变频器工作原理及故障排除课件.ppt

设备部电气2012年2月 变频器原理及故障排除 第一章变频器基本原理 改变输入频率 无级调速 变频器 N 60F P P 极对数 F 频率 N 转速 改变极对数 有级调速 1 1 变频器的调速原理 交 直 交变频器的主要结构框图 交 直 交变频器的主要结构框图 交 直 交变频器原理图 交 直 交变频器原理图 RA变频器制动方式 能耗制动 1 能耗制动 变频器制动方式 能耗制动 RA变频器制动方式 能量回馈制动 2 能量回馈制动 电动机调速的关键是转矩控制 GD 2 电动机和负载的飞轮转矩Td 电动机的电磁转矩TL 电动机的负载转矩n 转速 电动机调速基础 由上式可知 要控制转速只需控制Td 变频器的控制方法 电动机调速基础 Td KmFsFrsin Td 电动机的电磁转矩Km 比例系数Fs Fr 三相矢量中的任意两个矢量的模 Fs和Fr的夹角 电动机统一转矩公式 电动机磁通矢量图 由电动机统一转矩公式可知 电动机的电磁转矩和三个磁通矢量中的任意两个矢量的模和夹角有的余弦成正比 所以要控制电磁转矩就必须控制任意两个矢量的模和夹角 1 恒U F控制 属于标量控制 定子电动势有效值为 E 4 44 F 电动机气隙磁链F 电动机工作频率 为避免电动机因频率的变化而导致磁路饱和引起励磁电流增大 功率因数和效率降低 需要维持气隙磁通 所以在调节F时 E也回相应地变化 即 E F K 恒定值 变频器的控制方法 2 矢量变换 数学运算 变频器的控制方法 矢量控制 矢量控制 基于转子磁链定向 控制思想 变频器的控制方法 直接转矩控制 3 直接转矩控制 基于定子磁场定向 直接转矩控制的原理框图 电动机变频调速时的机械特性 n 定常系数 当T T 时 T0 1 磁场加速 n增大 转矩增加 当T T 时 T0 0 磁场不变 电动机转子因惯性使 n减小 转矩减小 无速度传感器矢量控制 利用自适应控制法通过电压和电流模型运算 从而实现磁通和转矩的解藕 并分别进行控制 在许多场合 安装编码器不方便 同时也是为了降低成本 要求使用无编码器系统 例如安装空间较小 控制精度要求不高的场合 无速度传感器矢量控制 直流传动和交流传动的比较 电机 1 2 变频器典型应用 直流传动和交流传动的比较 电机 风机负载和泵类负载的负载特性 由此可知二次方律负载遵循如下规律 n 转速 流量Q n扬程H n2功率P n3 也可以转化为 PL KFP0 KF3PN 空载转矩 转矩系数 工作与额定F的比值 用三台变频器控制三台风机 其中两用一备 电机的功率P 55KW 设计风量为Q 空载损耗为10 转速1250转 分 若风机正常在970转 分以下连续可调 每天所需的供风量为1 5Q 1 一台工频运行 一台变频运行 则全速P0 55 10 5 5KWP1 55KW由PL P0 KPnL3得 KP 55 5 5 49 5KWP2 5 5 49 5 50 3 11 7KW总消耗的功率为55 11 7 67KW 风机的节电率统计举例 风机的节电率统计举例 2 两台变频运行时每台的平均供风量为75 QP1 P2 5 5 49 5 75 3 26 4KW总消耗的功率为P1 P2 52 8KW 3 三台变频运行时 每台的平均供风量为50 QP1 P2 P3 5 5 49 5 50 3 11 7KW总消耗的功率为P1 P2 P3 35 1KW可见三台风机全投入变频运行时效果最好 假定每月工作30天 每天工作24小时 按每度0 7元计 则方案三可以比其他两个方案多节省电费8000元左右 两台工作是最多可节能30 24 0 7 111 52 8 29332 8元三台工作是最多可节能30 24 0 7 111 35 4 38102 4元 系统应用效果 使用了变频器以后 不但免去了许多繁琐的人工操作 消除了许多不安全隐患因素 并使系统始终处于一种节能状态下运行 合理地轮换使用电机延长了设备的使用寿命 更好的适应了生产需要 而且变频器丰富的内部控制功能可以很方便地与其他控制系统或设备实现闭环自动控制 这在实现自动控制的同时 提高了控制精度 从而提高了产品质量 直流传动和交流传动的比较 应用 第二章变频器分类 23 按主电路工作方法分类 电压型变频器 电流型变频器按电压等级分类 高压变频器 3KV 6KV 10KV 中压变频器 660V 1140V 低压变频器 220V 380V按电压性质分类 交流变频器 AC DC