通用变频器

　　在通用变频器中，采用“动力制动”新技术将做到真正的无污染！
　　在通用变频器、异步电动机和机械负载所组成的变频调速传统系统中，当电动机所传动的位能负载下放时，电动机将可能处于再生发电制动状态；或当电动机从高速到低速（含停车）减速时，频率可以突减，但因电机的机械惯性，电机也有可能处于再生发电状态，传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，通过逆变器的六个续流二极管回送到变频器的直流回路中。此时的逆变器处于整流状态。这时，如果变频器中没采取消耗能量的措施，这部分能量将导致中间回路的储能电容器的电压上升。如果当制动过快或机械负载为提升机类时，这部分能量就可能对变频器带来损坏，所以这部分能量我们就应该认真考虑考虑了。
　　在通用变频器中，对再生能量最常用的处理方式有两种：
　　1、耗散到直流回路中人为设置的与电容器并联的"制动电阻"中，称之为动力制动状态；
　　2、使之回馈到电网，则称之为回馈制动状态（又称再生制动状态）。还有一种制动方式，即直流制动，它是用于要求准确停车的情况或起动前制动电机由于外界因素引起的不规则旋转。
　　在书籍、刊物上有许多专家谈论过有关变频器制动方面的设计与应用，尤其是近些时间有过许多关于"能量回馈制动"方面的文章。今天，笔者提供一种新型的制动方法，它具有"回馈制动"的四象限运转、运行效率高等优点，也具有"动力制动"对电网无污染、可靠性高等好处。
　　随着通用变频器应用领域的拓宽，变频器制动方面的应用技术将大有发展前途，具体来讲，主要用在矿井中的吊笼（载人或装料）、斜井矿车（单筒或双筒）、起重机械等行业。总之需要能量回馈装置的场合都可选用。
　　应用行业
　　□自动扶梯 □线缆机械 □印染设备 □化工机械 □塑料机械 □油田设备 □矿山机械设备

　　电力电子器件的自关断化、模块化，变流电路开关模式的高频化和控制手段的全数字化促进了变频电源装置的小型化、多功能化、高性能化。尤其是控制手段的全数字化，利用了微型计算机的巨大的信息处理能力，其软件功能不断强化，使变频装置的灵活性和适应性不断增强。现在中小容量的一般用途的变频器已经实现了通用化。采用大功率自关断开关器件（GTO、BJT、IGBT）作为主开关器件的正弦脉宽调制式（SPWM）变频器，已成为通用变频器的主流。
　　通用变频器产品特点
　　低频转矩输出180% ，低频运行特性良好■输出频率600Hz，可控制高速电机[1]
　　全方位的侦测保护功能(过压、欠压、过载)瞬间停电再起动
　　加速、减速、动转中失速防止等保护功能
　　电机动态参数自动识别功能，保证系统的稳定性和精确性
　　高速停机时响应快
　　丰富灵活的输入、输出接口和控制方式，通用性强
　　采用SMT全贴装生产及三防漆处理工艺，产品稳定度高
　　全系列采用IGBT功率器件，确保品质的高质量
　　选型规范
　　变频器的正确选择对于控制系统的正常运行是非常关键的。选择变频器时必须要充分了解变频器所驱动的负载特性。人们在实践中常将生产机械分为三种类型:恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵负载。
　　恒转矩负载：[2]
　　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。例如传送带、搅拌机，挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载都属于恒转矩负载。
　　变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速下的转矩要足够大，并且有足够的过载能力。如果需要在低速下稳速运行，应该考虑标准异步电动机的散热能力，避免电动机的温升过高。
　　恒功率负载：
　　机床主轴和轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等要求的转矩，大体与转速成反比，这就是所谓的恒功率负载。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，容许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时，容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。
