功能,9、断电后的减速功能 （1）功能的含义 大多数变频器在断电后， 变频器将因发生“欠压”故障 而把逆变电路封锁，停止输 出。这时，电动机将处于自 由制动状态。但有的生产机 械不希望出现自由制动的状 态，例如，水泵在变频器停止输出时，将会迅速停住，产生“水锤现象”，对水泵、阀门和管路等具有破坏作用。为此，有的变频器在停电或低电压的情况下，也可以在一段时间内按预置的降速时间进行降速，如图所示。,断电后的减速功能,（2）功能的设置 以三菱fr-a500系列变频器（日本）为例，其预置功能的步骤如下： 选择断电后的“降速停机”方式； 预置刚开始断电时的初始频率降 ； 预置断电后的降速时间 和 ； 预置改变降速时间的切换频率 。 10、pda界面： 个人数字助理，掌上电脑（电子记事无线接收及上网）。rockwell公司将上市的一种变频器采用pda界面，在变频器本体上加装了rockwell公司特制的无线端口器件，利用pda的无线接收技术，可直接与最新型powerflex变频器或者安装由sca nport的13361305老型号变频器直接进行通信。,采用pda界面的变频器，通过蓝牙技术和wifi网络可直接在pda界面进行参数编程故障诊断和数据监视，这样可以不打开柜门而能在较远距离操作一台或多台变频器。不仅可省去变频器与计算机之间的布线，还可以像以前的网络监控一样，对挂在wifi网络上的所有变频器进行管理和操作。 施耐德atv71变频器也支持无线蓝牙技术的pda方式进行编程和控制。,三、制动 1、直流制动： 变频器的输出频率为零，而电机的转速降低到一定数值时，变频器向电机定子绕组通入直流，转子切割静止磁场产生制动转矩.几种变频器的设定如下表:,不适用于永磁同步电机，更不适合位能负载。,2.能耗制动：,适合位能负载和需快速停车的大惯性负载。,图4 制动单元原理图,对于非四象限运行的变频器，当需要进行频繁的制动或高转矩制动时，就应选择制动单元和制动电阻。,（1）制动单元：,制动的频繁程度；制动能量的大小。,（2）制动电阻：阻值；功率。,（3）设定很简单：减速停车,3.回馈制动：,（1）电流源型变频器可四象限运行,图5 电流源型变频器原理图,电流源供电时异步电机的工作特性：,图6 异步电机在恒流源供电时的等值电路,由戴维南定理，开路电势和等效内阻：,由此求出i2:,电磁转矩：,（1）,电压源供电转矩转-速特性,电流源供电转矩转-速特性,图7-电流源供电机转矩-转速特性,由（1）式画出其转矩-转速特性如图7。并求出最大转矩和临界转差率：,电压源供电的情况下，最大转矩出现在 的地方。,由于 ，所以在恒流源供电时，最大转矩出现在转差率,小得多的地方。电机转矩-转速特性成尖峰状，起动转矩很小，稳定运行的范围很窄。,（2）电压型变频器：双pwm,（3）实现回馈的条件：,四.变频器的控制方式和开闭环的选择,（一）矢量控制变频器的选择与设定：,调速精度和动态响应要求较高：高速纸机，电缆成型机，拉幅定型机，圆网印花机等。,1.矢量控制的技术指标和应用范围：,2.使用矢量控制变频器的注意事项：,多台电机并联；转速精度要求较高，或动态指标要求较高时，采用闭环。,3.设定方法：,参数辨识。,五.基于rs485网络实现plc对变频器的多机控制：,（一） vfd-a 1.变频器设置： pr00=d0002 主频输入来源选择； pr01=d0003 运转指令来源 pr78=d0000 (d000-d0031); 地址 pr77=d0002(4800) (d0000:1000;d0001:2400) 传输速率 2.plc设置: cqm1h cqm1h的通讯方式：上位机通讯方式和无协议通讯方式 适配器rs232/rs485转换器 cqm1h-sb41,adam4520 8位数据位，1位停止位，奇校验 dm6654=1001,dm6646=0702 3 .指令格式 c，s，a，uu，mm，ffff,c-43h 控制命令字串字头 s- 03h 和检查 a-02h 命令认可（01h单台） uu-30h 30h-33h 31h(00-31)位址 mm-58h 30h-38h (x无定义 ） 运转命令 x0-停止；x1-正转；x2-停止；x3 反转；x4,x5-寸动正转； x6,x7-寸动反转；x8-reset ffff-30h 30h 30h 30h 频率指令 设03号变频器正转在25.3hz 4303023032583130323533 4.plc的串口指令： txd(-)发送指令；rxd(-)接收，,s-发送信息的首字地址，d-放置接收信息的首字地址，c-控制字，n-发送和接收信息字节数。 