產品定義電壓等級低於690V的可調輸出頻率交流電機驅動裝置，就歸類為低壓變頻器。
基本介紹
- 中文名：低壓變頻器
- 主要問題：主控電路故障
- 節能原理：變頻節能等
- 屬性：變頻器
控制方式,節能原理,套用領域,套用情況,主要問題,故障原因,故障處理,幾點建議,起重機業套用,
控制方式
隨著低壓變頻器技術的不斷成熟，低壓變頻的套用場合決定了它不同的分類。單從技術角度來看，低壓變頻器的控制方式也在一定程度上表明了它的技術流派。我們在此分析了以下幾種控制方式：
正弦脈寬調製（SPWM） 其特點是控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業的各個領域得到廣泛套用。但是，這種控制方式在低頻時，由於輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態轉矩能力和靜態調速性能都還不盡如人意，且系統性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩回響慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調速。 但是此種控制方式也是目前變頻器普遍使用的控制方式之一。也是目前國產品牌使用最多的控制方式之一。
電壓空間矢量（SVPWM） 它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調製波形，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經實踐使用後又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環，以提高動態的精度和穩定度。但控制電路環節較多，且沒有引入轉矩的調節，所以系統性能沒有得到根本改善。由於眾多國產變頻器在矢量控制上還與國外品牌有一定差距，因此SVPWM控制方式在國內的變頻器矢量控制方式中比較常見。
矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1（Im1相當於直流電動機的勵磁電流；It1相當於與轉矩成正比的電樞電流），然後模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現對異步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然後分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現正交或解耦控制。使用矢量控制，可以使電機在低速,如（無速度感測器時）1Hz（對4極電機，其轉速大約為30r/min）時的輸出轉矩可以達到電機在50Hz供電輸出的轉矩（最大約為額定轉矩的150%）。對於常規的V/F控制，電機的電壓降隨著電機速度的降低而相對增加，這就導致由於勵磁不足，而使電機不能獲得足夠的旋轉力。為了補償這個不足，變頻器中需要通過提高電壓，來補償電機速度降低而引起的電壓降。這個功能即為轉矩提升。轉矩提升功能提高變頻器的輸出電壓。然而即使提高很多輸出電壓，電機轉矩並不能和其電流相對應的提高。 因為電機電流包含電機產生的轉矩分量和其它分量（如勵磁分量）。矢量控制則把電機的電流值進行分配，從而確定產生轉矩的電機電流分量和其它電流分量（如勵磁分量）的數值。矢量控制可以通過對電機端的電壓降的回響，進行最佳化補償，在不增加電流的情況下，允許電機產出大的轉矩。此功能對改善電機低速時溫升也有效。矢量控制方式也因此成為國外品牌占領高端市場的一個重要的優勢。
直接轉矩控制（DTC）方式 該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，並以新穎的控制思想、簡潔明了的系統結構、優良的動靜態性能得到了迅速發展。目前，該技術已成功地套用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。 直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多複雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。ABB公司的ACS800系列即採用這種控制方式。
矩陣式交—交控制方式VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交—交變頻應運而生。由於矩陣式交—交變頻省去了中間直流環節，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現功率因數為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統的功率密度大。該技術目前尚未成熟，其實質不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來實現的。矩陣式交—交變頻具有快速的轉矩回響（<2ms），很高的速度精度（±2%，無PG反饋），高轉矩精度（<+3%）；同時還具有較高的起動轉矩及高轉矩精度，尤其在低速時（包括0速度時），可輸出150%～200%轉矩。
節能原理
變頻節能
