变频器原理和维护1.ppt

变频器技术基础 机电计控部 杨建洛0376 8672124 本讲座主要有以下四个方面的内容 一 电机调速方法和原理分析二 变频器的工作原理和结构组成三 变频器的分类及选型四 变频器的日常维护和常见故障 目前电机常用三种调速方法 1 滑差调速 实际上是离合调速 由异步电机和电磁转差离合器 磁力偶合器 也就是电磁力强一点 偶合就紧一点 2 变极调速 即改变电机的磁极对数 2 4 6 8 10等非连续 3 变频调速 改变电压和频率 恒功率和恒转矩 电机调速原理 根据电机原理 三相异步电动机调速的基本原理基于如下转速公式 n 60f pn 同步速度f 定子电源频率p 电机磁极对数 电机的转速旋转速度近似地确决于电机的极数和频率 电机调速原理 一般异步电机转速n与同步转速n1存在一个滑差关系式 2 中 n 异步电机转速 r min S 异步电机转差率 由 2 式可知 调速的方法可改变f1 P S其中任意一种达到 对异步电机最好的方法是改变频率f1 实现调速控制 提示 如果仅改变频率而不改变电压 频率降低时会使电机出现过电压 过励磁 导致电机可能被烧坏 因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压 改变频率和电压是最优的电机控制方法 电机调速状态下两种工作模式分析 1 恒转矩调速模式 在频率低于供电的额定电源频率时属于恒转矩调速 2 恒功率调速模式 在频率高于定子供电的额定电源频率时属于恒功率调速由电机理论 三相异步电机每相电势的有效值与下式有关 式 3 中 E1 定子每相电势有效值 V f1 定子供电电源频率 Hz N1 定子绕组有效匝数 m 定子磁通 Wb 恒转矩调速 要维持电机输出转矩不变 必须维持每极气隙磁通 m不变 从 3 式可知 也就是要使E1 f1 常数 如忽略定子漏阻抗压降 可以认为供给电机的电压U1与频率f1按相同比例变化 即U1 f1 常数 即V F特性 恒功率调速 在频率高于定子供电的额定电源频率 50Hz 时属于恒功率调速 此时变频器的输出频率f1提高 但变频器的电源电压由电网电压决定 不能继续提高 根据公式 3 E1不能变 f1提高必然使 m下降 由于 m与电流或转矩成正比 因此也就使转矩下降 转矩虽然下降了 但因转速升高了 所以它们两的乘积并未变 转矩与转速的乘积表征着功率 因此这时候电机处在恒功率输出的状态下运行 由以上分析可知通用变频器对异步电机调速时 输出频率和电压是按一定规律改变的 在额定频率以下 变频器的输出电压随输出频率升高而升高 即所谓变压变频调速 VVVF 而在额定频率以上 电压并不变 只改变频率 实际上多数变频调速场合是用于额定频率以下 低频时采用的补偿都是为了解决低频转矩的下降 其采用的方式多种多样 有矢量控制技术 直接转矩控制技术以及拟超导技术等等 变频器原理和结构 什么是变频器 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置 我们现在使用的变频器主要采用交 直 交方式 VVVF变频或矢量控制变频 先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源 然后再把直流电源转换成频率 电压均可控制的交流电源以供给电动机 变频器主要是由主电路 控制电路组成 变频器的结构变频器的电路一般由整流 中间直流环节 逆变和控制4个部分组成 原理图如下 各部分的功能分别是 1 整流部分 把交流电压变为直流电压 2 滤波部分 把脉动较大的交流电进行滤波变成比较平滑的直流电 3 逆变部分 把直流电又转换成三相交流电 这种逆变电路一般是利用功率开关元件按照控制电路的驱动 输出脉冲宽度被调制的PWM波 或者正弦脉宽调制SPWM波 当这种波形的电压加到负载上时 由于负载电感作用 使电流连续化 变成接近正弦形波的电流波形 4 控制电路是用来产生输出逆变桥所需要的各驱动信号 这些信号是受外部指令决定的 有频率 频率上升下降速率 外部通断控制以及变频器内部各种各样的保护和反馈信号的综合控制等 变频器的分类 变频器的分类方法有多种 1 按照主电路工作方式分类 可以分为电压型变频器和电流型变频器 2 按照开关方式分类 可以分为PAM 脉冲幅度调制 控制变频器 PWM 脉冲宽度调制 控制变频器和高载频PWM控制变频器 3 按照工作原理分类 可以分为V f控制变频器 