变频器技术资料

变频调速器的基础知识 维修班 交流变频调速技术是现代电力传动技术重要发展方向 随着电力电子技术 微电子技术和 现代控制理论在交流调速系统中的应用 变频交流调速已逐渐取代了过去的滑差调速 变极 调速 直流调速等调速系统 越来越广泛的应用于工业生产和日常生活的许多领域 但由 于受到使用环境 使用年限以及人为操作上的一些因素 变频器的使用寿命大为降低 同时 在使用中也出现了各种各样的故障 1 变频器的静态测试结果来判断故障 首先可以对变频器做一个静态的测试 一般通用型变频器大致包括以下几个部分 1 整流电 路 2 直流中间电路 3 逆变电路 4 控制电路 静态测试主要是对整流电路 直流中间电路和逆变电路部分的大功率晶体管 功率模块 的一个测试 工具主要是万用表 整流电路主要是对整流二极管的一个正反向的测试来 判断它的好坏 当然我们还可以用耐压表来测试 直流中间回路主要是对滤波电容的容 量及耐压的测量 我们也可以观察电容上的安全阀是否爆开 有否漏液现象等 来判断它的好坏 功率模块的好坏判断主要是对功率模块内的续流二极管的判断 对于 IGBT 模块我们还需判断在有触发电压的情况下能否导通和关断 2 通过变频器的显示来判断故障点的所在 1 OC 过电流故障 这可能是变频器里面最常见的故障了 首先要排除由于参数问题而导 致的故障 例如电流限制 加速时间过短都有可能导致过电流的产生 然后我们就必须判 断是否电流检测电路出问题了 以 FVR075G7S 4EX 为例 我们有时会看到 FVR075G7S 4EX 在不接电机运行的时候面板也会有电流显示 电流来自于哪里呢 这时就要测试一下 它的 3 个霍尔传感器 为确定那一相传感器损坏 我们可以每拆一相传感器的时候开一次机 看是否会有过流显示 经过这样试验后基本能排除 OC 故障 2 OV 过电压故障 首先要排除由于参数问题而导致的故障 例如减速时间过短 以及 由于再生负载而导致的过压等 然后我们可以看一下输入侧电压是否有问题 最后我们可 以看一下电压检测电路是否出现了故障 一般的电压检测电路的电压采样点 都是中间直 流回路的电压 我们以三肯 SVF303 为例 它由直流回路取样后 530V 左右的直流 通过阻 值较大电阻降压后再由光耦进行隔离 当电压超过一定值时 显示 5 过压 此机器为数码 管显示 我们可以看一下电阻是否氧化变值 光耦是否有短路现象等 3 UV 欠电压 我们首先可以看一下输入侧电压是否有问题 然后看一下电压检测电路 故障判断和过压相同 4 FU 快速熔断器故障 在现行推出的变频器大多推出了快熔故障检测功能 特别是大 功率变频器 以 LG030IH 4 变频器为例 它主要是对快熔前面后面的电压进行采样检测 当快熔损坏以后必然会出现快熔一端电压没有 此时隔离光耦动作 出现 FU 报警 更换 快熔就因该能解决问题 特别应该注意的是在更换快熔前必须判断主回路是否有问题 5 OH 过热 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 6 SC 短路故障 我们可以检测一下变频器内部是否有短路现象 检测一下内部线路 可 能不一定有短路现象 此时我们可以检测一下功率模块有可能出现了故障 在驱动电路正 常的情况下 更换功率模块 应该能修复机器 变频器故障多种多样 第一炼钢车间的维修工接触较晚 而且对变频器的基础知识知之甚 少 我们只能在实践中不断总结 摸索出一套快速有效处理变频器故障的办法 一 变频器主要原理基本知识 三相 380V 电网电压从变频器的 L1 L2 L3 输入端输入后 首先要经过变频器的整流桥整流 后经过电容的滤波 输出一大约 530V 左右的直流电压 这 530V 也就是我们常用来判断变 频器整流部分好坏的最常测试点 当然整流桥最初是要经过断电测试的 然后经过逆变电 路 通过控制逆变电路的通断来输出我们想要的合适频率的电压 变频器能变频最主要的 就是控制逆变电路的关断来控制输出频率 变频器故障有无数种 好在现在变频器都趋于 智能化 一般的故障它自己都能检测 并在控制面版上显示出其代码 用户只需查一下用 户手册就能初步判断其故障原因 但有时 变频器在运行中或启动时或加负载时 突然指 示灯不亮 风扇不转 无输出 这时我们初学者就不知该怎办了 其实很简单的 我们只 要把变频器的电源断了 断电测试一下它的整流部分与逆变部分 大多情况下就能知其故 障所在了 这里有一点要千万注意 断电后不能马上测量 因变频器里有大电容存有几百 伏的高压 一定要等上十几分钟再测 这一点千万要注意 变频器上电前整流桥及逆 变电路的测试 具体测量方法如下 找到变频器直流输出端的 与 然后将万用表调到测量二极管档 黑表笔接 红表笔分别接变频器的输入端 L1 L2 L3 端 整流桥的上半桥若是完好 万用表应显示 0 3 的压降 若损坏则万用表显示 1 过量程 相反将红表笔接 黑表笔分别接 L1 L2 L3 端应得到上述相同结果 若出现 1 则证明整流桥损坏 然后测试其逆变电 路 方法如下 将万用表调到电阻 10 档将黑表笔接 红表笔接变频器的输出端 U V W 应有几十欧的阻值 反向应该无穷大 