　　风机、泵类负载：
　　在各种风机、水泵、油泵中，随叶轮的转动，空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力大致与速度n的2次方成正比。随着转速的减小，转速按转速的2次方减小。这种负载所需的功率与速度的3次方成正比。当所需风量、流量减小时，利用变频器通过调速的方式来调节风量、流量，可以大幅度地节约电能。由于高速时所需功率随转速增长过快，与速度的三次方成正比，所以通常不应使风机、泵类负载超工频运行。
　　西门子公司可以提供不同类型的变频器，用户可以根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。在选择变频器时因注意以下几点注意事项：
　　1.根据负载特性选择变频器，如负载为恒转矩负载需选择siemens MMV/MDV 变频器，如负载为风机、泵类负载应选择siemens ECO变频器。
　　2.选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定功率只能作为参考。另外应充分考虑变频器的输出含有高次谐波，会造成电动机的功率因数和效率都会变坏。因此，用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流增加10%而温升增加20%左右。所以在选择电动机和变频器时，应考虑到这中情况，适当留有裕量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。
　　3.变频器若要长电缆运行时，此时应该采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不够。所以变频器应放大一档选择或在变频器的输出端安装输出电抗器。
　　4.当变频器用于控制并联的几台电机时，一定要考虑变频器到电动机的电缆的长度总和在变频器的容许范围内。如果超过规定值，要放大一档或两档来选择变频器。另外在此种情况下，变频器的控制方式只能为V/F控制方式，并且变频器无法保护电动机的过流、过载保护，此时需在每台电动机上加熔断器来实现保护。
　　5．对于一些特殊的应用场合，如高环境温度、高开关频率、高海拔高度等，此时会引起变频器的降容，变频器需放大一档选择。
　　6.使用变频器控制高速电机时，由于高速电动机的电抗小，高次谐波亦增加输出电流值。因此，选择用于高速电动机的变频器时，应比普通电动机的变频器稍大一些。
　　7．变频器用于变极电动机时，应充分注意选择变频器的容量，使其额定电流在变频器的额定输出电流以下。另外，在运行中进行极数转换时，应先停止电动机工作，否则会造成电动机空转，恶劣时会造成变频器损坏。
　　通用变频器的日常维护
　　伴随着自动化领域的不断向前发展，变频器的应用也深入到了各行各业各个领域，变频器也在不断地推陈出新，功能越来越强大，可靠性也相应地越来越高。但是如果使用不当，操作有误，维护不及时，仍会发生故障或运行状况改变缩短设备的使用寿命。因此，日常的维护与检修工作尤为重要。[3]
　　一． 注意事项：操作人员必须熟悉变频器的基本工作原理、功能特点，具有电工操作基本知识。在对变频器检查及保养之前，必须是在设备总电源全部切断；并且等变频器灯完全熄灭的情况下进行。
　　二． 日常检查事项：在变频器上电之前应先检查周围环境的温度及湿度，温度过高时会导致变频器过热报警，严重的则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。变频器运行时要注意其冷却系统是否正常，比如：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的运行。
　　三． 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。测量驱动电路各路波形的方波是否有畸变。UVW相间波形是否为正弦波。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。
　　四． 备件的更换 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：