AC 交 直 交 AC AC 交 交 直流变频器 DC AC 直 交 按变频器调压方法 PAM变频器是一种通过改变电压源Ud或电流源Id的幅值进行输出控制的 WM变频器方式是在变频器输出波形的一个周期产生个脉冲波个脉冲 其等值电压为正弦波 波形较平滑 按工作原理分 U f控制变频器 VVVF控制 SF控制变频器 转差频率控制 VC控制变频器 VectoryControl矢量控制 2 1分类 24 潮电变频器种类按电压分 主要有高压变频器 如凝泵变频器 低压变频器 按工作原理分 V F控制 如化学水的M430系列 矢量变频器 如斗轮机的M440系列 空预器和汽机房行车的ACS800系列 卸船机的6SE70系列 按厂家分 主要有SIEMENS ABB Schneider A B 三菱 富士 东方日立 北京利德华福 25 HARSVERT A系列高压变频调速系统采用单元串联多电平技术 属高 高电压源型变频器 直接6KV输入 直接6KV高压输出 变频器主要由移相变压器 功率模块和控制器组成 2 2高压变频器简介 26 图1电气一次主接线图1 QF1 真空断路器2 QS1 QS2 QS3 单向刀闸3 M 电机 27 高压变频调速系统结构图 28 输入侧结构 输入侧由移相变压器给每个功率模块供电 移相变压器的副边绕组分为三组 根据电压等级和模块串联级数 由36脉冲系列构成多级相叠加的整流方式 可以大大改善网侧的电流波形 网侧电压电流谐波指标满足IEEE519 1992和GB T14549 93的要求 使其负载下的网侧功率因数接近1 无需任何功率因数补偿 谐波抑制装置 由于变压器副边绕组的独立性 使每个功率单元的主回路相对独立 类似常规低压变频器 便于采用现有的成熟技术 29 输出侧结构 输出侧由每个单元的U V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电 通过对每个单元的PWM波形进行重组 可得到阶梯正弦PWM波形 这种波形正弦度好 dv dt小 对电缆和电机的绝缘无损坏 无须输出滤波器 就可以延长输出电缆长度 可直接用于普通电机 同时 电机的谐波损耗大大减少 消除负载机械轴承和叶片的振动 30 第三章变频器故障排除 31 3 1 排除故障基本素养 1 合适的工具 如万用表 绝缘电阻表 钳表等 套筒 螺丝刀 注意花型或内六角 公制或英制的区别 2 注意文本记录 主要是装置的铭牌信息 订货号 出厂序列号 硬件版本号等 变频器内部参数的记录 端子线号的记录 手写记录或相机拍照 3 注意防静电措施 32 33 在对故障排除时 我们可效仿中医诊病 望闻问切 的方法 第一步望 对故障变频器系统目视观察 以发现形态上的异常 这有时需要拆掉一些外部的盖板之类的部件 但暂时不需要动及内部的结构部件 目视检查中应注意以下内容变频器的前端整流元件有无爆裂 预充电电阻是否有烧损或烧过 表面是否呈灰白色 是否掉渣 的迹象 预充电电阻的切除继电器是否有爆裂 拉弧 烧坏的迹象 快熔是否已熔断 直流母线电容器是否有爆裂或膨胀变形等现象 可控硅与IGBT等原件是否有爆裂与飞狐的熏黑迹象 与功率原件相连接的一些阻容吸收元件 压敏器件等有无爆裂 各线路板上是否有元器件爆裂烧毁 开焊等现象 系统内是否存在异物 小动物或昆虫的尸体 有无液体侵入 大量灰尘堆积等情况 系统内是否有部件不在正确的安装位置上 或形态异常等等 3 2 排除故障方法 34 第二步闻 这一点很重要 变频器系统的硬件损坏的过程往往伴随发生过爆裂 飞弧 燃烧等现象 其结果一般会在故障后的系统中留有焦糊异味 在日常巡检中我们也要通过变频器是否有焦糊异味来判断是否有过热的部位 预先发现设备隐患 第三步问 仔细询问对故障发生过程有经历的人员 与他们讨论故障发生的现象和过程 是分析故障的重要手段 要多方面询问故障发生时现场所有人员了解的情况 以免有什么现象遗漏 或者描述错误 以及辨别那些事当时故障发生时的现象 那些是现场人员自己的推测 避免把推测当成事实而误导自己的判断 第四步切 这是硬件故障排除最为复杂的步骤 也最为关键 需要我们借助检测工具 及检修经验 最终判断故障元器件 通过前面的三个步骤 我们对系统发生的问题应当已经有了概貌的了解 需要根据情况决定下一步的行动 35 这是硬件故障排除最为复杂的步骤 也最为关键 需要我们借助检测工具 及检修经验 最终判断故障元器件 通过前面的三个步骤 