反之将红表笔接到 重复上述过程 应得 到同样结果 这样经过测量在判断变频器的整流部分与逆变部分完好时 上电测量其 直流输出端看是否有大约 530V 高压 注意有时万用表显示几十伏大家以为整流电路工作 了 其实它并没工作 它正常工作会输出 530V 左右的高压 几十伏的电压是变频器内部 感应出来的 若没 530V 左右高压这时往往是电源版有问题 有的变频器就是由于电源版 的一小贴片电阻被烧毁 导致电源板不工作 以致使变频器无显示无输出 风扇不转 指 示灯不亮 这样就可以初步判断出变频器是哪部分出现了故障 然后拆机维修时就可以 重点测试怀疑故障部分 二 技术基础 一 基本术语篇 1 Electronic Line Shafting ELS 许多工业生产线都由多台机器组成 各轴之间具有运动 关系 过去是使用机械机构连接各轴 如果使用电子方式连接各轴 各州各有其驱动马达 则称为 Electronic Line Shafting ELS 2 Auto Tuning 自动调校 常见于磁束向量型 变频器的一种技术 能自动监测 找出 马达的参数 如转差频率 场电流 转矩电流 定子阻 抗 转子阻抗 定子感抗 转子感抗等 有了这些参数后才能作 专据估算 及 转差 滑差 补偿 也 因为此技术 在无编码器的运转下仍能获得良好的运转精度 3 无编码器运转 在速度控制上 与旧式 variable frenquency 变频器的开回路比较 磁束向量 型变频器内部由速度观测计算功能达成闭回路 马达侧不用装编码器也能达到良好的速度精 度 无编码器运转有如下好处 1 配线精省 2 不必担心 RF 杂讯对编码器低电压信号的影响 3 在多震动的场合不用担心编码器的高故障率 4 变频器的矢量控制 在 AC 马达中 转子由定子绕组感应电流产生磁场 定子电流含两部 分 一部分影响磁场 另一部分影响马达输出转矩 要使用 AC 马达在需要速度与转矩控制的 场合 必须能够把影响转矩的电流分离控制 而磁束矢量控制就能够分离这两部分进行独立控 制 具有大小及方向的物理量称为矢量 5 Field WeakeningField Weakening 线路可用以减弱马达的场电流 改变与磁场的平衡关系 使 马达高于基本转速运转 6 定转矩应用 所需转矩大小不因速度而变的场合 常用到 定转矩应用 如传送带等负载 定转矩应用 通常需要较大的起动转矩 定转矩应用 在低速运转时易有马达发热问题 解决 的方法 最好 1 加大马达功率 2 使用装有定速冷却的变频器专用马达 即马达的冷却方式为 强制风冷 7 变转矩应用 多见于离心式负载 例如泵 风机 风扇等 其使用变频器的目的一般为节能 比 如当风扇以 50 转速运转时 其所需转矩小于全速运转所需 可变转矩变频器能够仅给与马 达所需转矩 达到节能效果 次应用中短暂的巅峰负载通常无需给与马达额外的能量 故变转 矩变频器的过载能力可以适用于大部分用途 定转矩变频器的过载 电流 能力须为额定值 150 1minute 而可变转矩变频器所需过载 电流 能力仅需额定值 120 1minute 因为离心式机械用途中很少会超出额定电流 另外 变 转矩用途所需起动转矩也较定转矩用途小 8 变频器专用马达 所谓 Inverter duty Motor 主要特征如下 1 分离式它力通风 它力风冷 2 10Hz 60Hz 为定 转矩输出 3 高起动转矩 4 低噪音 5 马达装有编码器 但并非所有称之为变频器专用马达 的马达都具有上列特征 9 关于调速 1 调速 根据工况需要调整设备运行速度 以达到节能降耗 减少磨损 按需生产等目的 2 直流调速 DC Controler motor 由直流控制器调节直流电机以达到调整速度的目的 3 交流变频调速 AC inverter motor 由变频器输出频率变化的三相交流电流从而控制 交流电机的转速 4 矢量变频调速 AC vector inverter 通过复杂的计算变换 使交流 变频器按照直流电机的控制方式去控制交流电机 从而达到精确速度控制 转矩控制 提 高输出扭矩等特性 5 伺服控制系统 Servo control system 在运动系统中引入速度反 馈或位置反馈元件 通过负反馈的作用达到极其精密的的速度控制 定位控制以及高动态 响应 10 几个常见工业元件 1 测速发电机 Tacho generator 一种转速测量元件 有交流 直流之分 2 旋转变 压器 Resolver 一种经济 准确地转速和角位移测量元件 3 光电编码器 Encoder 一种精密的角位移 转速测量元件 适合在位置控制系统中 作为反馈元件 4 PLC 工业用计算 控制装置 实现逻辑 时序 计算等控制功能 一般作为整个自动 化控制系统的上位主机 5 HMI Human Machine Interface 人 机界面 6 现场总线 Field Bus System 应用于工业控制现场的串行通讯总线系统 大幅度降 低接线成本 提高控制的抗干扰能力 7 分布式控制 Distributed control 区别于传统的集中式控制 强调各个节点设备的智 能化 一般由现场总线系统将各子设备连接起来 极大地提高系统应用的灵活性 可靠性 