变频器应用与维修中的技术要点_中_

1、变频器应用与维修中的技术要点(中王功胜 (佳惠机电设备维修中心, 032200摘要:对变频器现场调试、应用与维修中出现的问题, 给出原理性的分析和故障排除方法。其中技巧和经验在实践中已得到了有效验证, 所介绍的技术原理与故障检修方法及思路适用各种品牌的变频器。关键词:运行环境; 可靠性; 预防维修; 选件中图分类号:TM 921. 51; TM 07 文献标识码:B 文章编号:1004-0420(2010 03-0043-042 电抗器与电磁干扰滤波器2. 1 输入电抗器通用变频器的整流部分采用了二极管不可控桥式整流电路, 中间滤波部分采用大电解电容作为滤波器,所以整流器的输入电流实际上是电容

2、器的充电电流, 呈较为陡峻的脉冲波, 其谐波分量较大。为了消除谐波, 可采用以下对策:2. 1. 1 增加变频器供电电源内阻抗通常情况下, 电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用。这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。当电源容量相对变频器容量越小时, 则内阻抗值相对越大, 谐波含量越小; 电源容量相对变频器容量越大时, 则内阻抗值相对越小, 谐波含量越大。当电源内阻为4%时, 可以起到很好的谐波抑制作用。所以选择变频器供电电源变压器时, 最好选择短路阻抗大的变压器。2. 1. 2 安装电抗器安装电抗器实际上是从外部增加变频器供电电源的内阻抗。在变频器的交流侧安装输入电抗器,

3、抑制谐波电流。提高功率因数以及削弱输入电路中的浪涌电压、电流对变频器的冲击, 削弱电源电压不平衡的影响, 一般情况下, 都必须加进线电抗器。交流电抗器的结构是在三相铁心上绕上三相线圈, 实物外形如图4所示。由于电抗器是长期接入电路的, 故导线截面积应足够大, 应能允许长时间流过变频器的额定电流。图4 三相交流电抗器(A C REACTOR 实物图其实, 大多数变频器说明书中的选配件连接图上, 往往都有加装输入电抗器这一部分的, 如图5所示。但在实际安装过程中, 用户的要求是价格低、满足使用要求就行了, 使得技术人员在安装中也往往将输入电抗器 省略 掉了, 虽然安装初期并无异常现象。殊不知, 这

4、样给日后的运行带来无尽的后患。例如, 在某地安装了一台小功率变频器, 先后出现了烧毁三相整流桥的故障。变频器为2. 2k W, 所配电机为1. 1k W, 且负载较轻, 运行电流不到2A, 电源电压在380V 左右, 很稳定。因而现场看不出什么异常。但先后更换了三台变频器, 运行时间均不足二个月, 检查都是三相整流桥烧毁, 原因何在? 赴现场全面检查, 发现在同一车间、同一供电线路上还安装了另两台大功率变频器, 三台变频器既有同时运行、也有不同时起/停的可能。根据现场分析后认为, 大功率变频器的运行与起停, 就是小功率变频器损坏的根源所在。这是为什么?流入两台大功率变频器的非线性电流, 使得电

5、源侧电压(电流 波型的畸变分量大大增加(相当于在现场安装了两台电容补偿柜, 因而形成了动荡的电容投切电流, 但对于大功率变频器而言, 由于其内部空间较大, 输入电路的绝缘处理易于加强, 所以不易造成过压击穿, 但小功率变频器, 因内部空间较小, 绝缘耐压是个薄弱环节, 电源侧的浪涌电压冲击, 便使其在劫难逃了。另外, 相对于电源容量而言, 小功率变频器的功率显然太不匹配。当变频器的功率容量数倍小于电源容量时, 变频器输入侧的谐波分量则大为增强, 这种能PLC 变频器 计算机 变频器应用与维修中的技术要点(中机床电器2010 3量, 即是危及变频器内三相整流桥的一个不容忽视的因素。又如, 某化工

6、厂安装了数台进口变频器, 工作电流和运行状态都正常, 但也屡次出现炸毁整流桥的故障, 往往在运行中毫无征兆地就爆裂了。现场勘测和分析:该厂为补偿无功功耗, 在电控室安装了数台电容补偿柜。大容量电容器的投、切在电网中形成了幅值极高的浪涌电压和浪涌电流。观察电容补偿柜中的电容进线, 并未按常规要求加装浪涌抑制电抗器, 此电抗器的作用实质上不但抑制了进入电容器的浪涌电流, 也同时改善了整个电网内的浪涌冲击。当生产线进行了变频改造后, 补偿电容的投、切(充、放电 电流与变频器整流造成的谐波电流互相作用, 在电网系统中形成了瞬时的动荡的电压尖峰, 该电压尖峰远远超过了电源电压, 击穿变频器中的整流模块也