例：通过plc控制地址为03的变频器以25.3hz正转，plc从rs232口发出的控制码为4303023032583130323533，txd命令s=dm0000,c=#0000,n=#0011其中dm0000=4303,dm0001=0230,dm0002=3258，dm0003=3130,dm0004=3235,dm0005=3300. dm的内容用mov指令传送。,六变频器设定实例：,1.湖南大源渡水电站200t门式起重机：,主起升，电机90kw绕线式，机械抱闸，能耗制动，调速范围0.272m/min-2.272m/min上升，下降各五档。,大车：电机13kwx4=52kw,机械抱闸，调速范围前，后各五档。,小车：电机7.5kwx2=15kw,机械抱闸，调速范围左，右各五档。,变频器：acs500-170-3;acs500-100-2;acs500-025-3各一台。,主起升变频器设定：,（1）起动数据：a语言:英语；b应用:顺序控制；c应用恢复:是；d电源电压:400v；e电机极数:6；f电机额定电流:186a；g电机额定功率:90kw；h功率因数:0.83。,（2）主菜单10：控制连接,组11：11.1允许运行:yes；11.2外部控制区选择:键盘：11.3外部,制动单元,图8 200t门机主起升电路图,上升,下降,速度选择,电磁抱闸,1i/o选择:di1.2：11.4外部2i/o控制选择:不选择：11.5外部给定1选择:ai1；11.6外部给定2选择:键盘；11.7多段速度选择:di3.4.5；11.8:方向:可逆；11.9；11.10；11.10按缺省值。,组14：输出信号；14.3频率1极限；其余按缺省值。,（3）主菜单20：传动,组21:加速/减速：21.1加速/减速积分类型:线性：21.2加速时间1:10s；21.3减速时间1:10s；21.4-21.7按缺省值。,组24:恒速:24.1恒速1:5hz：24.2恒速1:15hz：24.3恒速1:28hz：24.4恒速1:40hz：24.5恒速1:50hz。,组26起动/停止：26.1起动功能:torq boost；26.2转矩提升电流选择1.5in；26.3电机减速条件:积分减速；26.4制动斩波器:是；26.5-26.7无选择。,（4）主菜单30：保护,组31:监视；31.1输出频率1监视:低限；31.2输出频率1监视:0.5hz;,其余按缺省值。,大车和小车的变频器设置：26.4制动斩波器:否；组31:监视不设定，其余与主起升变频器设定相同。,2.绵阳游仙自来水厂恒压供水：2台160kw水泵， 2台75kw水泵，采用循环投切方案，系统框图如下：,变频器acs604-170-3一台，采用plc控制过程。切换过程中要求先关阀后切换，然后再开阀。,为适应恒压供水，变频器接口按下图联结,图9 变频器恒压供水系统图,选pfc应用宏,组10：起动/停机/方向：10.01外部控制地1选择:di1：10.2外部控制地2选择:di1：10.3旋转方向:正或反。,99组：启动参数：9901语言:英语；9902应用宏:pfc；9903应用恢复:是；9904电机控制模式:标量：9905电机铭牌电压:400v；9906电机额定电流:297.5a；9907电机额定频率:50hz；9908电机铭牌额定速度:1440rpm：9909电机铭牌额定功率:160kw：9910选择电机辨识运行的类型:no。,组11：给定选择：11.02外部控制地选择输入:di1；11.03外部给定1的给定源:ai1;11.04,11.05外给定的最大值和最小值；11.06外部给定1的给定源；11.07，11.09外给定的最大值和最小值。,组12：恒速：组13模拟输入；13.01:ai1的最小值对应的最小给定，0v；13.02的最大值，对应的最大给定10v；13.06 ai2的最小值对应,最小给定:0ma；13.09ai2滤波时间常数:5s；其余按缺省值。,组14继电器输出：14.01继电器输出1的内容:pfc控制；14 02继电器输出1的内容:pfc控制；14.03故障。