变频器的概述与应用及常见问题的处理.doc

周口科技职业学院毕业论文题目:变频器的概述与应用及常见问题的处理院系名称：机械工程系专业班级：机电一体化技术10级四班指导老师：XXXX学生：XXX学号：XXXXXXXXXXXX2012-11-7目录一、变频器的概念及组成1二、变频器的选型7三、变频器推广应用中的误区8四、变频器的运行环境即安装要点8 五、变频器基本参数的设定9六、变频器常见故障及处理11七、变频器的维护保养16八、结束语19九、参考文献19绪论近年来，异步电动机的调速有了很大的提高，使得三相交流异步电动机在工农业生产中得到了迅速的推广和应用。一般机械设备中的电动机调速框图如图1-1所示，常用的调速方法有：变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等。随着工农业生产对调速性能要求的不断提高和电力电子技术的迅猛发展，变频调速技术日趋成熟。在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频器调速的性能最好，调速范围广，静态特性好，运行效率高。采用通用变频器对笼式异步电动机进行速度控制，其使用方便、可靠性高、经济效率显著，现已逐步得到推广。变频器的概述与应用及其常见问题的处理摘要：变频器在交流拖动系统应用中呈现优良的控制性，可以实现软起动和无级调速，进行加减速控制，使电动机获得高性能，而且具有显著的节能效果。所以应用变频调速可以提高生产机械的控制精度、生产效率和产品质量，从而利于实现生产过程的自动化。因此变频器近年来在工业生产各环节得到了广泛的应用。但变频器在实际应用和维护检修中也暴露出一些问题需要引起重视。关键词：变频器的概念，节能，参数设定，故障排除，模块检测，维护保养一、变频器的概念及组成1、变频器的概念： 变频器是一种用来改变交流电频率的电气设备。此外，他还具备改变交流电电压的辅助功能。过去，变频器一般被包含在电动发电机、旋转转换器等电气设备中。随着半导体电子设备的出现，人们已经可以生产完全独立的变频器。各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz）。通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC），我们把实现这种转换的装置称为“变频器”（inverter）。 变频器也可用于家电产品。使用变频器的家电产品中不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。汽车上使用的由电池（直流电）产生交流电的设备也以“inverter”的名称进行出售。变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。2、变频器主要是由主电路、控制电路组成。1、） 主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。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。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。（1）整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。（2）平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。 （3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。2、）控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。二、变频器的选型变频器选型时要确定以下几点：1、 采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。2、 变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。3、 变频器与负载的匹配问题；1）电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。2）电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。3）转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。