降低上位机的运算负担 11 关于电机的三个术语 1 防护等级 Protection Code IP 考察一个设备防止 异物进入和防水的能力 使 IEC 标准之一 其两个数字分别代表防异物和防水的能力 数 值越高表明可以防止更细小的物体进入以及经受更强烈的水流冲击 一般为 IP54 防尘 防泼洒水滴 以上防护等级的设备可以直接应用于露天 2 绝缘等级 Insulation Grade 考察一个电气设备 一般针对电机 在保证良好绝缘特性的前提下所能承受的极限温升能 力 是 IEC 标准之一 一般有 B 级 85 度 F 级 105 度 H 级 125 度 3 工作制 三 知识入门 1 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 2 PWM 和 PAM 的不同点是什么 PWM 是英文 Pulse Width Modulation 脉冲宽度调制 缩写 按一定规律改变脉冲列的脉冲宽 度 以调节输出量和波形的一种调值方式 PAM 是英文 Pulse Amplitude Modulation 脉冲 幅度调制 缩写 是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度 以调节输出量值和波形的一种调制 方式 3 电压型与电流型有什么不同 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 其直流回路滤波石电感 4 为什么变频器的电压与电流成比例的改变 异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的 在额定频率下 如果电压一定而只降低频率 那么磁通就过大 磁回路饱和 严重时将烧毁电机 因此 频率与电压要成比例地改变 即改变频率的同时控制变频器输出电压 使电动机的磁通保 持一定 避免弱磁和磁饱和现象的产生 这种控制方式多用于风机 泵类节能型变频器 5 电动机使用工频电源驱动时 电压下降则电流增加 对于变频器驱动 如果频率下降时 电压也下降 那么电流是否增加 频率下降 低速 时 如果输出相同的功率 则电流增加 但在转矩一定的条件下 电流几乎不变 6 采用变频器运转时 电机的起动电流 起动转矩怎样 采用变频器运转 随着电机的加速相应提高频率和电压 起动电流被限制在 150 额定电 流以下 根据机种不同 为 125 200 用工频电源直接起动时 起动电流为 6 7 倍 因 此 将产生机械电气上的冲击 采用变频器传动可以平滑地起动 起动时间变长 起动电 流为额定电流的 1 2 1 5 倍 起动转矩为 70 120 额定转矩 对于带有转矩自动增强功能 的变频器 起动转矩为 100 以上 可以带全负载起动 7 V f 模式是什么意思 频率下降时电压 V 也成比例下降 这个问题已在回答 4 说明 V 与 f 的比例关系是考虑 了电机特性而预先决定的 通常在控制器的存储装置 ROM 中存有几种特性 可以用开关 或标度盘进行选择 8 按比例地改 V 和 f 时 电机的转矩如何变化 频率下降时完全成比例地降低电压 那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变 将造成在低 速下产生地转矩有减小的倾向 因此 在低频时给定 V f 要使输出电压提高一些 以便获得 一定地起动转矩 这种补偿称增强起动 可以采用各种方法实现 有自动进行的方法 选择 V f 模式或调整电位器等方法 9 在说明书上写着变速范围 60 6Hz 即 10 1 那么在 6Hz 以下就没有输出功率吗 在 6Hz 以下仍可输出功率 但根据电机温升和起动转矩的大小等条件 最低使用频率取 6Hz 左右 此时电动机可输出额定转矩而不会引起严重的发热问题 变频器实际输出频率 起动频率 根据机种为 0 5 3Hz 10 对于一般电机的组合是在 60Hz 以上也要求转矩一定 是否可以 通常情况下时不可以的 在 60Hz 以上 也有 50Hz 以上的模式 电压不变 大体为恒功率特 性 在高速下要求相同转矩时 必须注意电机与变频器容量的选择 11 所谓开环是什么意思 给所使用的电机装置设速度检出器 PG 将实际转速反馈给控制装置进行控制的 称为 闭环 不用 PG 运转的就叫作 开环 通用变频器多为开环方式 也有的机种利用选件 可进行 PG 反馈 12 实际转速对于给定速度有偏差时如何办 开环时 变频器即使输出给定频率 电机在带负载运行时 电机的转速在额定转差率的范 围内 1 5 变动 对于要求调速精度比较高 即使负载变动也要求在近于给定速度下运 转的场合 可采用具有 PG 反馈功能的变频器 选用件 13 如果用带有 PG 的电机 进行反馈后速度精度能提高吗 具有 反馈功能的变频器 精度有提高 但速度精度的植取决于 本身的精度和 变频器输出频率的分辨率 14 失速防止功能是什么意思 如果给定的加速时间过短 变频器的输出频率变化远远超过转速 电角频率 的变化 变 频器将因流过过电流而跳闸 运转停止 这就叫作失速 为了防止失速使电机继续运转 就要检出电流的大小进行频率控制 当加速电流过大时适当放慢加速速率 