,组15：模拟输出；组16：系统控制输入：16.01允许运行:yes：组22：加速/减速：22.02/22.03加速/减速时间10s。,组81水泵风机控制：81.01水泵风机控制的信号来源，过程给定从参数11.06定义，控制盘必须使远程控制模式；81.09，81.10设置起动频率52hz；81.12，81.13设置下限停机频率；81.20电机互锁功能:no.,3.金堂自来水厂：成都野生动物园供水站,30kw,18.5kw,11kw水泵各一台，采用循环投切方案，系统框图如下：,自耦减压启动器,继电器扩展板,图10 变频器恒压供水系统图,第二部分 变频器故障分析与维护 一变频器结构 变频器结构大多采用模块化设计，整体结构由主电路，控制回路，保护回路，驱动回路等组成。各部分又有更多的的组成，如下图为主电路,图1 主电路原理图,1、主电路 整流桥，充电限流电路，逆变桥，浪涌吸收电路 （1）二极管整流桥，双pwm （2）充电限流电路有几种形式： a).用可控硅代替交流接触器：如图2 b).整流桥为半控桥：如图3 icd=id/1.57=im/2.72 式中：icd-平均值 id-有效值 im-峰值,（3）二极管的选型计算： 例：110kw变频器整流桥容量的计算 220kw变频器额定电流210a 不考虑直流侧充电电容的影响，可取200a，若考虑电容的充电电流的影响，可取250a。 整流桥二极管的耐压为线电压峰值的(23)倍，通常为1600v。 （4）直流侧电容计算： 等效电容与负载等效电阻的乘积（时间常数）应远大于三相整流桥输出电压的脉动周期，t=0.0033s。,线路板,吸收电容,图3 可控硅开关,图2 限流电路的另一种接法,图4 单相二极管充电电路,c).整流桥为全控整流桥：如图4,图5 辅助整流桥充电电路,各种接法的优、缺点： 交流接触器：发热量小、控制电路简单；体积大。 图2的交流接触器不流过直流电流。 可控半桥（可控全桥）整流：发热量较二极管大，散热器适当增大或风机风量加大，控制电路略复杂，体积小。,d).整流桥的测量： 二极管的测量方法，比较几个二极管的正向电阻值，二极管反向耐压较高（1600v）。一般几个二极管的正向电阻值接近，整流桥基本都是好的。 e).与此有关的故障： 整流桥个别二极管损坏：负载轻，正常负载 充电电阻损坏 交流接触器故障 均压电阻故障 整流桥的代换：额定电流值，耐压值 注意事项： 维修变频器充电灯必须熄灭,（3）逆变桥：igbt,ipm a). 概述：变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。在低压交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件有gto、gtr、igbt以及智能模块ipm，后面二种集gtr的低饱和电压特性和mosfet的高频开关特性于一体是目前通用变频器中最广泛使用的主流功率器件。igbt集射电压vces可3v, 频率可达到20khz,内含的集射极间超高速二极管trr可达150ns, 1992年前后开始在通用变频器中得到广泛应用。其发展的方向是损耗更低, 开关速度更快、电压更高,容量更大(3.3kv、 1200a), 目前，采用沟道型栅极技术、非穿通npt技术等方法大幅度降低了集电极一发射极之间的饱和电压vce（sat）的第四代igbt也已问世。第四代igbt的应用使变频器的性能有了很大的提高。其一是icbt,开关器件发热减少，将曾占主回路发热5070的器件发热降低了30。其二是高载波控制，使输出电流波形有明显改善；其三是开关频率提高，使之超过人耳的感受范围，即实现了电机运行的静音化；其四是驱动功率减少，体积趋于更小。而ipm的投入应用比igbt约晚二年，由于ipm包含了1gbt芯片及外围的驱动和保护电路甚至还有的把光耦也集成于一体，因此是种更为好用的集成型功率器件，目前，在模块额定电流10600a范围内，通用变频器均有采用ipm的趋问，其优点是：（l）开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单。（2）内含电流传感器，可以高效迅速地检测出过电流和短路电流，能对功率芯片给予足够的保护，故障率大大降低。