转差频率控制变频器和矢量控制变频器等 通用型变频器大多为V f控制变频器4 按照用途分类 可以分为通用变频器 高性能专用变频器 高频变频器 单相变频器和三相变频器等 变频器的分类 电压型变频器 电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器 直流回路的滤波采用电容滤波 电流型变频器 电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器 其直流回路滤波是电感滤波 变频器的选型 选择变频器 主要考虑以下两个方面的问题一 根据负载类型特性选取适当控制方式的变频器 异步电动机变频控制选用不同的控制方法 就可以得到不同性能特点的调速特性 做到电压匹配 电流匹配和转矩匹配 二 根据安装环境选取变频器的防护结构 变频器的防护结构要与其安装环境相适应 这就要考虑环境温度 湿度 粉尘 酸碱度 腐蚀性气体等因素 这与变频器能否长期 安全 可靠运行关系重大 常用的设备负载按其特性分如下三类 恒转矩负载恒功率负载水泵风机类等流体负载 恒转矩负载特性 在这类负载中 负载转矩TL与转速n无关 任何转速下TL总保持恒定或基本恒定 负载功率则随着负载速度的增高而线形增加 传送带 搅拌机 挤压机和机械设备的进给机构等摩擦类负载以及起重机 提升机 电梯等重力负载 都属于恒转矩负载 变频器拖动恒转矩性质的负载时 低速时的输出转矩要足够大 并且要有足够的过载能力 如果需要在低速下长时稳速运行 应该考虑标准笼型异步电动机的散热能力 避免电动机温升过高 恒功率负载特性 这类负载的特点是需求转矩TL与转速n大体成反比 但其乘积即功率却近似保持不变 金属切削机床的主轴和轧机 造纸机 薄膜生产线中的卷取机 开卷机等 都属于恒功率负载 负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的 当速度很低时 受机械强度的限制 TL不可能无限增大 在低速下转变为恒转矩性质 负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响 电动机在恒磁通调速时 最大允许输出转矩不变 属于恒转矩调速 而在弱磁调速时 最大允许输出转矩与速度成反比 属于恒功率调速 如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时 即所谓 匹配 的情况下 电动机的容量和变频器的容量均最小 流体类负载特性 这类负载的转矩与转速的二次方成正比 功率与转速的三次方成正比 各种风机 水泵和油泵 都属于典型的流体类负载 流体类负载通过变频器调速来调节风量 流量 可以大幅度节约电能 由于流体类负载在高速时的需求功率增长过快 与负载转速的三次方成正比 所以不应使这类负载超工频运行 变频器外围设备 标准配置 FIL1 进线侧无线电干扰抑制电抗器 用于减少变频器对外界的无线电干扰 1ACL 电源侧交流电抗器 用于改善输入电流波形 提高整流器和电解滤波电容寿命 减少不良输入电流波形对外界电网的干扰 协调同一电源网上有晶闸管等变换器造成的波形影响 减少功率切换和三相不平衡的影响 因此也叫电源协调电抗器 在要求高的场合该电抗器便进一步改为较复杂的电力质量滤波单元 DCL 直流电抗器 用于改善电容滤波 当前电压型变频调速器主要滤波方式是电容滤波 造成的输入电流波形畸变和改善功率因数 减少和防止因冲击电流造成整流桥损坏和电容过热BD 制动单元 当变频器降低频率使电机急剧减速 或重力负载使电机处于发电运行时 电机制动的反馈能量使变频器直流母线电压升高到一定程度就会开启该制动单元 使能量消耗在制动电阻上 DBR 制动电阻 消耗制动时电机能量的电阻 2ACL 输出侧交流电抗器 变频器存在丰富的谐波 这些谐波有害于电机和负载的寿命 典型的是电机绕阻匝间瞬变电压dv dt过高 造成匝间击穿 以及对周围电器干扰 变频器的抗干扰 1 外界对变频器的干扰主要来源于电源进线 当电源系统投入其它设备 如电容器 或由于其它设备的运行 如晶闸管等换相设备 时 容易造成电源的畸变 而损坏变频器的开关管 在变频器的输入电路中串入交流电抗器可有效抑制来源于进线的干扰 变频器的电压 电流波形图 变频器的抗干扰 2 变频器对外界的干扰 三种方式 电路耦合方式即通过电源网络传播 这是变频器输入电流干扰信号的主要传播方式感应耦合方式 