减速时也是如 此 两者结合起来就是失速功能 15 变频器的散热 1 如果要正确的使用变频器 必须认真地考虑散热的问题 变频器的故障率随温度升高而成指数的上升 使用寿命随温度升高而成指数的下降 环境 温度升高 10 度 变频器平均使用寿命减半 在变频器工作时 流过变频器的电流是很大的 变频器产生的热量也是非常大的 不能忽视其发热所产生的影响通常 变频器安装在控制 柜中 我们要了解一台变频器的发热量大概是多少 可以用以下公式估算 发热量的近似值 变频器容量 KW 55 W 在这里 如果变频器容量是以恒转矩负载为准的 过流能力 150 60s 如果变频器带有 直流电抗器或交流电抗器 并且也在柜子里面 这时发热量会更大一些 电抗器安装在变频 器侧面或测上方比较好 这时可以用估算 变频器容量 KW 60 W 因为各 变频器厂家的硬件都差不多 所以上式可以针对各品牌的产品 注意 如果有制动电阻的 话 因为制动电阻的散热量很大 因此最好安装位置最好和变频器隔离开 如装在柜子上 面或旁边等 2 怎样降低控制柜内的发热量 当变频器安装在控制机柜中时 要考虑变频器发热值的问题 根据机柜内产生热量值的增 加 要适当地增加机柜的尺寸 因此 要使控制机柜的尺寸尽量减小 就必须要使机柜中 产生的热量值尽可能地减少 如果在变频器安装时 把变频器的散热器部分放到控制机柜 的外面 将会使变频器有 70 的发热量释放到控制机柜的外面 由于大容量变频器有很大 的发热量 所以对大容量变频器更加有效 还可以用隔离板把本体和散热器隔开 使散热器 的散热不影响到变频器本体 这样效果也很好 注意 变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的 横着放散热会变差的 3 关于冷却风扇 一般功率稍微大一点的变频器 都带有冷却风扇 同时 也建议在控 制柜上出风口安装冷却风扇 进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜 注意控制柜和变频 器上的风扇都是要的 不能谁替代谁 4 其他关于散热的问题 1 在海拔高于 1000m 的地方 因为空气密度降低 因此应加大柜子的冷却风量以改善冷 却效果 理论上变频器也应考虑降容 每 1000m 降低 5 但由于实际上因为设计上变频 器的负载能力和散热能力一般比实际使用的要大 所以也要看具体应用 比方说在 1500m 的地方 但是周期性负载 如电梯 就不必要降容 2 开关频率 变频器的发热主要来自于 IGBT IGBT 的发热有集中在开和关的瞬间 因此开关频率高时自然变频器的发热量就变大了 有的厂家宣称降低开关频率可以扩容 就是这个道理 16 关于漏电流的问答 Q 有那些漏电流的形式 A 有 2 种 电机电缆对地漏电流 和电缆 Q 为什么会有漏电流的问题 A 不使用变频器时 漏电流一般较小 使 用变频器时 因为逆变器的功率模块高速开关 输出电流中有高次谐波的存在 有因为电 缆对地 电缆之间存在电感 因此产生了较大的漏电流 可达不用变频器时的 10 倍 Q 漏电流和开关频率有和关系 A 开关频率越小 漏电流越小 Q 漏电流和 电机功率的关系 A 功率越大 漏电流越大 Q 漏电流和接地的关系 A 无直接关系 但接地不好会增加触电的可能性 Q 漏电流对策有那些 A 降低开关频率 是电缆之间 电缆和地的距离增加 增加开关的漏电流设定水平等 Q 对变频器的漏电流水平可有什么规定 A 现在还没有 17 目前 变频交流调速已遍布冶金 电力 等各个领域 变频器是利用交流电动机的同 步转速随电机电压频率变化而变化的特性而实现电动机调速运行的装置 其中 有几个参 数的设定非常重要 将直接影响变频器的合理使用 几个重要参数的设定 变频器的设定原则和内容及调整 1 V f 类型的选择 V f 类型的选择包括最高频率 基本频率和转矩类型等 最高频率是变频器 电动机系统可以运行的最高频率 由于变频器自身的最高频率可能较 高 当电动机容许的最高频率低于变频器的最高频率时 应按电动机及其负载的要求进行 设定 基本频率是变频器对电动机进行恒功率控制和恒转矩控制的分界线 应按电动机的 额定电定电压设定 转矩类型指的是负载是恒转矩负载还是变转矩负载 用户根据变频器 使用说明书中的 V f 类型图和负载的特点 选择其中的一种类型 我们根据电机的实际情 况和实际要求 最高频率设定为 83 4Hz 基本频率设定为工频 50Hz 负载类型 50Hz 以 下为恒转矩负载 50 83 4Hz 为恒功率负载 2 如何调整启动转矩 调整启动转矩是为了改善变频器启动时的低速性能 使电机输出的转矩能满足生产启动的 要求 在异步电机变频调速系统中 转矩的控制较复杂 在低频段 由于电阻 漏电抗的影响 不容忽略 若仍保持 V f 为常数 则磁通将减小 进而减小了电机的输出转矩 为此 在 低频段要对电压进行适当补偿以提升转矩 可是 漏阻抗的影响不仅与频率有关 还和电 机电流的大小有关 准确补偿是很困难的 近年来国外开发了一些能自行补偿的变频器 但所需计算量大 硬件 软件都较复杂 因此一般变频器均由用户进行人工设定补偿 针 对我们所使用的变频器 