（3）由于在器件内部电源电路和,驱动电路的配线设计上做到优化，所以浪涌电压，门极振荡，噪声引起的干扰等问题能有效得到控制。（4）保护功能较为丰富，如电流保护、电压保护、温度保护一应俱全，随着技术的进步，保护功能将进一步日臻完善 .（5）ipm的售价已逐渐接近igbt而计入采用ipm后的开关电源容量、驱动功率容量的减小和器件的节省以及综合性能提高等因素后在许多场合其性价比已高过igbt，有很好的经济性。为此ipm除了在工业变频器中被大量采用之后，经济型的ipm在近年内也开始在一些民用品如家用空调变频器，冰箱变频器、洗衣机变频器中得到应用。ipm也在向更高的水平发展，日本三菱电机最近开发的专用智能模块asipm将不需要外接光耦;通过内部自举电路可单电源供电并采用了低电感的封装技术，在实现系统小型化，专用化，高性能，低成本方面又推进了一步。,c）. ipm的自保护功能： 欠电压锁定：内部控制电压由一个15v的直流电源供电，若某种原因是这一电源低于规定的欠电压动作数值，则功率器件关断并输出故障信号，小毛刺部动作。 过热保护：在靠近芯片的绝缘基板上安装一温度传感器，若基板温度超过过热动作数值，ipm截止并输出故障信号。,图6 igbt六单元结构,图5 igbt二单元结构,b). 电路图,控制电源,控制电源,过流保护：若流过ipm 的电流超过动作数值的 时间大于toff(oc),则ipm 将被软关断，并输出故障 信号，第3代ipm的 toff(oc)=10 。 短路保护：若负载短路 或控制器故障引起上下桥 臂短路，则ipm将被软关 断，并输出故障信号，响 应时间不足100ns.,d). 命名与编号： 三菱系列 （1）器件 cm=igbt模块 (4)对 ipm pm=ipm模块 h =一单元 （2）电流额定值ic(安培) d =二单元 （3）对igbt c=六合一 h=一单元 r=七合一 d=二单元 （5）外型或局部变化 t=六合一 （6）耐压值（igbt)乘50 e=制动或斩波 （7）耐压值（ipm)乘10 （8）h=h系列模块 （igbt),例： cm 100 d y- 24 h pm 600 h -sa 120 东芝系列 mg 150 m 2 yl 1,（1） （2） （4）（5） （6） （8）,（1） （2） （3） （5） （7）,东芝 电流 额定值 耐压等级 单元数 接线方式 产品系列 g600v m1000v n1100v q1200v s1400v,e). igbt好坏的简单判别： 耐压值：摇表或兆欧表，能产生1000v 直流电源，测量电路如图8所示： 注意事项：g即必须与e相连,图8 igbt耐压测量电路,导通和截止的测量： 对ge充正电测量导通，对ge充负电测量截止。 续流二极管正向电阻的测量：容量相同的模块其续流二极管正向电阻值基本相近，一般位数百欧。 f).与此有关的故障 过流：加速过流，减速过流，运行过流 igbt故障 导热硅脂干涸 注意事项： 主回路通电前，igbt的g极严禁开路。 换igbt的底板要均匀地涂一层导热硅脂，固定螺钉需拧紧。 换igbt后通电之前在直流回路中串入限流电阻,接法如图9。 如图中r4,一定要接在电容与逆变桥之间。,igbt的代换：同型号，考虑不同代产品的损耗不同。 不同型号，ic vce满足的前提下考虑 体积，安装位置，接线方式，不同代产品的损耗等。,（4）电解电容： 寿命5年，容量下降发热膨胀漏液，用电容测试仪测量。电解电容的误差为标称值的 20%。 （5）浪涌吸收电路： 目前变频器普遍使用的吸收回路如图所示的三种电路。,：,2、控制电路： 变频器的控制电路有主控电路，保护电路和操作，显示电路构成。控制电路的核心是cpu,v/f控制型变频器使用8xc196mc/mh, pd78366,m37705或tms320c24x/28x等。矢量控制变频器采用双cpu或dsp. 从维修角度讲，修主板的难度较大。判定主板的好坏，最常用的方法就是代换法。板上明显故障可修理，隐藏故障的修理比较复杂，利用示波器，加上经验，再分析判断。,3、驱动回路： 驱动电路作为逆变电路的一部分，对变频器的三相输出有着巨大的影响。驱动电路的设计一般有这样几种方式 (1)分立插脚式元件组成的驱动电路; (2)光耦驱动电路; (3)厚膜驱动电路; (4)专用集成块驱动电路等几种。