　　1．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。按变频器连续运行折算为2-3年就要更换一次风扇，直接冷却风扇有二线和三线之分，二线风扇其中一线为正极，另一线为负极，更换时不要接错；三线风扇除了正、负极外还有一根检测线，更换时千万注意，否则会引起变频器过热报警。交流风扇一般为220V、380V之分，更换时电压等级不要搞错。
　　2．滤波电容 中间电路滤波电容：又称电解电容，其主要作用就是平滑直流电压，吸收直流中的低频谐波，它的连续工作产生的热量加上变频器本身产生的热量都会加快其电解液的干涸，直接影响其容量的大小。正常情况下电容的使用寿命为5年。建议每年至少定期检查电容容量一次，一般其容量减少20%以上就需要更换了。
　　保护功能及故障处理
　　一、引言
　　变频器本身具有相当丰富的异常故障显示和保护功能。若保护功能动作时，变频器立即跳闸，LED显示故障代码，或者将故障信息存储在程序的某个参数内，使电动机处于自由运转状态到停止。[4]
　　在消除故障原因、用TESET键或控制电路端子RST输进复位之前，始终维持跳闸状态，以便维修检查。变频器异常故障分为软故障和硬故障两大类，前者多因操纵或参数设置不当造成的，硬故障是由于变频器本身器件损坏造成的，维修起来可能很不便。
　　处理故障前应留意查看故障前变频器的运行记录，主要包括电流、转速、绕组及轴承温度等，以便于故障的分析和检查。当出现变频器显示某类故障，但故障排除过程中却未发生相应故障的情况，此时应仔细检查故障检测元件或故障信息处理系统有无题目。
　　故障检查或维修时，留意须先切断电源，将变频器的输进变压器进线侧的高压柜断路器摇出，并将变频器A1、A2进线柜主开关断开，且须等断电8min电容放电完毕后，方可打开柜门进行维修，切忌停机后立即进行检查。
　　因变频器额定运行时，其直流母排电压可达到1000V左右，且滤波所用电解电容器的数目达120个，单个容量6800μF，储存了大量的电能，停机后须待电容模块前的电压平衡电阻将其放电，电压降低后(其放电时间为8min)，方可开柜进行检查。一般来说，变频器常见的保护功能有以下几个方面。
　　二、过电流保护功能
　　变频器中过电流保护的对象主要指带有突变性质的、电流的峰值超过了过电流检测值(约额定电流的200%)，变频器显示OC表示过电流，由于逆变器件的过载能力较差,所以变频器的过电流保护是至关重要的一环。
　　三、过电流原因分析
　　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、对线路进行检查等来解决。假如断开负载变频器还是过流故障，说明变频器逆变电路已坏，需要更换变频器。根据变频器显示，可从以下几方面寻找原因：
　　（1）工作中过电流，即拖动系统在工作过程中出现过电流。其原因大致有以下几方面：
　　● 一是电动机碰到冲击负载或传动机构出现“卡住”现象,引起电动机电流的忽然增加；
　　● 二是变频器输出侧发生短路，如输出端到电动机之间的连接线发生相互短路,或电动机内部发生短路等、接地（电机烧毁、尽缘劣化、电缆破损而引起的接触、接地等）；
　　● 三是变频器自身工作不正常,如逆变桥中同一桥臂的两个逆变器件在不断交替的工作过程中出现异常。如环境温度过高，或逆变器元器件本身老化等原因，使逆变器的参数发生变化，导致在交替过程中，一个器件已经导通、而另一个器件却还未来得及关断，引起同一个桥臂的上、下两个器件的“直通”，使直流电压的正、负极间处于短路状态。
　　（2）升速、降速时过电流：当负载的惯性较大，而升速时间或降速时间又设定得太短时，也会引起过电流。在升速过程中，变频器工作频率上升太快，电动机的同步转速迅速上升，而电动机转子的转速因负载惯性较大而跟不上往，结果是升速电流太大；在降速过程中，降速时间太短，同步转速迅速下降，而电动机转子因负载的惯性大，仍维持较高的转速，这时同样可以使转子绕组切割磁力线的速度太大而产生过电流。
　　处理方法
　　（1）起动时一升速就跳闸，这是过电流十分严重的现象，主要检查：
　　● 工作机械有没有卡住；
　　● 负载侧有没有短路,用兆欧表检查对地有没有短路；
　　● 变频器功率模块有没有损坏；
　　● 电动机的起动转矩过小，拖动系统转不起来。