转矩提升量设定为 1 5 之间比较合适 3 如何设定加 减速时间 电机的运行方程式 式中 Tt 为电磁转矩 T1 为负载转矩 电机加速度 dw dt 取决于加速转矩 Tt T1 而变频 器在启 制动过程中的频率变化率则由用户设定 若电机转动惯量 J 电机负载变化按预 先设定的频率变化率升速或减速时 有可能出现加速转矩不够 从而造成电机失速 即电 机转速与变频器输出频率不协调 从而造成过电流或过电压 因此 需要根据电机转动惯 量和负载合理设定加 减速时间 使变频器的频率变化率能与电机转速变化率相协调 检 查此项设定是否合理的方法是按经验选定加 减速时间设定 若在启动过程中出现过流 则可适当延长加速时间 若在制动过程中出现过流 则适当延长减速时间 另一方面 加 减速时间不宜设定太长 时间太长将影响生产效率 特别是频繁启 制动时 我们将加速 时间设定为 15s 减速时间设定为 5s 4 频率跨跳 V f 控制的变频器驱动异步电机时 在某些频率段 电机的电流 转速会发生振荡 严重时系统无法运行 甚至在加速过程中出现过电流保 护使得电机不能正常启动 在电机轻载或转动量较小时更为严重 因此变通变频器均备有 频率跨跳功能 用户可以根据系统出现振荡的频率点 在 V f 曲线上设置跨跳点及跨跳点 宽度 当电机加速时可以自动跳过这些频率段 保证系统正常运行 5 过负载率设置 该设置用于变频器和电动机过负载保护 当变频器的输出电流大于过负载率设置值和电动机额定电流确定的 OL 设定值时 变频 器则以反时限特性进行过负载保护 OL 过负载保护动作时变频器停止输出 2 6 电机 参数的输入 变频器的参数输入项目中有一些是电机基本参数的输入 如电机的功率 额定 电压 额定电流 额定转速 极数等 这些参数的输入非常重要 将直接影响变频器中一 些保护功能的正常发挥 一定要根据电机的实际参数正确输入 以确保变频器的正常使用 四 变频器在调试与使用过程中经常遇到的问题 1 其中过电压现象最为常见 过电压产生后 变频器为了防止内部电路损坏 其过电压 保护功能将动作 使变频器停止运行 导致设备无法正常工作 因此必须采取措施消除过 电压 防止故障的发生 由于变频器与电机的应用场合不同 产生过电压的原因也不相同 所以应根据具体情况采取相应的对策 2 过电压的产生与再生制动所谓变频器的过电压 是指由于种种原因造成的变频器电压 超过额定电压 集中表现在变频器直流母线的直流电压上 正常工作时 变频器直流部电 压为三相全波整流后的平均值 若以 380V 线电压计算 则平均直流电压 Ud 1 35U 线 513V 在过电压发生时 直流母线 上的储能电容将被充电 当电压上升至 700V 左右时 因机型而异 变频器过电压保护动 作 造成过电压的原因主要有两种 电源过电压和再生过电压 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 本文主要讨论的问题是再生过 电压 产生再生过电压主要有以下原因 当大 GD2 飞轮力矩 负载减速时变频器减速时 间设定过短 电机受外力影响 风机 牵伸机 或位能负载 电梯 起重机 下放 由于 这些原因 使电机实际转速高于变频器的指令转速 也就是说 电机转子转速超过了同步 转速 这时电机的转差率为负 转子绕组切割旋转磁场的方向与电动机状态时相反 其产 生的电磁转矩为阻碍旋转方向的制动转矩 所以电动机实际上处于发电状态 负载的动能 被 再生 成为电能 再生能量经逆变部续流二极管对变频器直流储能电容器充电 使直流 母线电压上升 这就是再生过电压 因再生过电压的过程中产生的转矩与原转矩相反 为 制动转矩 因此再生过电压的过程也就是再生制动的过程 换句话说 消除了再生能量 也就提高了制动转矩 如果再生能量不大 因变频器与电机本身具有 20 的再生制动能力 这部分电能将被变频器及电机消耗掉 若这部分能量超过了变频器与电机的消耗能力 直 流回路的电容将被过充电 变频器的过电压保护功能动作 使运行停止 为避免这种情况 的发生 必须将这部分能量及时的处理掉 同时也提高了制动转矩 这就是再生制动的目 的 3 过电压的防止措施 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 如果对停车时间或停车位置有一定的要求 那么可以采用直流制动 DC 制动 功能 直流制动功能是将电机减速到一定频率后 在电机定子绕组中通入直流电 形成一个静止的磁场 电机转子绕组切割这个磁场而产生一个制动转矩 使负载的动能变 成电能以热量的形式消耗于电机转子回路中 因此这种制动又称作能耗制动 在直流制动 的过程中实际上包含了再生制动与能耗制动两个过程 这种制动方法效率仅为再生制动的 30 60 制动转矩较小 由于将能量消耗于电机中会使电机过热 所以制动时间不宜过长 而且直流制动开始频率 制动时间及制动电压的大小均为人工设定 不能根据再生电压的 高低自动调节 因而直流制动不能用于正常运行中产生的过电压 只能用于停车时的制动 对于减速 从高速转为低速 但不停车 时因负载的 GD2 飞轮转矩 过大而产生的过电 压 可以采取适当延长减速时间的方法来解决 