4、在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。5、变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。 6、对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。三、变频器推广应用中的误区变频器在交流电机拖动应用中，其优势有目共睹。但是一些企业在新上和改建项目过程中往往对变频器的应用不予考虑，其中设备投资高是主要原因，主观认为电动机控制采用传统的控制方式能够节省不小的投资，这种观念实际上进入了一个误区。传统控制方式一般采用星-角转换和自藕变压器启动，从控制端到电动机之间需要两条电缆，在中等规模以上企业由于电动机的控制均是集中控制，那么电缆大都有一定的长度。所以变频器与传统控制方式相比，虽然设备投资高，但是节约了一条电缆，而且近年来电缆的价格一直在走高，因此55KW以上电机采用变频器控制的投资和传统控制方式相近，且技术产品质量都已成熟。另外其良好的节能性能，有很高投资回报率。在风机、水泵等负载上使用两年就能收回投资，直接经济效益明显。还有变频器的软启动性能对泵类机械设备的冲击磨损小，可延长机械设备的检修周期及使用寿命，间接经济效益也是十分突出的。国外80%以上电动机都采用变频器控制，而我国在这方面的普及率还是非常低，应用推广缓慢，除了技术、人员素质外，观念和意识保守，设计、技术改造理念上的延袭陈旧，是阻碍发展的主要原因。应该采取措施打破阻碍发展的瓶颈，使变频器优良性能得到普遍应用。四、变频器的运行环境即安装要点1、变频器属精密电子装置，所以温度、灰尘与潮湿也对其寿命影响较大。变频器的环境运行温度一般要求10+50，良好的运行工作环境，可降低变频器的故障率，延长变频器的寿命。安装接线，变频器输入端加装空气开关，以防变频器发生短路时起到保护作用。变频器输出端要加装接触器通过自身控制使其导通。控制线尽量不要太长，否则易受干扰产生误动作。控制线要选用屏蔽线，一端接地。接地地线应保证良好以防止地线带电而损坏变频器。2、夏天要注意环境不能太热，因为他本身的逆变过程发出大量热，过热会造成电子元器件的工作不良，老化过快，甚至罢工3、环境要干净，不能有太多的粉尘，杂物，如果这些东西进入变频器里面，粉尘会造成线路板或者模块的短路，造成机器烧坏，杂物，会堵塞风扇或者造成线路的接触不良。4、为长远利益考虑，变频器和周边物体要保持50MM的距离，海拔1500一下，温度-15+40度，湿度=80%。特别要注意要经常保养，用风抢吹出里面的灰尘，不要在变频器里面和外盒放东西，变频器周围如果有水，要立即处理干。五、变频器基本参数的设定1、出厂设置常用变频器，一般出厂时，厂家对每一个参数都有一个默认值，这些参数叫工厂值。在这些参数值的情况下，用户能以面板操作方式正常运行的。2、频率限制即设定变频器输出频率的上、下限幅值。一般情况下电机散热靠本身风扇进行冷却，因此下限频率不能低于15HZ。如果工艺要求经常低速运行（小于15HZ），则电机要另加散热风扇。上限频率幅值不能超出50HZ,否则损坏电机。如果工艺要求频率大于50HZ，需配置专用电机。3、电机参数在相应参数组中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。4、加减速时间加减速时间就是输出频率从0上升到最大频率和从最大频率下降到0所需时间。设定时要满足在电动机加速时防止过电流，减速时以防止过电压。这需要根据负载特性定出最佳加减速时间。以使运转中不发生过电流、过电压报警为原则，将加减速时间缩短。5、控制方式变频器采取的控制方式，即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。6、变频器启动方式一般变频器在出厂时设定从面板启动，用户可以根据实际情况选择启动方式，可以用面板、外部端子、通讯方式等几种。7、信号给定方式一般变频器的频率给定也可以有多种方式，面板给定、外部给定、外部电压或电流给定、通讯方式给定，当然对于变频器的频率给定也可以是这几种方式的一种或几种方式之和。正确设置以上参数之后，变频器基本上能正常工作，如要获得更好的控制效果则只能根据实际情况修改相关参数。8、保护参数设定变频器提供了过压、过流、断相、接地等一系列保护功能，用户可根据实际情况选取相应功能。六、变频器常见故障及处理变频器由主回路、电源回路、IPM驱动及保护回路、冷却风扇等几部分组成。其结构多为单元化或模块化形式。