我们对系统发生的问题应当已经有了概貌的了解 需要根据情况决定下一步的行动 若发现系统的一些部件已经明显损毁 并已决定自行维修 也有相应的备件支持时 可采取的后续步骤显然是着手拆下这些故障的部件 根据系统的型号 硬件的版本信息及拆下的部件的订货号 再次确认拟用的备件是否正确 然后使用正确部件将他们替换下来 在这个过程中 也应进一步检查其它部件 特别是相邻及相关部件的形态 看有无新的异常发现 以便一并处理 在可能的情况下 还应采用检测手段 来确认留用的部件是否还具有正确的电气功能与特性 在替换掉所有损坏的和可疑的部件以后 则重新按照装配的规则与技术要求 完全的恢复系统的硬件结构 36 如果哪一步出现异常 均意味着硬件有故障 这样就要先更换损坏的部件 最终需能将这些检测进行到底 并完全通过 以及排除软件故障的可能性 如参数设错等 如这些检查均查不出问题 则可能说明问题还需要在通电测试与运行时才会暴露 如果测试盒测试也能正常通过的话 说明变频器系统已基本修复 至少在这种情况下 将变频器接入工作电源已不再是一种盲目的行为 接通控制电源 再接通主电源 37 1 SIEMENS6SE70系列变频器故障案例 3 2 低压变频器故障案例 38 查变频器手册中的故障代码表 39 40 电气原理图 41 电气主接线中采用了3套SIEMENS公司的6SE71调速柜 分别为支持 开闭和大小车 俯仰 其中支持 开闭调速柜是同型号 同功率 由进线柜 滤波柜 整流 回馈AFE柜和逆变INV柜组成 整流 回馈AFE柜的型号为6SE7041 1EK80 3AC400V 630KW CKD 逆变柜INVERTER的型号为6SE7041 1TK60 DC520V 630KW SKD 42 变频器型号说明 2020 1 29 43 可编辑 44 自2008年8月后 上位机就经常同时报出 PROFIBUS DPSLAVE 起升1变频器 通讯故障 和 起升编码器故障 如图3 同时开闭调速柜的逆变柜控制面板OP1S报 F119 故障报出后 急停后停止工作 但是在卸船机和变频器的故障复位后 变频器都能够正常工作一段时间 热控维护人员更换了支持电机上的增量式编码器和S7 400PLC的CPU模块 故障变成偶尔发出 在ZPMC两名工程师的帮助下 对整套工控系统进行了检测 并在SIEMENSA D的服务热线支持下 更换了该套逆变柜中的主控板CUVC 同时按照SIEMENS公司的技术要求 对PROFIBUS总线的各个通讯DP终端头的的接地重新压接 设备运行正常一周时间后 上位机于2008年10月22日再次报出相同故障 更换闭环控制板CUVC及重新制作PROFIBUS通讯终端头后 故障依然如故 直到2008年10月30日凌晨 卸船机停止了运行 甚至发生调速柜一送控制电 上位机就报通讯故障 至此 1卸船机彻底地瘫痪 变频器故障一 通讯故障 2020 1 29 45 可编辑 46 47 2008年10月30日下午 SIEMENSA D华东区服务人员和ZPMC技术服务人员一同到达公司现场 按照SIEMENS公司的检测规范 首先对电子箱中的选件板CUVC ADB 工艺板T300和通讯板CBP2进行了检测 发现ADB适配板 T300工艺板和CBP2通讯板都已经烧坏 不再可以正常工作 但由于电子箱中的CUVC主控板未烧坏 A D服务人员认为PSU控制电源板不存在问题 仅仅按照SIEMENS公司的服务规范中EMC电磁屏蔽规约中的要求重新敷设及压接PROFIBUSDP通讯终端头 在以上工作完成后 对调速系统送电 发现上位机仍然报出同类故障 向其服务中心请求支援后 回复仍然是按照规范重新检查一遍 在我们的一再要求下 该A D服务人员开始对该逆变柜进行解体检查 需要注意的是在保修期内 仅SIEMENS公司的服务人员才有资格进行变频器的解体检查 否则不予以质保 经过不懈努力 在拆卸下电源板PSU及安全停车模块SSB后 发现了其 5V电源端子 第6针脚 已经过热烧坏 如图 48 49 50 逆变柜内的电源板PSU和SSB安全停车板的 5V端子烧坏 导致PSU电源板输出电压 电流不稳定 造成各电路板瞬间断电 导致工艺板T300 通讯板CBP2 适配板ADB等电子板卡工作不正常 故障扎堆乱报 无法按照设备说明手册查询故障 且容易烧毁各个板卡 严重威胁卸船机的正常作业安全稳定 给用户造成重大经济损失 51 变频器故障二 直流母线过电压故障 2009年 1卸船机支持调速柜 逆变柜 