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變頻調速器的常見故障分析和預防措施
變頻調速器的常見故障分析和預防措施
近年來，隨著微電子技術及IGBT功率期間的迅速發展，作為交流電機主要調速方式的變頻調速技術也獲得了發展。尤其是矢量控制變頻器，以其優異的控制性能在調速領域獨樹一幟，在港口機械、冶金、造紙、電梯等多個領域得到迅速推廣。日本，歐美等變頻技術發達國家，均承認以進入AC（交流）時代。我國港口機械設備中的場橋（RTG）、門座式起重機、裝卸橋（C/C）也廣泛使用了變頻調速器，從37kW到440kW均有應用實例。隨著使用數量的不斷增加，也遇到了故障維修問題。我公司于1997年對4臺門機的變幅及旋轉機構進行了變頻調速改造，經過一年多的實際運行，下面就變頻器的常見故障及預防措施進行分析及探討。
一、變頻器的主要故障原因及預防措施
由于使用方法不正確或設置環境不合理，將容易造成變頻器誤動作及發生故障，或者無法滿足預期的運行效果，為防患于未然，事先對故障原因進行認真分析顯得尤為重要。圖1所示為變頻器硬件回路框圖。
1、外部的電磁感應干擾
如果變頻器周圍存在干擾源，它們將通過輻射或電源線侵入變頻器的內部，引起控制回路誤動作，造成工作不正常或停機，嚴重時甚至損壞變頻器。提高變頻器自身的抗干擾能力固然重要，但由于受裝置成本限制，在外部采取噪聲抑制措施，消除干擾源顯得更合理，更必要。以下幾項措施是對噪聲干擾實行“三不"原則的具體方法。
（1）變頻器周圍所有繼電器、接觸器的控制線圈上需加裝防止沖擊電壓的吸收裝置，如RC吸收器。
（2）盡量縮短控制回路的配線距離，并使其與主線路分離。
（3）采用屏蔽線的回路，必須按規定進行，若線路較長，應采用合理的中繼方式。
（4）變頻器接地端子應按規定進行，不能同電焊，動力接地混用。
（5）變頻器輸入端安裝噪聲濾波器，避免由電源進線引入干擾。
以上即為不輸出干擾、不傳送干擾、不接受干擾的“三不"原則。
2、安裝環境
變頻器屬于電子器件裝置，在其規格書中有詳細安裝使用環境的要求。在特殊情況下，若確實無法滿足這些要求，必須盡量采用相應抑制措施。
（1）振動是對電子器件造成機械損傷的主要原因。對于振動沖擊較大的場合，應采用橡膠等避振措施。
（2）潮濕、腐蝕性氣體及塵埃等將造成電子器件生銹、接觸不良、絕緣降低而形成短路。作為防范措施，應對控制板進行防腐防塵處理，并進量采用封閉式結構。
（3）溫度是影響電子器件壽命及可靠性的重要因素，特別是半導體器件，若結溫超過規定值將立刻造成器件損壞，因此應根據裝置要求的環境條件安裝空調或避免日光直射。
除上述3點外，定期檢查變頻器的空氣濾請器及冷卻風扇也是非常必要的。
對于特殊的高寒場合，為防止微處理器因溫度過低而不能正常工作，應采取設置空間加熱器等必要措施。
3、電源異常
電源異常表現為各種形式，但大致分以下3種，即：缺相、低電壓、停電。有時也出現它們的混合形式。這些異常現象的主要原因多半是輸電線路因風、雪、雷擊造成的，有時也因為同一供電系統內出現對地短路及相間短路。而雷擊因地域和季節有很大差異。除電壓波動外，有些電網或自行發電單位，也會出現頻率波動，并且這些現象有時在短時間內重復出現，為保證設備的正常運行，對變頻器供電電源也提出相應要求。
（1）如果附近有直接起動電動機和電磁爐等設備，為防止這些設備投入時造成的電壓降低，硬是變頻器供電系統分離，減小相互影響。
（2）對于要求瞬時停電后仍能繼續運行的場合，除選擇合適規格的變頻器外，還因預先考慮負載電機的降速比例。變頻器和外部控制回路采用瞬停補償方式，當電壓回復后，通過速度追蹤和測速電機的檢測來防止在加速中的過電流。
（3）對于要求必須量需運行的設備，要對變頻器加裝自動切換的不停電電源裝置。
二極管輸入及使用單相控制電源的變頻器，雖然在缺相狀態也能繼續工作，但整流器中個別器件電流過大及電容器的脈沖電流過大，若長期運行將對變頻器的壽命及可靠性造成不良影響，應及早檢查處理。