變頻器節能主要表現在風機、水泵的套用上。為了保證生產的可靠性，各種生產機械在設計配用動力驅動時，都留有一定的富餘量。當電機不能在滿負荷下運行時，除達到動力驅動要求外，多餘的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。風機、泵類等設備傳統的調速方法是通過調節入口或出口的擋板、閥門開度來調節給風量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當使用變頻調速時，如果流量要求減小，通過降低泵或風機的轉速即可滿足要求。
由流體力學可知，P（功率）=Q（流量）×H（壓力），流量Q與轉速N的一次方成正比，壓力H與轉速N的平方成正比，功率P與轉速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當要求調節流量下降時，轉速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關係下降。即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關係。所隊當所要求的流量Q減少時，可調節變頻器輸出頻率使電動機轉速n按比例降低。這時，電動機的功率P將按三次方關係大幅度地降低，比調節擋板、閥門節能40%一50%，從而達到節電的目的。
例如：一台離心泵電機功率為55千瓦，當轉速下降到原轉速的4/5時，其耗電量為28.16千瓦，省電48.8%，當轉速下降到原轉速的l/2時，其耗電量為6.875千瓦，省電87.5%。
功率因數補償節能
無功功率不但增加線損和設備的發熱，更主要的是功率因數的降低導致電網有功功率的降低，大量的無功電能消耗線上路當中，設備使用效率低下，浪費嚴重，使用變頻調速裝置後，由於變頻器內部濾波電容的作用，從而減少了無功損耗，增加了電網的有功功率。
軟啟動節能
電機硬啟動對電網造成嚴重的衝擊，而且還會對電網容量要求過高，啟動時產生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節能裝置後，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網的衝擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命。節省了設備的維護費用。
套用領域
在套用領域而言，變頻器在我國各行各業均已得到套用，如冶金、化工、造紙、機械等行業。具體套用更廣泛，小型的套用如各行各業的鼓風機、輸送機、給料機、攪拌機、研磨機、粉碎機、切紙機、壓延機、擠壓機、閥門、壓縮機、冷卻踏、塑膠機械、電梯、各種紡織行業等；大型的套用領域如造紙廠的造紙機、模具廠的注塑機、冶金廠的軋鋼機、以及化工等行業的風機、水泵、起重機、輸油管道等。
化工、石材、紡織行業變頻器的運用差異性大，各種檔次的產品在這些行業都能發現對應的用戶，因此化工、石材、紡織行業是變頻器品牌最複雜的行業，幾乎所有的品牌在化工、石材、紡織行業都有市場。低壓變頻器常見套用領域如下：
1、風機
隨著工業的不斷發展，風機的套用越來越廣泛，尤其是在化工、石材、紡織行業能套用到風機的方面很多。而在風機設計時普遍存在過風量問題，在風量需要調節時普遍採用節流，即風門調節方式，而這都是不必要的損耗，使用變頻調速後，可根據實際需要方便地調節，由於去除了不必要的損耗，同時提高了功率因素，其綜合節電率都在30%以上。
2、調速機械
需要調速的機械中如：擠壓機、物料進給調節、傳送帶等基本上採用滑差調節電機，三相整流子電機或直流電機調速，調速電機的速度調節性能不好，轉速穩定性差，故障率高，效率低。而直流電機和整流子電機結構複雜，故障率高，維修費用高，其工作時會產生火花，極不安全。以上這些電機調速穩定性差，如用異步電機加變頻調速器替代以上這類電機，可大大提高效率，省電，維修量小，安全，可靠，投資回報期短，對提高企業經濟效益極為有利。
套用情況
目前孤東採油廠在用各種變頻器達到480餘台，其中三采中心270餘台，採油一礦45台，採油二礦13台，採油三礦22台，採油四礦43台，新灘試採礦57台，集輸大隊27台。主要有美國的ABB、羅賓康，日本的富士、安川、三肯、東芝和日立，德國的西門子。目前國產變頻在控制技術和功能上，已取得了顯著的進步和成就，所以近兩年來油廠國產變頻器的數量正逐步提高，主要有春日、森蘭和煙臺惠豐等品牌。
主要問題
孤東採油廠技術質量監督站自2005年開展了變頻器維修工作，先後組織了現場維修150台次，總功率達到5800千瓦。從維修情況來看，變頻器發生故障或損壞的特徵，一般可分為兩類：一種是在運行中頻繁出現的自動停機現象，並伴隨著一定的故障顯示代碼，其處理措施可根據隨機說明書上提供的指導方法，進行處理和解決。這類故障一般是由於變頻器運行參數設定不合適，或外部工況、條件不滿足變頻器使用要求所產生的一種保護動作現象；另一類是由於使用環境惡劣，高溫、導電粉塵引起的短路、潮濕引起的絕緣降低或擊穿等突發故障（嚴重時，會出現打火、爆炸等異常現象）。 具體表現為：
主控電路故障
主要包括主機板，電源板，逆變器、濾波電容等主控電路損壞。
冷卻直流風扇故障
風扇屬於易損件，工作壽命在2—5年，但是因為變頻器種類繁多，功率大小不同所以內部直流風扇額定電流不同而不通用，部分風扇損壞後因為缺乏備件無法及時更換。
外圍控制器件故障
變頻櫃內變頻器本身無故障，但外部控制電路系統發生故障。由於使用年限較長，且控制電路又比較複雜，既沒有電路圖，又沒有線號，線路多而且複雜，給維修造成不便。
散熱不良