其实这种方法也是利用再生制动原理 延 长减速时间只是控制负载的再生电压对变频器的充电速度 使变频器本身的 20 的再生制 动能力得到合理利用而已 至于那些由于外力的作用 包括位能下放 而使电机处于再生 状态的负载 因其正常运行于制动状态 再生能量过高无法由变频器本身消耗掉 因此不 可能采用直流制动或延长减速时间的方法 再生制动与直流制动相比 具有较高的制动转 矩 而且制动转矩的大小可以跟据负载所需的制动力矩 即再生能量的高低 由变频器的 制动单元自动控制 因此再生制动最适用于在正常工作过程中为负载提供制动转矩 4 再生制动的方法 1 能量消耗型 这种方法是在变频器直流回路中并联一个制动电阻 通过检测直流母线 电压来控制一个功率管的通断 在直流母线电压上升至 700V 左右时 功率管导通 将再 生能量通入电阻 以热能的形式消耗掉 从而防止直流电压的上升 由于再生能量没能得 到利用 因此属于能量消耗型 同为能量消耗型 它与直流制动的不同点是将能量消耗于 电机之外的制动电阻上 电机不会过热 因而可以较频繁的工作 2 并联直流母线吸收型 适用于多电机传动系统 如牵伸机 在这个系统中 每台电机 均需一台变频器 多台变频器共用一个网侧变流器 所有的逆变部并接在一条共用直流母 线上 这种系统中往往有一台或数台电机正常工作于制动状态 处于制动状态的电机被其 它电动机拖动 产生再生能量 这些能量再通过并联直流母线被处于电动状态的电机所吸 收 在不能完全吸收的情况下 则通过共用的制动电阻消耗掉 这里的再生能量部分被吸 收利用 但没有回馈到电网中 3 能量回馈型 能量回馈型的变频器网侧变流器是可逆的 当有再生能量产生时 可逆 变流器将再生能量回馈给电网 使再生能量得到完全利用 但这种方法对电源的稳定性要 求较高 一旦突然停电 将发生逆变颠覆 五 应用中需要注意的几个问题 随着通用变频器市场的日益繁荣 变频器及其附属设备的安装 调试 日常维护及维修工 作量剧增 针对造成以上问题的原因 从应用环境 电磁干扰与抗干扰 电网质量 电机 绝缘等方面进行分析 1 工作环境问题 在变频器实际应用中 由于国内客户除少数有专用机房外 大多为了降 低成本 将变频器直接安装于工业现场 工作现场一般是灰尘大 温度高 在南方还有湿 度大的问题 对于线缆行业还有金属粉尘 在陶瓷 印染等行业还有腐蚀性气体和粉尘 在煤矿等场合 还有防爆的要求等等 因此必须根据现场情况做出相应的对策 2 变频器的安装设计基本要求 1 变频器应该安装在控制柜内部 2 变频器最好安装在控制柜内的中部 变频器要垂直安 装 正上方和正下方要避免安装可能阻挡排风 进风的大元件 3 变频器上 下部边缘距 离控制柜顶部 底部 或者隔板 或者必须安装的大元件等的最小间距 应该大于 300mm 柜内安装变频器的基本要求 4 如果特殊用户在使用中需要取掉键盘 则变频器面 板的键盘孔 一定要用胶带严格密封或者采用假面板替换 防止粉尘大量进入变频器内部 5 对变频器要进行定期维护 及时清理内部的粉尘等 6 其它的基本安装 使用要求必 须遵守用户手册上的有关说明 如有疑问请及时联系相应厂家技术支持人员 3 防尘控制柜的设计要求 在多粉尘场所 特别是多金属粉尘 絮状物的场所使用变频器时 采取正确 合理的防护 措施是十分必要的 防尘措施得当对保证变频器正常工作非常重要 总体要求控制柜整体 应该密封 应该通过专门设计的进风口 出风口进行通风 控制柜顶部应该有防护网和防护 顶盖出风口 控制柜底部应该有底板和进风口 进线孔 并且安装防尘网 1 控制柜的风道要设计合理 排风通畅 避免在柜内形成涡流 在固定的位置形成灰尘堆 积 2 控制柜顶部出风口上面要安装防护顶盖 防止杂物直接落入 防护顶盖高度要合理 不 影响排风 防护顶盖的侧面出风口要安装防护网 防止絮状杂物直接落入 3 如果采用控制柜顶部侧面排风方式 出风口必须安装防护网 4 一定要确保控制柜顶部的轴流风机旋转方向正确 向外抽风 如果风机安装在控制柜顶 部的外部 必须确保防护顶盖与风机之间有足够的高度 如果风机安装在控制柜顶部的内 部 安装所需螺钉必须采用止逆弹件 防止风机脱落造成柜内元件和设备的损坏 建议在 风机和柜体之间加装塑料或者橡胶减振垫圈 可以大大减小风机震动造成的噪音 5 控制柜的前 后门和其他接缝处 要采用密封垫片或者密封胶进行一定的密封处理 防 止粉尘进入 6 控制柜底部 侧板的所有进风口 进线孔 一定要安装防尘网 阻隔絮状杂物进入 防 尘网应该设计为可拆卸式 以方便清理 维护 防尘网的网格要小 能够有效阻挡细小絮 状物 与一般家用防蚊蝇纱窗的网格相仿 或者根据具体情况确定合适的网格尺寸 防尘网 四周与控制柜的结合处要处理严密 7 对控制柜一定要进行定期维护 及时清理内部 外部的粉尘 絮毛等杂物 维护周期可 根据具体情况而定 但应该小于 2 3 个月 对于粉尘严重的场所 建议维护周期在 1 个月 左右 防尘控制柜的安装要求 4 防潮湿霉变的控制柜的设计要求 多数变频器厂家内部的 印制板 金属结构件均未进行防潮湿霉变的特殊处理 如果变频器长期处于这种状态 金 属结构件容易产生锈蚀 对于导电铜排在高温运行情况下 更加剧了锈蚀的过程 