7、就顺理成章了。综合起来看, 以上三个问题其实只是一个问题, 即电网电压波形的畸变形成了电压尖峰, 使电器设备不堪其冲击而损坏, 因而处理的措施也很简单, 即在变频器输入端接入电抗器。特别是在使用国产变频器时, 尽量使用输入电抗器。我公司在给某单位改造调速系统时, 因为没有使用输入电抗器, 导致变频器运行时莫名其妙地跳闸, 且没报任何故障。后来增加输入电抗器后一切正常。而另一条生产线进口变频器却一直没有出现此问题。可见国内变频器品牌任重而道远!通过上面事例可以看出, 输入端接电抗器是为了防止电网谐波变化引起干扰, 在三相进线电压严重不平衡或该电网内有电容补偿器或可控硅负载的场合, 输入电抗器的优

8、势就明显体现出来。它主要保护电源对整流桥和充电电阻的冲击。对于小功率(7. 5k W 以下, 单独用输入电抗器要比用直流电抗器的效果好得多。综合上述, 在以下情况中必须加入输入电抗器:a . 变频器所用之处的电源容量与变频器容量之比为10 1以上;b . 同一电源上接有可控硅负载或带有开关控制的功率因数补偿装置;c . 三相电源的电压不平衡度大于3%。在电源与变频器输入侧之间串联交流电抗器, 这样可使整流阻抗增大来有效抑制高次谐波电流, 减少电源浪涌对变频器的冲击, 改善三相电源的不平衡性, 提高输入电源的功率因数(提高到0. 750. 85, 这样进线电流的波形畸变大约降低30%50%, 是

9、不加电抗器谐波电流的一半左右。电抗器分为输入电抗器和输出电抗器, 他们的作用各不相同(电抗器型号中, I 表示进线, O 表示出线 。那么, 输出端的电抗器又有什么作用?2. 2 输出端电抗器变频器接输出电抗器是为了隔离变频器对其他设备的干扰。当变频器输出到电机的电缆长度大于产品规定值时, 应加输出电抗器来补偿电机长电缆运行时的耦合电容的充放电影响, 避免变频器过流。并能抑制变频器输出的谐波, 起到减小变频器噪声的作用。加装输出电抗器后还可以钝化变频器输出电压(开关频率 的陡度, 减少逆变器中的功率元件的扰动和冲击。输出电抗器有两种类型, 一种输出电抗器是铁心式电抗器, 当变频器的载波频率小于

10、3k H z 时采用; 另一种输出电抗器是铁氧体式, 当变频器的载波频率小于6k H z 时采用。变频器输出端增加输出电抗器的作用还可以增加变频器到电动机的导线距离, 输出电抗器可以有效抑制变频器的I G B T 开关时产生的瞬间高电压, 减少此电压对电缆绝缘和电机的不良影响。同时为了增加变频器到电机之间的距离可以适当加粗电缆, 增加电缆的绝缘强度, 尽量选用非屏蔽电缆。有的变频器厂商出于对产品宣传的需要, 称变频器与电机之间的距离较远时才建议加输出电抗器。考虑到现场的实际情况及电缆铺设情况, 根据本人的工作经验, 认为在50m 以上最好加输出电抗器。此外还应根据变频器的容量进行设计, 大容量

11、的变频器建议都加上输入、输出电抗器。对变频器运行状况和自身可靠性都有很大好处。2. 3 关于变频器电抗器的选择问题2. 3. 1 额定交流电流的选择额定交流电流是从发热方面设计电抗器的长期工作电流, 同时应该考虑足够的高次谐波分量。即输出电抗器实际流过的电流是变频器电机负载的工作电流。2. 3. 2 电压降电压降是指50H z 时, 对应实际额定电流时电抗器线圈两端的实际电压降。通常选择电压降在4V 8V 左右。2. 3. 3 电感量的选择电抗器的额定电感量也是一个重要的参数, 若电机床电器2010 3PLC 变频器 计算机 变频器应用与维修中的技术要点(中感量选择不合适, 会直接影响额定电流

12、下电压降的变化, 从而引起故障。电感量以基波电流流经电抗器时电压降不大于额定电压的3%为宜。而电感量的大小取决于电抗器铁心的截面积和线圈的匝数与气隙的调整。输出电抗器电感量选择是根据在额定频率范围内的电缆长度来确定, 然后再根据电动机的实际额定电流来选择相应电感量要求下的铁心截面积和导线截面积, 才能确定实际电压降。理想的电抗器是在小于或等于额定交流电流时, 电感量保持不变, 随着电流的增大, 而电感量逐渐减小。常用规格的交流电抗器如表1所示。表1 常用规格的交流电抗器电压(V功率(k W 电流(A 电感(mH 电压(V功率(k W 电流(A 电感(mH 2200. 42. 44. 60. 7