经常报报 F006 直流母线过电压故障 但在复位后调速柜可以正常运行 经过一段时间后 无法再通过复位再投入运行 经检查发现逆变柜未发现部件异常 后经过查找变频器手册 怀疑是AFE存在问题 通过用手电查找 最终发现了AFE柜内的一个电容端子被烧焦 烧断 52 53 54 55 56 处理措施 因为当时没有备件 而经咨询SIEMENS公司 也没有现货 再经过仔细检查 发现电容本身没有问题 仅仅的是接线端子烧黑了 简单打磨处理后 重新送电后调速柜运行正常 57 变频器故障发生过三次 主要是报F026 F029 主要原因主要是变频器的驱动集成板块故障 处理措施都是更换变频器 司机室变频器电气故障 58 59 60 二 高压变频器故障案例 案例1 2011年1月14日 变频器故障断电复位后 一直显示 控制器连接中 控制器未就绪 经仔细辨别检查 发现变频器的C相板卡上的绿色指示灯一直闪烁 A B相的板卡绿色指示灯一直亮着 更换该板卡后 变频器重新上电自检正常 显示 控制器就绪 后送电运行正常 61 62 案例2 2012年2月1日 变频器在变频备用时 突然A相 B相的12个单元全部报 光纤故障 XR 变频器报重故障 经仔细辨别检查 发现变频器的A B相板卡上的绿色指示灯一直闪烁 C相的板卡绿色指示灯一直亮着 更换该2块光纤通讯板卡后 变频器重新上电自检正常 显示 控制器就绪 后送电运行正常 63 64 65 66 67 轻故障分类与报警 系统发生下列故障时 按照轻故障处理 单元旁路运行 变压器轻度过热 柜门连锁故障 单元柜风机故障 电机轻度过热 UPS输入掉电 工控机故障 68 上述任何一个故障发生时 系统给出间歇的 音响报警 和间断的 故障指示 报警状态下 如果用户发出 报警解除 指令 则系统撤消 音响报警 信号 只保留间断的 故障指示 对于轻故障的发生 系统不作记忆处理 故障存在时报警 如果故障自行消失 则报警自动取消 系统运行时如果发生这类故障 变频器并不立即停机 在停机状态下 如果存在这类故障 用户也还能进行启动等操作 69 重故障分类与报警 系统发生下列故障时 按照重故障处理 单元重故障 变压器严重过热 现场机械故障 电机严重过热 闭环运行时给定和反馈掉线 70 上述任何一个故障发生时 系统给出连续的 音响报警 故障指示 高压急切 以及 紧急停机 指令 用户可以用 报警解除 按钮清除报警的音响信号 但系统保持 故障指示 高压急切 以及 紧急停机 指令 以上四类重故障发生后 系统作记忆处理 故障一旦发生 系统报警并自动跳闸停机 如果故障自行消失 故障指示 高压急切 以及 急停 等指令也都一直保持 故障原因被记录 只有故障彻底排除 并且用 系统复位 按钮将系统复位后才能重新开机 71 重故障发生时 高压电源将自动分断 如果因为其他原因没有分断 用户可以用柜门的 急停 按钮将高压电源强行手动分断 72 常见问题的处理措施 单元过电压请检查输入的高压电源正向波动是否超过允许值 如果是减速时过电压 请适当加大变频器的减速时间设定值 变频器输入电压正向波动值最大为 5 73 单元欠电压请检查输入的高压电源负向波动是否超过允许值 高压开关是否掉闸 整流变压器副边是否短路 接线螺栓是否紧固 检查功率单元三相进线是否松动 功率单元三相进线熔断器是否完好 变频器输入电压负向波动值最大为 10 74 单元过电流请检查功率单元输出UV端子是否短路 电机绝缘是否完好 装置是否过载运行 负载是否存在机械故障 如果是启动时过电流 请适当增大变频器的加速时间设定值 75 单元过热请检查环境温度是否超过允许值 单元柜风机是否正常工作 进风口和出风口是否畅通 装置是否长时间过载运行 最后检查功率单元温度继电器是否正常 变频器在尘土较大环境中运行时 请经常清理柜门防尘罩灰尘 如果环境温度超过允许值 用户最好配置空调和通风设备 76 单元缺相请检查输入的高压开关是否掉闸 整流变压器副边是否短路 接线螺栓是否紧固 检查功率单元三相进线是否松动 功率单元三相进线熔断器是否完好 77 单元光纤通讯故障请检查功率单元控制电源是否正常 正常时 L1绿色指示灯发光 功率单元以及控制器的光纤连接头是否脱落 光纤是否折断 78 控制器不就绪控制器自检不能通过时报告该故障 可重新设定变频器参数 再次复位系统尝试 如果仍不能排除 检查电路板之间的连接是否可靠 或更换单片机控制板 79 旁路运行报警个别功率单元出现故障时 本系统可以将其用继