由于使用方法不正确或设置环境不合理，将容易造成变频器误动作及发生故障，或者无法满足预期的运行效果。为防患于未然，事先对故障原因进行认真分析尤为重要。1、主回路常见故障分析主回路主要由三相或单相整流桥、平滑电容器、滤波电容器、IPM逆变桥、限流电阻、接触器等元件组成。其中许多常见故障是由电解电容引起。电解电容的寿命主要由加在其两端的直流电压和内部温度所决定，在回路设计时已经选定了电容器的型号，所以内部的温度对电解电容器的寿命起决定作用。电解电容器会直接影响到变频器的使用寿命，一般温度每上升10 ，寿命减半。因此一方面在安装时要考虑适当的环境温度，另一方面可以采取措施减少脉动电流。采用改善功率因数的交流或直流电抗器可以减少脉动电流，从而延长电解电容器的寿命。在电容器维护时，通常以比较容易测量的静电容量来判断电解电容器的劣化情况，当静电容量低于额定值的80%，绝缘阻抗在5 M以下时，应考虑更换电解电容器。2、主回路典型故障分析故障现象：变频器在加速、减速或正常运行时出现过电流跳闸。首先应区分是由于负载原因，还是变频器的原因引起的。如果是变频器的故障，可通过历史记录查询在跳闸时的电流，超过了变频器的额定电流或电子热继电器的设定值，而三相电压和电流是平衡的，则应考虑是否有过载或突变，如电机堵转等。在负载惯性较大时，可适当延长加速时间，此过程对变频器本身并无损坏。若跳闸时的电流，在变频器的额定电流或在电子热继电器的设定范围内，可判断是IPM模块或相关部分发生故障。首先可以通过测量变频器的主回路输出端子U、V、W， 分别与直流侧的P、N端子之间的正反向电阻，来判断IPM模块是否损坏。如模块未损坏，则是驱动电路出了故障。如果减速时IPM模块过流或变频器对地短路跳闸，一般是逆变器的上半桥的模块或其驱动电路故障；而加速时IPM模块过流，则是下半桥的模块或其驱动电路部分故障，发生这些故障的原因，多是由于外部灰尘进入变频器内部或环境潮湿引起。3、控制回路故障分析控制回路影响变频器寿命的是电源部分，是平滑电容器和IPM电路板中的缓冲电容器，其原理与前述相同，但这里的电容器中通过的脉动电流，是基本不受主回路负载影响的定值，故其寿命主要由温度和通电时间决定。由于电容器都焊接在电路板上，通过测量静电容量来判断劣化情况比较困难，一般根据电容器环境温度以及使用时间，来推算是否接近其使用寿命。1、）电源电路板给控制回路、IPM驱动电路和表面操作显示板以及风扇等提供电源，这些电源一般都是从主电路输出的直流电压，通过开关电源再分别整流而得到的。因此，某一路电源短路，除了本路的整流电路受损外，还可能影响其他部分的电源，如由于误操作而使控制电源与公共接地短接，致使电源电路板上开关电源部分损坏，风扇电源的短路导致其他电源断电等。一般通过观察电源电路板就比较容易发现。2、）逻辑控制电路板是变频器的核心，它集中了CPU、MPU、RAM、EEPROM等大规模集成电路，具有很高的可靠性，本身出现故障的概率很小，但有时会因开机而使全部控制端子同时闭合，导致变频器出现EEPROM故障，这只要对EEPROM重新复位就可以了。3、）IPM电路板包含驱动和缓冲电路，以及过电压、缺相等保护电路。从逻辑控制板来的PWM信号，通过光耦合将电压驱动信号输入IPM模块，因而在检测模快的同时，还应测量IPM模块上的光耦。4、冷却系统冷却系统主要包括散热片和冷却风扇。其中冷却风扇寿命较短，临近使用寿命时，风扇产生震动，噪声增大最后停转，变频器出现IPM过热跳闸。冷却风扇的寿命受陷于轴承，大约为1000035000 h。当变频器连续运转时，需要23年更换一次风扇或轴承。为了延长风扇的寿命，一些产品的风扇只在变频器运转时而不是电源开启时运行。5、外部的电磁感应干扰如果变频器周围存在干扰源，它们将通过辐射或电源线侵入变频器的内部，引起控制回路误动作，造成工作不正常或停机，严重时甚至损坏变频器。减少噪声干扰的具体方法有：变频器周围所有继电器、接触器的控制线圈上，加装防止冲击电压的吸收装置，如RC浪涌吸收器，其接线不能超过20 cm；尽量缩短控制回路的配线距离，并使其与主回路分离；变频器控制回路配线绞合节距离应在15 mm以上，与主回路保持10 cm以上的间距；变频器距离电动机很远时（超过100 m），这时一方面可加大导线截面面积，保证线路压降在2%以内，同时应加装变频器输出电抗器，用来补偿因长距离导线产生的分布电容的充电电流。变频器接地端子应按规定进行接地，必须在专用接地点可靠接地，不能同电焊、动力接地混用；变频器输入端安装无线电噪声滤波器，减少输入高次谐波，从而可降低从电源线到电子设备的噪声影响；同时在变频器的输出端也安装无线电噪声滤波器，以降低其输出端的线路噪声。