13、54. 52. 41. 57. 01. 62. 2111. 04180. 65. 5220. 57. 5300. 411420. 2715550. 218. 5700. 1622800. 14301100. 1371450. 08451800. 06552150. 05752850. 04933500. 031104150. 033800. 752. 57. 61. 54. 04. 82. 26. 03. 24. 09. 02. 05. 5131. 57. 5171. 211250. 815320. 618. 5380. 522450. 4230600. 3237750. 2645900. 2

14、1551100. 18751500. 13931700. 111102100. 091322500. 081603000. 062003800. 052204150. 052504800. 042. 4 直流电抗器在变频器的直流侧安装直流电抗器, 用于改善功率因数, 抑制电流尖峰。当有下列情形之一, 则必须安装直流电抗器。(1 电网容量远大于变频器容量; (2 电源容量大于1000kVA 时; (3 对改善电源功率因数要求较高时。直流电抗器接在变频系统的直流整流环节与逆变环节之间, 主要用途是将叠加在直流电流上的交流分量限定在某一规定值, 保持整流电流连续, 减小电流脉冲幅值, 并对中间直流环

15、节的电容提供保护, 使逆变环节运行更稳定并改善了变频器的功率因数(提高到0 95 。直流电抗器可与交流电抗器同时使用, 对减小输入的高次谐波同样有明显效果。直流电抗器是将线圈绕在单相铁心上, 由于在直流电路中, 线圈的感抗为零, 故线圈的匝数可以适当多一点, 这样滤波的效果就好一些。直流电抗器性能指标值如表2所示。表2 直流电抗器性能指标值电压(V功率(k W 电流(A 电感(mH 电压(V 功率(k W 电流(A 电感(mH 22011157545018. 530150200375530010075904204011056025380740552. 5 电磁干扰滤波器在变频器的输入和输出的电

16、流中, 除了构成电源无功损耗的较低次谐波外, 也还有许多频率很高的谐波成份。它们将以各种方式把自己的能量传播出去, 形成对其他设备的干扰信号。对于通过线路传播的干扰信号, 主要通过增大线路在干扰频率下的阻抗来削弱, 实际上, 电路中串入一个小电感, 它在基频下的阻抗的是微不足道的, 但频率较高的谐波电流, 却呈现出很高的阻抗, 起到了有效的抑制作用。我们经常会看到交流电源到整流桥前会有一块E M I 电路, 如图6所示。只知道这是起到滤波和抑制电网脉冲尖峰的作用, 它和我们经常听说过的E MC 区别在那里?图6 电磁干扰滤波器说到变频器电磁兼容性, 先要了解以下内容。F I L TER(滤波器

17、 。E M I (电磁干扰, 包括传导、辐射、谐波等等。图中 E M I F I LTER 的中文意思为 电磁干扰滤波器 。PLC 变频器 计算机 变频器应用与维修中的技术要点(中 机床电器2010 3E MS(抗电磁干扰性, 直译是 电磁敏感度 。其意是指由于电磁能量造成性能下降的容易程度。打个通俗比方, 如果将电子设备比喻为人, 将电磁能量比做流感病毒, 敏感度就是是否易患流感。如果不易患流感, 说明免疫力强。E MS 也是衡量设备性能的重要指标。E MC(电磁兼容性, 意指设备所产生的电磁能量既不对其它设备产生干扰, 也不受其他设备的电磁能量干扰的能力。E MC 这个术语有其非常广的含义

18、。由上所述可以看出, E MC=E M I+E MS毫无疑问, 电磁干扰滤波器用于抑制变频器产生的电磁干扰噪声的传导, 也可抑制外界无线电干扰以及瞬时冲击、浪涌对本机的干扰。根据使用位置的不同可以分为输入滤波器和输出滤波器。输入滤波器串联在变频器输入侧, 由电感线圈组成, 通过增大电路的阻抗以减小频率较高的谐波电流;辐射滤波器并联在电源与变频器输入侧, 由高频电容器组成, 可以吸收频率较高具有辐射能量的谐波成份, 用于降低无线电噪声。线路滤波器和辐射滤波器同时使用效果更好。输出滤波器串联在变频器输出侧, 由电感线圈组成, 可以减小输出电流中的高次谐波成份, 抑制变频器输出侧的浪涌电压, 同时可以减小电动机由高频谐波电流引起的附加转矩。注意输出滤波器到变频器和电机的接线尽量缩短, 滤波器亦应尽量靠近变频器。输出滤波器从结构上分LR 滤波器单元和LC 滤波器单元两种类型, 如图7