对于微 机控制板和驱动电源板上的细小铜质导线 由于锈蚀将造成损坏 因此 对于应用于潮湿 和和含有腐蚀性气体的场合 必须对于使用变频器的内部设计有基本要求 例如印刷电路 板必须采用三防漆喷涂处理 对于结构件必须采用镀镍铬等处理工艺 4 除此之外 还需要采取其它积极 有效 合理的防潮湿 防腐蚀气体的措施 1 控制柜 可以安装在单独的 密闭的采用空调的机房 此方法适用控制设备较多 建立机房的成本 低于柜体单独密闭处理的场合 此时控制柜可以采用如上防尘或者一般环境设计即可 2 采用独立进风口 单独的进风口可以设在控制柜的底部 通过独立密闭地沟与外部干净环 境连接 此方法需要在进风口处安装一个防尘网 如果地沟超过 5m 以上时 可以考虑加 装鼓风机 3 密闭控制柜内可以加装吸湿的干燥剂或者吸附毒性气体的活性材料 并近期 更换 5 干扰问题 5 1 变频器对微机控制板的干扰 在注塑机 电梯等的控制系统中 多采用微 机或者 PLC 进行控制 在系统设计或者改造过程中 一定要注意变频器对微机控制板的干 扰问题 由于用户自己设计的微机控制板一般工艺水平差 不符合 EMC 国际标准 在采 用变频器后 产生的传导和辐射干扰 往往导致控制系统工作异常 因此需要采取必要措 施 1 良好的接地 电机等强电控制系统的接地线必须通过接地汇流排可靠接地 微机控制板 的屏蔽地 最好单独接地 对于某些干扰严重的场合 建议将传感器 I O 接口屏蔽层与 控制板的控制地相连 3 2 给微机控制板输入电源加装 EMI 滤波器 共模电感 高频磁环等 成本低 可以有效 抑制传导干扰 另外在辐射干扰严重的场合 如周围存在 GSM 或者小灵通机站时 可以 对微机控制板添加金属网状屏蔽罩进行屏蔽处理 微机控制板的电源抗干扰措施 3 给变频器输入加装 EMI 滤波器 可以有效抑制变频器对电网的传导干扰 加装输入交 流和直流电抗器 L1 L2 可以提高功率因数 减小谐波污染 综合效果好 在某些电机与 变频器之间距离超过 100m 的场合 需要在变频器侧添加交流输出电抗器 L3 解决因为输 出导线对地分布参数造成的漏电流保护和减少对外部的辐射干扰 一个行之有效的方法就 是采用钢管穿线或者屏蔽电缆的方法 并将钢管外壳或者电缆屏蔽层与大地可靠连接 请 注意 在不添加交流输出电抗器 L3 时 如果采用钢管穿线或者屏蔽电缆的方法 增大了 输出对地的分布电容 容易出现过流 当然在实际中一般只采取其中的一种或者几种方法 4 减小变频器对外部控制设备的干扰措施 对模拟传感器检测输入和模拟控制信号进行电 气屏蔽和隔离 在变频器组成的控制系统设计过程中 建议尽量不要采用模拟控制 特别 是控制距离大于 1M 跨控制柜安装的情况下 因为变频器一般都有多段速设定 开关频 率量输入输出 可以满足要求 如果非要用模拟量控制时 建议一定采用屏蔽电缆 并在 传感器侧或者变频器侧实现远端一点接地 如果干扰仍旧严重 需要实现 DC DC 隔离措 施 可以采用标准的 DC DC 模块 或者采用 V F 转换 光藕隔离再采用频率设定输入的 方法 5 2 变频器本身抗干扰问题 当变频器的供电系统附近 存在高频冲击负载如电焊机 电镀电源 电解电源或者采用 滑环供电的场合 变频器本身容易因为干扰而出现保护 应采用如下措施 1 在变频器输入侧添加电感和电容 构成 LC 滤波网络 2 变频器的电源线直接从变压器侧供电 3 在条件许可的情况下 可以采用单独的变压器 4 在采用外部开关量控制端子控制时 连接线路较长时 建议采用屏蔽电缆 当控制线路 与主回路电源均在地沟中埋设时 除控制线必须采用屏蔽电缆外 主电路线路必须采用钢 管屏蔽穿线 减小彼此干扰 防止变频器的误动作 5 在采用外部模拟量控制端子控制时 如果连接线路在 1M 以内 采用屏蔽电缆连接 并 实施变频器侧一点接地即可 如果线路较长 现场干扰严重的场合 建议在变频器侧加装 DC DC 隔离模块或者采用经过 V F 转换 采用频率指令给定模式进行控制 6 在采用外部通信控制端子控制时 建议采用屏蔽双绞线 并将变频器侧的屏蔽层接地 PE 如果干扰非常严重 建议将屏蔽层接控制电源地 GND 对于 RS232 通信方式 注 意控制线路尽量不要超过 15m 如果要加长 必须随之降低通信波特率 在 100m 左右时 能够正常通信的波特率小于 600bps 对于 RS485 通信 还必须考虑终端匹配电阻等 对于 采用现场总线的高速控制系统 通信电缆必须采用专用电缆 并采用多点接地的方式 才 能够提高可靠性 6 电网质量问题 在高频冲击负载如电焊机 电镀电源 电解电源等场合 电压经常出现闪变 在一个车间中 有几百台变频器等容性整流负载在工作时 电网的谐波非常大 对于电网质量有很严重的 污染 对设备本身也有相当的破坏作用 轻则不能够连续正常运行 重则造成设备输入回 路的损坏 可以采取以下的措施 集中整流的直流共母线供电方式 1 在高频冲击负载如电焊机 电镀电源 电解电源等场合建议用户增加无功静补装置 提 高电网功率因数和质量 2 在变频器比较集中的车间 建议采用集中整流 直流共母线供电方式 建议用户采用 12 脉冲整流模式 优点是 谐波小 节能 