6、安装环境1、）变频器属于电子器件装置，对安装环境要求比较严格，在其说明书中有详细安装使用环境的要求。在特殊情况下，若确实无法满足这些要求，必须尽量采用相应抑制措施：振动是对电子器件造成机械损伤的主要原因，对于振动冲击较大的场合，应采用橡胶等避振措施；潮湿、腐蚀性气体及尘埃等将造成电子器件锈蚀、接触不良、绝缘降低而形成短路，作为防范措施，应对控制板进行防腐防尘处理，并采用封闭式结构；温度是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素，特别是半导体器件，应根据装置要求的环境条件安装空调或避免日光直射。2、）除上述几点外，定期检查变频器的空气滤清器及冷却风扇也是非常必要的。对于特殊的高寒场合，为防止微处理器因温度过低不能正常工作，应采取设置空气加热器等必要措施。7、电源异常电源异常大致分以下3种，即缺相、低电压、停电，有时也出现它们的混合形式。这些异常现象的主要原因，多半是输电线路因风、雪、雷击造成的，有时也因为同一供电系统内出现对地短路及相间短路。而雷击因地域和季节有很大差异。除电压波动外，有些电网或自行发电的单位，也会出现频率波动，并且这些现象有时在短时间内重复出现，为保证设备的正常运行，对变频器供电电源也提出相应要求。1、）如果附近有直接启动的电动机和电磁炉等设备，为防止这些设备投入时造成的电压降低，其电源应和变频器的电源分离，减小相互影响。2、）对于要求瞬时停电后仍能继续运行的设备，除选择合适价格的变频器外，还应预先考虑电机负载的降速比例。当变频器和外部控制回路都采用瞬间停电补偿方式时，失压回复后，通过测速电机测速来防止在加速中的过电流。3、）对于要求必须连续运行的设备，应对变频器加装自动切换的不停电电源装置。像带有二极管输入及使用单相控制电源的变频器，虽然在缺相状态，但也能继续工作，但整流器中个别器件电流过大，及电容器的脉冲电流过大，若长期运行将对变频器的寿命及可靠性造成不良影响，应及早检查处理。8、雷击、感应雷电雷击或感应雷击形成的冲击电压，有时也会造成变频器的损坏。此外，当电源系统一次侧带有真空断路器时，短路开闭会产生较高的冲击电压。为防止因冲击电压造成过电压损坏，通常需要在变频器的输入端加压敏电阻等吸收器件。真空断路器应增加RC浪涌吸收器。若变压器一次侧有真空断路器，应在控制时序上，保证真空断路器动作前先将变频器断开。七、变频器的维护保养1、维护保养由于电力电子技术和微电子技术的快速发展，变频器改型换代速度也比较快，不断推出新型产品，性能不断提高，功能不断充实、增强。现在国内市场销售的变频器品牌比较多，如Danfoss、ABB、SIEMENS、GE、Schneider等等，国产变频器品牌比较多，虽然种类繁多，但功能及使用上却基本类似。总的来讲，其使用、维护保养及故障处理方法是基本相同的。在实际应用中，变频器受周围的温度、湿度、振动、粉尘、腐蚀性气体等环境条件的影响，其性能会有一些变化。如使用合理、维护得当，则能延长使用寿命，并减少因突然故障造成的生产损失。如果使用不当，维护保养工作跟不上去，就会出现运行故障，导致变频器不能正常工作，甚至造成变频器过早的损坏，而影响生产设备的正常运行。因此日常维护与定期检查是必不可少的。2、日常维护与检查对于连续运行的变频器，可以从外部目视检查运行状态。定期对变频器进行巡视检查，检查变频器运行时是否有异常现象。通常应作如下检查：1、)环境温度是否正常，要求在-10+40范围内，以25左右为好；2、)变频器在显示面板上显示的输出电流、电压、频率等各种数据是否正常；3、)显示面板上显示的字符是否清楚，是否缺少字符；4、)用测温仪器检测变频器是否过热，是否有异味；5、)变频器风扇运转是否正常，有无异常，散热风道是否通畅；6、)变频器运行中是否有故障报警显示；7、)检查变频器交流输入电压是否超过最大值。极限是418V(380V1.1)，如果主电路外加输入电压超过极限，即使变频器没运行，也会对变频器线路板造成损坏。3、定期检查利用每年一次的大修时间，将检查重点放在变频器日常运行时无法巡视到的部位。1、)作定期检查时，操作前必须切断电源，变频器停电后待操作面板电源指示灯熄灭后，等待4min(变频器的容量越大，等待时间越长，最长为15min)使得主电路直流滤波电容器充分放电，用万用表确认电容器放电完后，再进行操作。2、)将变频器控制板、主板拆下，用毛刷、吸尘器清扫变频器线路板及内部IGBT模块、输入输出电抗器等部位。线路板脏污的地方，应用棉布沾上酒精或中性化学剂擦除。3、)检查变频器内部导线绝缘是否有腐蚀过热的痕迹及变色或破损等