,(1) 分立插脚式元件的驱动电路 分立插脚式元件组成的驱动电路在80年代的日本和台湾变频器上被广泛使用,主要包括日本(富士:g2,g5.三肯:svs,svf,mf.,春日,三菱z系列k系列等)台湾(欧林,普传,台安.)等一系列变频器。随着大规模集成电路的发展及贴片工艺的出现,这类设计电路复杂，集成化程度低的驱动电路已逐渐被淘汰。 (2) 光耦驱动电路 光耦驱动电路是现代变频器设计时被广泛采用的一种驱动电路，由于线路简单，可靠性高，开关性能好，被欧美及日本的多家变频器厂商采用。由于驱动光耦的型号很多，所以选用的余地也很大。驱动光耦选用较多的主要由东芝的tlp系列，夏普的pc系列,惠普的hcpl系列等。以东芝tlp系列光耦为例。驱动igbt模块主要采用的是tlp250，tlp251两个型号的驱动光耦。对于小电流,15a,左右的模块一般采用tlp251。外围再辅佐以驱动电源和限流电阻等就构成了最简单的驱动电路。而对于中等电流(50a)左右的模块一般采用tlp250型号的光耦。而对于更大电流的模块，在设计驱动电路时一般采取在光耦驱动后面再增加一级放大电路，达到安全驱动igbt模块的目的。 (c) 厚膜驱动电路 厚膜驱动电路是在阻容元件和半导体技术的基础上发展起来的一种混合集成电路。它是利用厚膜技术在陶瓷基片上制作模式元件和连接导线，将驱动电路的各元件集成在一块陶瓷基片上，使之成为一个整体部件。使用驱动厚膜对于设计布线带来了很大的方便,提高了整机的可靠性和批量生产的一致性，同时也加强了技术的保密性。现在的驱动厚膜往往也集成了很多保护电路，检测电路。应该说驱动厚膜的技术含量也越来越高。,图12 部分光耦电路图,现在普遍使用的厚膜驱动电路主要有美国国际整流器公司的ir2110/2125/2132/2155等，富士exb840/841，exb850/851系列驱动厚膜。三菱的m57956l，m57959l等驱动厚膜。 exb841和exb851用于驱动600v/400a和1200v/300a以下igbt模块。exb840/841最大开关频率40khz，信号延迟最大1 exb850/851最大开关频率10khz，信号延迟最大4 . 使用exb系列厚膜驱动电路时，与igbt的连接线用双绞线，长度不要超过1米。栅极电阻300a 3.3 ,200a 5 , 150a 8.2 200a 12 。,图11 exb841膜驱动电路内部电路原理图,工作原理： a). 正常开通过程： 当光耦二极管导通时，t2截止，d点高电平，t4导通，t5截止。 t1截止，电源经r3向c2充电，充电时间常数,过电流保护,b点电位上升，由零升到13v的时间为 由于igbt已在1 导通，6脚电位箝制在8v，即c点电位8v。 b). 正常关断过程： 光耦截止，t2导通，t4截止，t5导通，igbt栅极电荷经t5迅速放电， igbt截止，加负5v使igbt可靠截止。 c). 保护动作：正常导通时， c点电位8v，w2不被击穿，t3不导通，e点电位保持20v，二极管d1截止。若发生短路，二极管d2截止， c点电位开始上升；至13v时，w2击穿，t3导通，c4通过r7放电，e点电位逐渐下降，二极管d1导通， d点电位也逐渐下降，缓慢关断igbt。 发生过流后的动作时间：,c点电位由8v上升至13v的时间 e点由20v下降到3.6v的时间 式中: 这种状态直到控制信号使光耦截止， igbt截止。t1导通使c2迅速放电，t3截止，20v电源通过r8对c4充电，时间常数为,则e点由3.6v充至19v的时间 保护动作后需 ，exb841完全恢复的正常状态。,4、保护电路 （1）过流：保护变频器，主要依据是变频器的电流额定值。 （2）过载 过载保护功能是保护电动机过载的，同样也保护变频器。从根本上说，对电动机和变频器进行过载保护的目的，是使电动机和变频器不因过热而烧坏。因此，进行保护的主要依据便是电动机和变频器的温升不应超过其额定值。 (a)发热保护的反时限特性 电动机的热保护功能具有反时限特性。即电动机的过载电流越大，允许过载的时间越短，保护动作的时间也越短。 例如，当运行电流为额定电流的105%时，可维持5.8min后才进行保护跳闸；当运行电流为额定电流的150%时，运行1min就需进行保护跳闸；而当运行电流为额定电流的180%时，允许的持续运行时间只有36s（0.6min），如图1所示。