　　（2）起动时不马上跳闸，而在运行过程中跳闸，主要检查：
　　● 升速时间设定太短，加长加速时间；
　　● 减速时间设定太短，加长减速时间；
　　● 转矩补偿（U/f比）设定太大，引起低频时空载电流过大；
　　● 电子热继电器整定不当，动作电流设定得太小，引起变频器误动作
　　四、过载保护及原因分析
　　电动性能够旋转，但运行电流超过了额定值，称为过载。过载的基本反映是：电流固然超过了额定值，但超过的幅度不大，一般也不形成较大的冲击电流。输出电流超过反时限特性过载电流额定值，保护功能动作，变频器的容量偏小。
　　过载的主要原因
　　（1）机械负荷过重：负荷过重的主要特征是电动机发热，并可从显示屏上读取运行电流来发现。主要原因是变频器负载太大，加减速时间、运行周期时间太短；V/F特性的电压太高；变频器功率太小。
　　（2）三相电压不平衡：引起某相的运行电流过大，导致过载跳闸，其特点是电动机发热不均衡，从显示屏上读取运行电流时不一定能发现(因显示屏只显示一相电流)。
　　（3）误动作：变频器内部的电流检测部分发生故障，检测出的电流信号偏大，导致跳闸。
　　检查方法
　　（1）检查电动机是否发热
　　假如电动机的温升不高，则首先应检查负载的大小，加减速时间，运行周期时间设置是否公道，并修正V/F特性，检查变频器的电子热保护功能预置得是否公道，如变频器尚有余量，则应放宽电子热保护功能的预置值；如变频器的答应电流已经没有余量，不能再放宽，且根据生产工艺，所出现的过载属于正常过载，则说明变频器的选择不当，应加大变频器的容量，更换变频器。
　　这是由于，电动机在拖动变动负载或断续负载时，只要温升不超过额定值，是答应短时间(几分钟，甚或几十分钟)过载的，而变频器则不答应。假如电动机的温升过高，而所出现的过载又属于正常过载，则说明是电动机的负荷过重。这时，首先应考虑能否适当加大传动比，以减轻电动机轴上的负荷。
　　如能够加大，则加大传动比；假如传动比无法加大，则应加大电动机的容量。
　　（2）检查电动机侧三相电压是否平衡
　　若电动机侧的三相电压不平衡，则应再检查变频器输出真个三相电压是否平衡，如不平衡，题目在变频器内部，应检查变频器的逆变模块及其驱动电路；如变频器输出真个电压平衡，则题目出现在从变频器到电动机之间的线路上，应检查所有接线真个螺钉是否都已紧固，假如在变频器和电动机之间有接触器或其他电器，则还应检查有关电器的接线端是否都已紧固，以及触点的接触状况是否良好等。
　　假如电动机侧三相电压平衡，则应了解跳闸时的工作频率：如工作频率较低，又未用矢量控制(或无矢量控制)，则首先降低U/f比，如降低后仍能带动负载，则说明原来预置的U/f比过高，励磁电流的峰值偏大，可通过降低U/f比来减小电流；假如降低后带不动负载了，则应考虑加大变频器的容量；假如变频用具有矢量控制功能，则应采用矢量控制方式。
　　（3）检查是否误动作
　　经过以上检查，均未找到原因时，应检查是不是误动作。判定的方法是在轻载或空载的情况下，用电流表丈量变频器的输出电流，与显示屏上显示的运行电流值进行比较，假如显示屏显示的电流读数比实际丈量的电流大得较多，则说明变频器内部的电流丈量部分误差较大，“过载”跳闸有可能是误动作。
　　五、欠电压保护
　　欠压也是我们在使用中经常碰到的题目。电源电压降低后，主电路直流电压若降到欠电压检测值以下，保护功能动作。
　　另外，电压若降到不能维持变频器控制电路的工作，则全部保护功能自动复位（检测值：DC400V）。当出现欠压故障时，首先应该检查输进电源是否缺相，假如输进电源没有题目，就要检查整流回路是否有题目，假如都没有题目，那就要看直流检测电路上是否有题目了。
　　假如由于主回路电压太低(380V系列低于400V)，主要原因是整流桥某一路损坏或晶闸管三相电路中有一相工作不正常，都有可能导致欠压故障的出现，其次主回路断路器、接触器损坏，导致直流母线电压损耗在充电电阻上面有可能导致欠压。
　　电压检测电路发生故障而出现欠压题目,由于变频器故障或噪声引起的误动作等造成主电路直流端（P、N之间）超过了检测值，这就需与制造商联系。
　　六、过电压保护
　　来自电动机的再生电流增加，主电路直流电压若超过电压检测值，错误施加过高电压时保护功能动作（检测值：DC750V）。过电压保护主要有三种现象：加速时过电压、减速时过电压、恒速时过电压。