特别适用于频繁起制动 电动运行与发电运行 同时进行的场合 3 变频器输入侧加装无源 LC 滤波器 减小输入谐波 提高功率因数 成本较低 可靠性 高 效果好 4 变频器输入侧加装有源 PFC 装置 效果最好 但成本较高 7 电机的漏电 轴电压与轴承电流问题 变频器驱动感应电机的电机模型 Csf 为定子与机壳之间的等效电容 Csr 为定子与转子之 间的等效电容 Crf 为转子与机壳之间的等效电容 Rb 为轴承对轴的电阻 Cb 和 Zb 为轴承 油膜的电容和非线性阻抗 高频 PWM 脉冲输入下 电机内分布电容的电压耦合作用构成 系统共模回路 从而引起对地漏电流 轴电压与轴承电流问题 变频器驱动感应电机的电 机模型漏电流主要是 PWM 三相供电电压极其瞬时不平衡电压与大地之间通过 Csf 产生 其大小与 PWM 的 dv dt 大小与开关频率大小有关 其直接结果将导致带有漏电保护装置动 作 另外 对于旧式电机 由于其绝缘材料差 又经过长期运行老化 有些在经过变频改 造后造成绝缘损坏 因此 建议在改造前 必须进行绝缘的测试 对于新的变频电机的绝 缘 要求要比标准电机高出一个等级 轴承电流主要以三种方式存在 dv dt 电流 EDM Electric Discharge Machining 电流和环路电流 轴电压的大小不仅与电机内各部分耦 合电容参数有关 且与脉冲电压上升时间和幅值有关 dv dt 电流主要与 PWM 的上升时间 tr 有关 tr 越小 dv dt 电流的幅值越大 逆变器载波频率越高 轴承电流中的 dv dt 电流成 分越多 EDM 电流出现存在一定的偶然性 只有当轴承润滑油层被击穿或者轴承内部发生 接触时 存储在电子转子对地电容 Crf 上的电荷 1 2 Crf Urf 通过轴承等效回路 Rb Cb 和 Zb 对地进行火花式放电 造成轴承光洁度下降 降低使用寿命 严重地造成直接损坏 损 坏程度主要取决于轴电压和存储在电子转子对地电容 Crf 的大小 环路电流发生在电网变 压器地线 变频器地线 电机地线及电机负载与大地地线之间的回路 如水泵类负载 中 环路电流主要造成传导干扰和地线干扰 对变频器和电机影响不大 避免或者减小环流的 方法就是尽可能减小地线回路的阻抗 由于变频器接地线 PE 变频器 一般与电机接地线 PE 电机 1 连接在一个点 因此 必须尽可能加粗电机接地电缆线径 减小两者之间的电 阻 同时变频器与电源之间的地线采用地线铜母排或者专用接地电缆 保证良好接地 对 于潜水深井泵这样的负载 接地阻抗 ZE 电机 2 可能小于 ZE 变压器与 ZE 变频器之和 容 易形成地环流 建议断开 ZE 变频器 抗干扰效果好 在变频器输出端串由电感 RC 组成 的正弦波滤波器是抑制轴电压与轴承电流的有效途径 目前有多家厂家可提供标准滤波器 六 变频器功能参数 变频器功能参数很多 一般都有数十甚至上百个参数供用户选择 实际应用中 没必要 对每一参数都进行设置和调试 多数只要采用出厂设定值即可 但有些参数由于和实际使 用情况有很大关系 且有的还相互关联 因此要根据实际进行设定和调试 因各类型 变频器功能有差异 而相同功能参数的名称也不一致 为叙述方便 本文以富士变频器基 本参数名称为例 由于基本参数是各类型变频器几乎都有的 完全可以做到触类旁通 一 加减速时间 加速时间就是输出频率从 0 上升到最大频率所需时间 减速时间是指从 最大频率下降到 0 所需时间 通常用频率设定信号上升 下降来确定加减速时间 在电动 机加速时须限制频率设定的上升率以防止过电流 减速时则限制下降率以防止过电压 加速时间设定要求 将加速电流限制在变频器过电流容量以下 不使过流失速而引起变频 器跳闸 减速时间设定要点是 防止平滑电路电压过大 不使再生过压失速而使变频器跳 闸 加减速时间可根据负载计算出来 但在调试中常采取按负载和经验先设定较长加减速 时间 通过起 停电动机观察有无过电流 过电压报警 然后将加减速设定时间逐渐缩短 以运转中不发生报警为原则 重复操作几次 便可确定出最佳加减速时间 二 转矩提升又叫转矩补偿 是为补偿因电动机定子绕组电阻所引起的低速时转矩降低 而 把低频率范围 f V 增大的方法 设定为自动时 可使加速时的电压自动提升以补偿起动转 矩 使电动机加速顺利进行 如采用手动补偿时 根据负载特性 尤其是负载的起动特性 通过试验可选出较佳曲线 对于变转矩负载 如选择不当会出现低速时的输出电压过高 而浪费电能的现象 甚至还会出现电动机带负载起动时电流大 而转速上不去的现象 三 电子热过载保护 本功能为保护电动机过热而设置 它是变频器内 CPU 根据运转电流值和频率计算出电动 机的温升 从而进行过热保护 本功能只适用于 一拖一 场合 而在 一拖多 时 则应在 各台电动机上加装热继电器 电子热保护设定值 电动机额定电流 A 变频器额定输出 电流 A 100 四 频率限制 即变频器输出频率的上 下限幅值 频率限制是为防止误操作或外接频率 设定信号源出故障 而引起输出频率的过高或过低 以防损坏设备的一种保护功能 在应 用中按实际情况设定即可 此功能还可作限速使用 如有的皮带输送机 由于输送物料不 太多 为减少机械和皮带的磨损