,图1 过载保护的反时限特性,(b)温升与频率的关系 电动机的发热与频率的关系 电动机在低频运行时，由于散热情况变差，故电机的发热比较严重。即在in=100%imn的情况下，其稳定温升也会超过电动机的允许温升。( in-变频器额定电流；imn电动机额定电流）,图2 低频时的发热曲线,温升曲线 例如，在图2中，当频率fx=50hz、in=100%imn时，其温升曲线为曲线；而当频率fx=20hz、in=100%imn时，其温升曲线为曲线。允许运行的时间将缩短为t。 变频器的电子热保护功能 电子热保护的特点： 根据电动机发热的上述规律，所有的变频器都配置了电子热保护功能，其热保护曲线如图3所示。主要特点有： 具有反时限特性； 在不同的运行频率下有不同的保护曲线，如图3所示：当频率为50hz、运行电流为150%imn时，允许连续运行的时间较长，为t1；当频率为20hz时，允许连续运行的时间缩当频率为20hz时，允许连续运行的时间缩短为t2；而当频率为10hz时，允许连续运行的,时间进一步缩短为t3。可见，频率越低，允许连续运行的时间越短。,图3 电子热保护曲线,电子热保护功能的预置 在实际应用中，变频器的容量和电动机容量之间的配用情况不是固定的。例如，对于长期不变的负载，一台55kva的变频器配用的电动机应该是37kw。但对于变动负载、断续负载和短时负载，由,于电动机是允许短时间过载的，而变频器则不能。因此，也可能配用22kw甚至15kw的电动机。 针对这种情况，在预置电子热保护功能时，必须预置“电流取用比”： 式中：,变频器将根据用户所预置的电流取用比，来决定进行保护跳闸的时间。 过载次数：每小时6次，间隔时间为10分钟。 （3）负载过重、欠载保护 检测，不动作；报警，继续运行；故障，自由停车。,为电动机的额定电流,为变频器的额定电流,（4）过压和欠压 vd(380/1.732)2.34=513v vd1(418/1.732)2.34=565v vd2(323/1.732)2.34=436v 制动开启电压690720v。 直流母线欠压点：300450v 故障，自由停车；限时电源恢复再起动，自由停车；cpu运行中点源恢复再起动；减速运行，维持母线电压。 电力系统中高压某相瞬时接地是常见故障，如110kv高压a相瞬时接地，引起110kv有8.6kv的瞬时下降，反映到6000v有469v下降，380v有30v的下降，可能会引起变频器调闸。可将欠压动作时间延长，以躲过外电网瞬间接地故障。 过电压650v750v，可设为有效、无效或改变。 制动开启电压690720v，也可改变，但一定比过电压低。,（4）过热： 温度继电器：居里效应 热敏电阻：可连续测温显示。 （5）接地 零序电流互感器 在直流侧安装霍尔器件 （6）输入/输出缺相保护,二、变频器的日常维护 变频器在长期运行中，由于温度、湿度、灰尘、振动等使用环境的影响内部元件会发生变化或老化。 1、使用环境对变频器的影响： 温度-10度40度， 湿度90%无结露，影响爬电距离 电源电压323418v电压低（436vdc）电流增大， igbt易过流；电压高（564vdc）脉冲尖峰高，igbt易击穿。 灰尘沉积在变频器内空气潮湿时可能短路。 震动对一些重量比较大而重心又比较高的元件使其松动脱焊，特别是均压电阻脱焊后，会产生严重后果。 2、元件的老化对变频器的影响 影响有好、有坏，对半导体器件，老化后参数更稳定；但也可能,使一些元件的参数劣化，如有缺陷的元件，将失效；电容容量降低，噪声增大、风机散热变差等。 3、变频器日常维护的内容 （1）运行参数是否在规定范围内，电源电压是否正常？ （2）变频器操作面板显示是否正常，仪表指示是否正确，是否有振动、震荡现象？ （3）冷却风扇是否运转正常，有无异常声响？ （4）变频器和电动机是否有异常噪声，异常震动及过热现象？ （5）变频器及引出电缆是否过热、变色、变形、异味、噪声等？ （6）变频器的周围环境是否符合标准规范，温度和湿度是否正常？ 4、定期检查 用户根据环境情况，每36个月对变频器进行一次定期检查，操,作注意安全。 检查和处理内容： （1）输入、输出端子和铜排是否过热变色、变形、螺钉是否松动？ （2）控制回路端子螺钉是否松动？ （3）主回路的绝缘是否满足要求？500v摇表对r、s、t、p、n、db、u、v、w和pe之间的绝缘在5 以上，控制电路不测试。 （4）电解电容是否膨胀、漏液？ （5）用干燥的压缩空气吹去电路板、散热器风道上的粉尘。 （6）长期不用的变频器，进行充电老化。方法是用调压器慢慢升压至额定电压，时间2小时以上。无需带负载，每年至少一次。 5、零部件更换 （1）冷却风机3年更换。（2）直流侧电解电容5年更换。（3）电路板上的电容7年更换。,三、变频器故障分析 （一）变频器的生产流程 硬件高度集成化，功能软件化，为提高可靠性，元器件老化。 电路板的检测：成品板进行x射线分层法二维图像三位激光厚度测量或三位激光成像测量等工艺检测。还需检查所有的焊点和接头等。元器件的布局和上焊料的位置是由二维图像检查，也有通过电视摄像机扫描仪进行图像自动跟踪分析检测。焊点的测量也采用激光厚度测量获三位激光成像完成。 变频器优化设计和冗余， 也不能完全排除一些元器件会受 环境的影响而导致性能降低引发 故障。 （二）典型失效率曲线,规定失效率,偶发故障期,初期故障,磨损故障,使用年限,2变频器的生产流程 3典型失效率曲线,（三）变频器故障的主要类型 大致分为参数设置故障过电流和过载类故障过电压和欠电压类过障综合故障等。 1、参数设置故障： （1）电机参数 矢量控制变频器需设置电机参数：电机功率电流电压转速功率因数。这些参数应与电机铭牌参数一致，否则就会使控制精度降低或变频器工作不正常。 （2）控制参数 控制方式有频率(速度)控制转矩控制pid控制方式。每一种控制方式都对应一组参数设定，如果设定不正确，变频器工作不正常。 （3）变频器的频率给定方式和起动方式,二变频器的主要类型 1参数设置故障：,面板给定端子给定或计算机通信给定。 2、过电流和过载类故障： 过电流和过载故障是变频器的常见故障，其原因是各种各样的。故障类型可分为加速过电流减速过电流恒速过电流，过载包括变频器过载和电机过载。 （1）外部原因 a、由于电机的负载突变引起大的冲击电流使过电流动作一般变频器的过电流定额为2in; b、变频器输出缺相； c、电机和电缆绝缘损坏，造成相间、匝间短路或接地； d、受电磁干扰的影响，过电流保护误动作； e、电机线圈和外壳之间，电机电缆和大地之间存在较大的寄 生电容，通过寄生电容会有高频漏电流流向大地；,2过电流和过载类故障：,f、变频器输出侧接有功率因数校正电容； g、变频器容量选择不当与负载不匹配等。 h、产生转子轴电流和转子轴电压等 （2）变频器内部原因： a、参数设置不当：加、减速时间过短、转矩提升过大； b、变频器内部故障：二极管、igbt或其它元件损坏； c、电流检测霍尔器件故障； 3过电压和欠电压类过障： 欠电 压 (323vac)436vdc、过电压(418vac)564vdc，加速过电压690v720vdc(511vac533vav)。 4变频器输出不平衡故障 在实际维修中u、v、w输出不平衡可分为三种情况: (1) 变频器显示器显示：输出缺相，如排除检测电路故障，则通,3过电压和欠电压类过障： 4综合性故障:,过直接检查igbt模块和驱动电路，结论为igbt模块损坏，同时驱动电路也有问题。通过更换igbt模块和驱动电路上元器件如光耦, pnp,npn一对驱动晶体管, 电解电容, 稳压管等基本能解决问题。 (2) 变频器输出u、v、w之间相差100v左右，(输出380v为例)驱动电路中s1s6中间的某一路驱动电路无驱动电压和驱动信号波形不正常, 通过测量找出问题。 解决办法为检查驱动电路电压是否正常，光耦是否坏了，电解电容是否漏液等。通过示波器测量6路波形符合技术要求，问题也就可解决了。 （3）还有另一种现象是变频器u、v、w三相输出交流电压之间相差大于3%，虽然能使用，但是不能长期使用和大负载使用。这主要是驱动电路s1s6之间主要器件不对称所至，如igbt的技术参数，稳压管的参数，电容的液枯,漏液和漏电等，6路驱动电路上器件的耗损使其参数上有一定的差别，导致变频器输出u、v、 w之,间产生微小的电位差。上述情况虽然能使用，但是技术上是不能容许的。 5、综合性故障: 涉及多方面的因素的故障，主要涉及控制板上的问题，其原因比 较复杂。实际上主回路在高电压大电流工作，温度也比较高，故障的概率最高，据统计变频器主回路的故障，占整个故障的70%以上。对于控制板上的故障，一般用换件的方式解决。 