4、雷擊、感應雷電
雷擊或感應雷擊形成的沖擊電壓有時也能造成變頻器的損壞。此外，當電源系統一次側帶有真空斷路器時，短路器開，閉也能產生較高的沖擊電壓。如圖2所示。
變壓器一次側真空斷路器斷開時，通過耦合在二次側形成很高的電壓沖擊尖峰。
（1）為防止因沖擊電壓造成過電壓損壞，通常需要在變頻器的輸入端加壓敏電阻等吸收器件，保證輸入電壓不高于變頻器主回路期間所允許的最大電壓。如圖3所示。
（2）當使用真空斷路器時，應景量采用沖擊形成追加RC浪涌吸收器。
（3）若變壓器一次側有真空斷路器，因在控制時序上保證真空斷路器動作前先將變頻器斷開。
二、變頻器本身的故障自診斷及預防功能
過去的晶體管變頻器主要有以下缺點：容易跳閘，不容易再起動，過負載能力低。由于IGBT及CPU的迅速發展，變頻器內部增加了完善的自診斷及故障防范功能，大幅度提高了變頻器的可靠性。
有圖4變頻器故障解析示意圖可知，如果使用矢量控制變頻器中的“全領域自動轉矩補償功能"，其中“起動轉矩不足"，“環境條件變化造成出力下降"等故障原因，將得到很好的克服。該功能是利用變頻器內部的微型計算機的高速運算，計算出當前時刻所需要的轉矩，迅速對輸出電壓進行修正和補償，以抵消因外部條件變化而造成的變頻器輸出轉矩變化。
此外，由于變頻器的軟件開發更加完善，可以預先在變頻器的內部設置各種故障防止措施，并使故障化解后仍能保持繼續運行，例如：
1、對自由停車過程中的電機進行再起動；
2、對內部故障自動復位并保持連續運行；
3、負載轉矩過大時能自動調整運行曲線，避免Trip；
4、能夠對機械系統的異常轉矩進行檢測。
三、變頻器對周邊設備的影響及故障防范
變頻器的安裝使用也將對其他設備產生影響，有時甚至導致其他設備故障。因此，對這些影響因素進行分析探討，并研究應該采取哪些措施時非常必要的。
1、電源高次諧波
由于目前的變頻器幾乎都采用PWM控制方式，這樣的脈沖調制形式使得變頻器運行時在電源側產生高次諧波電流，并造成電壓波形畸變，對電源系統產生嚴重影響，通常采用以下處理措施。
（1）采用專用變壓器對變頻器供電，與其它供電系統分離。
（2）在變頻器輸入側加裝濾波電抗器或多種整流橋回路，降低高次諧波分量，如圖5所示。
對于有進相電容器的場合因高次諧波電流將電容電流增加造成發熱嚴重，必須在電容前串接電抗器，以減小諧波分量。如圖6所時，對電抗器的電感應合理分析計算，避免形成LC振蕩。
2、電動機溫度過高及運行范圍
對于現有電機進行變頻調速改造時，由于自冷電機在低速運行時冷卻能力下降造成電機過熱。此外，因為變頻器輸出波形中所含有的高次諧波勢必增加電機的鐵損和銅損，因此在確認電機的負載狀態和運行范圍之后，采取以下的相應措施。
（1）對電機進行強冷通風或提高電機規格等級。
（2）更換變頻專用電機。
（3）限定運行范圍，避開低速區。
3、振動、噪聲
振動通常是由于電機的脈動轉矩及機械系統的共振引起的，特別是當脈動轉矩與機械共振電恰好一致時更為嚴重。噪聲通常分為變頻裝置噪聲和電動機噪聲，對于不同的安裝場所應采取不同的處理措施。
（1）變頻器在調試過程中，在保證控制精度的前提下，應盡量減小脈沖轉矩成分。
（2）調試確認機械共振點，利用變頻器的頻率屏蔽功能，使這些共振點排除在運行范圍之外。
（3）由于變頻器噪聲主要有冷卻風扇機電抗器產生，因選用低噪聲器件。
（4）在電動機與變頻器之間合理設置交流電抗器，減小因PWM調制方式造成的高次諧波。
4、高頻開關形成的尖峰電壓對電機絕緣不利
在變頻器的輸出電壓中，含有高風浪用電壓。這些高次諧波沖擊電壓將時電動機繞組的絕緣強度降低，尤其以PWM控制型變頻器更為明顯，應采取以下措施。
（1）盡量縮短變頻器到電機的配線距離。
（2）采用阻斷二極管的浪涌電壓吸收裝置，對變頻器輸出電壓進行處理。
（3）對PWM型變頻器應盡量在電機輸入側加裝圖7所使得濾波器。圖7b中無濾波器是輸出電壓上升沿有明顯沖擊電壓，容易造成電機絕緣損傷。