　　过电压报警一般是出现在停机的时候，其主要原因是减速时间太短或制动电阻及制动单元有题目。
　　变频器的过电压集中表现在直流母线的电压上。正常情况下，变频器直流电为三相全波整流后的均匀值。若以380V线电压计算，则均匀直流电压Ud=1.35UL=513V。在过电压发生时，直流母线的储能电容将被充电，当电压上至760V左右时，变频器过电压保护动作。因此，变频器都有一个正常的工作电压范围，当电压超过这个范围时很可能损坏变频器。
　　常见的过电压主要是发电制动时的过电压，这种情况出现的概率较高，主要是电机的同步转速比实际转速还高，使电动机处于发电状态，而变频器又没有安装制动单元，有两起情况可以引起这一故障。
　　（1）当变频器拖动大惯性负载时，其减速时间设的比较小，在减速过程中，变频器输出的速度比较快，而由于负载特性本身阻力减速比较慢，使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高，电动机处于发电状态，而变频器没有能量回馈单元，因而变频器直流回路电压升高，超出保护值，出现故障。
　　而纸机中的这类故障经常发生在干燥部分，处理这种故障可以增加再生制动单元，或者修改变频器参数，把变频器减速时间设的长一些。增加的再生制动单元有能量消耗型，并联直流母线吸收型、能量回馈型。能量消耗型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功率管的通断。
　　并联直流母线吸收型使用在多电机传动系统，这种系统往往有一台或几台电机经常工作于发电状态，产生再生能量，这些能量通过并联母线被处于电动状态的电机吸收。
　　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就将再生能量回馈给电网。
　　（2）多个电动机拖动同一个负载时，也可能出现这一故障，主要由于没有负荷分配引起的。以两台电动机拖动一个负载为例，当一台电动机的实际转速大于另一台电动机的同步转速时，则转速高的电动机相当于原动机，转速低的处于发电状态，引起故障。
　　七、其他保护
　　1 过热OH4
　　过热是经常会碰到的一个故障。当碰到这种情况时，首先会想到散热风扇是否运转，观察机器外部就会看到风扇是否运转，此外对于30kW以上的机器在机器内部也带有一个散热风扇，此风扇的损坏也会导致OH4的报警。根据L1-04的设定值，变频器停止输出，电机过热时，修正负载的大小，加减速时间，运行周期时间；修正V/F特性；确认从端子A1/A2输进的电机温度。
　　.2 接地故障GF
　　接地故障也是常会碰到的故障，变频器输出侧的接地电流超过了变频器额定输出电流的50%，主要原因是变频器输出侧发生了接地短路（电机烧毁、尽缘劣化、电缆破损而引起的接触、接地等）。在排除电机接地存在题目的原因外，最可能发生故障的部分就是霍尔传感器了，霍尔传感器由于受温度，湿度等环境因素的影响，工作点很轻易发生飘移，导致GF报警。对于安川变频器，假如快熔未烧坏，则需检验触发板上的光耦；假如快熔烧坏了,则需要更换模块、快熔，还需检验触发板上的光耦合等。
　　3 电动机不旋转
　　（1）即使按下操纵器的RUN键，电机也不转，这时，可考虑以下原因：运行方法的设定有错误。（运行指令的选择）b1－02=1（控制回路端子）时，即使按下了RUN键，电机也不运行，按下LOCAL/REMOTE键切换到操纵器或设定b1－02=0（操纵器）。频率指令太低：频率指令低于E1-09（输出频率）所设定了的频率时，变频器不能运行，变更频率指令使大于频率。
　　（2）即使输进了外部运行信号，电机仍不转，重要的原因是：未处在驱动模式，变频器在预备状态，不能起动。按下MENU键，DRIVE LED闪烁，再按下DATA/ENTER键，进进驱动模式。进进了驱动模式，DRIVE LED灯亮。
　　（3）加速时及连接负载时，电机停转了，负载太大。变频器固然有防止失速功能及全自动力矩提升功能。但是加速度太大及负载太大时，超过了电机的响应界限，请延长加速时间，减小负载。另外也可以考虑加大电机的功率。
　　（4）电机只能向一个方向转。选择了禁止反转，当b1－04(选择禁止反转)=1（禁止反转）时，变频器不接受反转指令。正转、反转两方向都要使用时，请设定b1－04=0（可以反转）。