6其他故障： （1）过热保护 （2）漏电断路器：电机和机械设备已经可靠接地，漏电断路器的 设定值是按工频漏电流的标准设定的。在变频调速系统中，会产生 高频漏电流和工频漏电流两部分，造成不平衡分量加大，在变频器电源侧安装的漏电断路器会产生误动作。,变频器回路中应选用中灵敏度（301000ma），延时型（动作时间在0.12s之间）的漏电断路器。必要时，加装隔离变压器输入电抗器抑制谐波干扰，或降低变频器的载波频率，减小分布电容造成的干扰。 （3）变频器的载波频率： 变频器的载波频率是可调的，实际调整时，若载波频率设定不当造成变频器异常，损坏变频器。 载波频率越高，变频器损耗越大，如果环境温度也高，变频器可能过热保护，严重时损坏变频器。 载波频率较高时，变频器的输出波形好，但输出电压的变化率增大，当变频器和电机之间的电缆较长时，对地寄生电容以相应增大，对电机绝缘造成威胁。载波频率过低时，电机损耗增大，温度增高。不论载波频率过高或过低，都会有利有弊，在实际应用终于以综合考虑。,5其他故障：,四变频器维修 （一）资料准备及注意事项： 1工具与资料 万用表，双踪示波器（20m），耐压测试仪（摇表 1000v/500v）， 材料：导热硅脂， 资料：说明书，有关材料手册，电路图等。 2安全问题 充电灯熄灭，主电路换件后通电时注意限流保护。 3电源及运行条件：,（1）变频器输入/输出三相电流不平衡 输入：三相整流桥三项参数不一致；电源回路接触电阻或线径一致；负载较轻。除负载较轻外不平衡控制在10%以内。 输出：电机故障；逆变桥功率器件或驱动故障，不平衡控制在 5%以内。 （2）电机过热损坏 变频器输出含有谐波；长期低速运行；电机绝缘降低。 加装输出电抗器；若变频器容量允许适当调高载频；加装恒速风机；电机绝缘提高到f级。 （二）维修实例 根据故障现象分析可能出现的因素，采用逐步排除法进行操作。 1、过电压故障：,（1）过电压的原因： a、来自电源输入侧的过电压 一般电源电压不会使变频器因过电压跳闸。电源输入侧的过电压主要是指电源侧的冲击过电压，如雷电引起的过电压、补偿电容在合闸或断开时形成的过电压等 。 b、来自负载侧的过电压： 由于某种原因使电动机处于再生发电状态，负载的传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能 ，这些能量将会导致中间直流回路的电容器的电压上升产生过电压。其主要因素如下： （a）变频器减速时间参数设定相对较小及未使用变频器减速过电压自处理功能。 （b）当电动机所传动的位能负载下放时，电动机将处于再生发电制动状态。 （c）变频器负载突降。,（d）多个电机拖动同一个负载。 （e）变频器中间直流回路电容容量下降 。 （2）过电压处理对策： 对于过电压故障的处理，关键一是中间直流回路多余能量如何及时处理;二是如何避免或减少多余能量向中间直流回路馈送，使其过电压的程度限定在允许的限值之内。下面是主要的对策: a、在电源输入侧增加吸收装置，减少过电压因素： 对于电源输入侧有冲击过电压、雷电引起的过电压、补偿电容在合闸或断开时形成的过电压可能发生的情况下，可以采用在输入侧安装并联浪涌吸收装置或串联电抗器等方法加以解决。 b、从变频器已设定的参数中寻找解决办法：,变频器减速时间参数的设定不要太短；如果工艺流程对负载减速时间有限制，就要设定变频器失速自整定功能或先设定变频器不过压情况下可减至的频率值，暂缓后减速至零，减缓频率减少的速度。 c、增加制动单元和制动电阻或回馈装置。 d、采用在中间直流回路上增加适当电容的方法（超容电容制动） e、多台变频器共用直流母线的方法。,4过电压,过电压,过电压,加速时过电压 ou1,减速过电压 ou2,恒速时过电压 ou3,电源电压是否在规定范围内？,ou1ou2或ou3是否在突卸负载时动作?,动作时主电路直流电压是否等于或大于保护动作值?,是否增加设定减速时间?,增加设定 时间,减小电源电压至规定的上限范围内,可能变频器故障或干扰造成变频器误动作,是否ou1加速时停止动作？,是否增加加速时间？,减小惯量矩,能否减小负载的惯量矩？,是否使用制动单元或直流制动功能？,必须检查制动方法,使用制动单元或直流制动功能,是,是,是,是,是,是,是,是,是,是,是,是,是,是,否,否,否,否,否,否,否,否,否,否,否,否,否,2、过流 现象：上电跳闸或熔断