电磁感应方式这是电流干扰信号的主要传播方式 静电感应方式这是电压干扰信号的主要传播方式空中幅射方式 即以电磁波的方式向空中幅射 变频器的抗干扰措施 A变频器侧1 感应方式传播的干扰信号 通过正确的布线和采用屏蔽线来消弱2 线路传播的干扰信号 可以在线路中串入小电感来消弱3 辐射传播的干扰信号 通过吸收方法来消弱 无线电抗干扰滤波器 4 在变频器输出侧和电机间串入滤波电抗器 可以不仅起到抗干扰作用 还可以消弱由于高次谐波引起的附加转矩 改善电动机的运行特性 5 在变频器的输出侧 绝对不允许用电容器来吸收谐波电流 B仪器仪表侧电源隔离法仪器电源侧接入隔离变压器信号隔离法信号侧用光电耦合器隔离 变频器的常见故障和日常维护 变频器的常见故障有 1 过载故障2 过压故障3 过流故障4 欠压故障5 过热故障 主要引起原因变频器内部散热不好 我们可以检查散热风扇及通风通道 过压故障及措施 造成过电压的原因主要有两种 电源过电压和再生过电压 1 电源过电压是指因电源电压过高而使直流母线电压超过额定值 而现在大部分变频器的输入电压最高可达460V 因此 电源引起的过电压极为少见 2 再生过电压的防止措施 1 自由停车由于过电压产生的原因不同 因而采取的对策也不相同 对于在停车过程中产生的过电压现象 如果对停车时间或位置无特殊要求 那么可以采用延长变频器减速时间或自由停车的方法来解决 所谓自由停车即变频器将主开关器件断开 让电机自由滑行停止 2 再生制动 对由于再生制动所谓变频器的过电压 集中表现在变频器直流母线的直流电压上 目前都采取制动电阻消能方法 当变频器的三相电源波动较大 频繁出现欠压 过压故障时 可适当调整 欠压动作点设置 过压动作点设置 这两个参数 过载故障 过载故障包括变频过载和电机过载 其可能是加速时间太短 电网电压太低 负载过重等原因引起的 一般可通过延长加速时间 延长制动时间 检查电网电压等 负载过重 所选的电机和变频器不能拖动该负载 也可能是由于机械润滑不好引起 如前者则必须更换大功率的电机和变频器 如后者则要对生产机械进行检修 过流故障 最为常见 过流故障可分为加速 减速 恒速过电流 其可能是由于变频器的加减速时间太短 负载发生突变 负荷分配不均 输出短路等原因引起的 这时一般可通过延长加减速时间 减少负荷的突变 外加能耗制动元件 进行负荷分配设计 对线路进行检查 如果断开负载变频器还是过流故障 说明变频器逆变电路已环 需要更换变频器 欠压故障 说明变频器电源输入部分有问题 需检查后才可以运行 过热故障 主要引起原因变频器内部散热不好 可以检查散热风扇及通风通道 变频器的日常维护 变频器日常维护主要作好三个方面 1 日常检查2 定期保养3 备件定期更换 一 日常检查事项 变频器上电之前应先检查周围环境的温度及湿度 温度过高会导致变频器过热报警 严重的会直接导致变频器功率器件损坏 电路短路 空气过于潮湿会导致变频器内部直接短路 在变频器运行时要注意其冷却系统是否正常 如 风道排风是否流畅 风机是否有异常声音 一般防护等级比较高的变频器如 IP20以上的变频器可直接敞开安装 IP20以下的变频器一般应是柜式安装 所以变频柜散热效果如何将直接影响变频器的正常运行 变频器的排风系统如风扇旋转是否流畅 进风口是否有灰尘及堵塞物都是我们日常检查不可忽略的地方 电动机电抗器 变压器等是否过热 有异味 变频器及马达是否有异常响声 变频器面板电流显示是否偏大或电流变化幅度太大 输出UVW三相电压与电流是否平衡等等 二 定期保养 清扫空气过滤器冷却风道及内部灰尘 检查螺丝钉 螺栓以及即插件等是否松动 输入输出电抗器的对地及相间电阻是否有短路现象 正常应大于几十兆欧 导体及绝缘体是否有腐蚀现象 如有要及时用酒精擦试干净 如条件允许的情况下 要用示波器测量开关电源输出各路电压的平稳性 如 5V 12V 15V 24V等电压 接触器的触点是否有打火痕迹 严重的要跟换同型号或大于原容量的新品 确认控制电压的正确性 进行顺序保护动作试验 确认保护显示回路无异常 确认变频器在单独运行时输出电压的平衡度 建议定期检查 应一年进行一次 备件的定期更换 变频器由多种部件组成 其中一些部件经长期工作后其性能会逐渐降低 老化 这也是变频器发生故障的主要原因 为了保证设备长期的正常运转 下列器件应定期更换 冷却风扇变频器的功率模块是发热最严重的器件 其连续工作所产生的热量必须要及时排出 一般风扇的寿命大约为10Kh 40Kh 按变频器连