變頻櫃設計不合理，內部過於狹窄，散熱通風效果差，導致散熱不良。部分變頻器工作環境比較惡劣，風沙及塵土集聚較多，嚴重影響了變頻器的正常運行，甚至造成停機故障。變頻櫃散熱導流風扇屬於易損件，壽命一般在2年左右，但是大部分變頻櫃散熱風扇損壞後，沒有及時更換，造成散熱不良，造成變頻器工作穩定性差、老化加劇、過熱報警頻發等現象發生。
日常維護工作跟不上
變頻器日常維護工作跟不上。操作人員對變頻路基本操作及一些基本參數設定不了解，使用過程中不能及時發現問題。
“小馬拉大車”問題
“小馬拉大車”問題。由於當時投產設計時的工作條件下限制，設計安裝時為節省資金，許多地方都有採用了變頻功率小於電機額定功率，但隨著工藝生產條件的變化，出現“小馬拉大車”問題，造成變頻器不能正常運行。如一號聯水外輸、三號聯提升和KDl8號站注水等。
故障原因
由於使用方法不正確或設定環境不合理，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。為防患於未然，事先對故障原因進行認真分析顯得尤為重要。變頻器在正常使用6—10年後，就進入故障的高發期，經常會出現元器件燒壞、失效、保護功能頻繁動作等故障現象，嚴重影響其正常運行。
外部的電磁感應干擾易造成故障
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，引起控制迴路誤動作，造成工作不正常或停機，嚴重時甚至損壞變頻器。在外部採取噪聲抑制措施，消除干擾源顯得非常必要。具體解決辦法有：一是儘量縮短控制迴路的配線距離，並使其與主線路分離；二是變頻器接地端子應按規定進行，不能同電焊、動力接地混用；三是變頻器輸入端安裝噪聲濾波器，避免由電源進線引入干擾。
環境問題造成的故障
變頻器屬於電子器件裝置，在其規格書中有詳細安裝使用環境的要求。振動是對電子器件造成機械損傷的主要原因，對於振動衝擊較大的場合，應採用橡膠等避振措施；潮濕、腐蝕性氣體及塵埃等將造成電子器件生鏽、接觸不良、絕緣降低而形成短路；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，應根據裝置要求的環境條件安裝空調或避免日光直射。
定期檢查變頻器的空氣濾清器及冷卻風扇是非常必要的。目前採油廠在用變頻器的冷卻風扇損壞比較嚴重，而且部分變頻工作環境比較差，嚴重影響散熱及空氣流通，導致變頻器在高溫季節易跳閘、過熱報警。
參數設定及設備引起的故障
故障主要發生在注聚泵用低壓變頻器，故障主要表現為起動時並不立即跳閘，而是在運行過程中跳閘。可能的原因有：
（1）泵工作狀態不穩定；
（2）管線壓力過大；
（3）升速時間設定太短；
（4）降速時間設定太短；
（5）轉矩補償設定較大；
（6）引起低速時空載電流過大；
（7）電子熱繼電器整定不當，動作電流設定得太小、引起誤動作。
主機板及主電路的故障
由於使用年限較長和一些突發原因，而造成主機板及主電路損林，此類故障發生必然造成元器件的損壞和報廢，是變頻器維修費用的主要消耗部分。主要有：
（1）整流塊的損壞；
（2）充電電阻損壞；
（3）逆變器模組燒壞；
（4）濾波電容的損壞；
（5）主機板、電源板損壞。
維護不當造成的故障
大部分變頻器過熱報警故障，除了冷卻系統風扇損壞的原因外，還有一個主要原因，就是日常維護的缺乏，變頻器散熱器灰塵積攢嚴重，影響散熱。
故障處理
使用變頻器之前，要對 變頻器參數時從以下幾個方面進行：
第一，確認電機參數，變頻器在參數中設定電機的功率、電流、電壓、轉速、 最大頻率，這些參數可以從電機銘牌中直接得到。
第二，變頻器採取的控制方式，即速度控制、轉距控制、PID 控制或其他方 式。
第三，設定變頻器的啟動方式。
第四，給定信號的選擇。
一旦發生了參數設定類故障後，變頻器都不能正常運行，一般可根據說明 書進行修改參數。如果以上不行，最好是能夠把所有參數恢復出廠值，然後按上述步驟重新設定，對於每一個公司的變頻器其參數恢複方式也不相同。
變頻器的過電壓集中表現在直流母線的支流電壓上。正常情況下，變頻器直 流電為三相全波整流後的平均值。因此，變頻器來說，都有一個正常的工作電壓範圍，當電壓超過這個範圍時很可能損壞變頻器。
輸入電壓超過正常範圍指一般發生在節假日負載較輕， 電壓升高或降低而線 路出現故障，此時最好斷開電源，檢查、處理。
出現機率較高的故障主要是電機的同步轉速比實際轉速還高， 使電動機處於 發電狀態，而變頻器又沒有安裝制動單元，有兩起情況可以引起這一故障。
第一， 當變頻器拖動大慣性負載時， 其減速時間設的比較小， 在減速過程中， 變頻器輸出的速度比較快，而負載靠本身阻力減速比較慢，使負載拖動電動機的 轉速比變頻器輸出的頻率所對應的轉速還要高，電動機處於發電狀態，而變頻器 沒有能量回饋單元， 因而變頻器支流直流迴路電壓升高，超出保護值， 出現故障， 而紙機中經常發生在乾燥部分， 處理這種故障可以增加再生制動單元，或者修改 變頻器參數，把變頻器減速時間設的長一些。
第二，多個電動施動同一個負載時，也可能出現這一故障，主要由於沒有負 荷分配引起的。 以兩台電動機拖動一個負載為例，當一台電動機的實際轉速大於另一台電動機的同步轉速時， 則轉速高的電動機相當於原動機，轉速低的處於發 電狀態，引起故障。在紙機經常發生在榨部及網部，處理時需加負荷分配控制。 可以把處於紙機傳動速度鏈分支的變頻器特性調節軟一些。
過流故障可分為加速、減速、恆速過電流。其可能是由於變頻器的加減速時 間太短、負載發生突變、負荷分配不均，輸出短路等原因引起的。這時一般可通過延長加減速時間、減少負荷的突變、外加能耗制動元件、進行負荷分配設計、 對線路進行檢查。 如果斷開負載變頻器還是過流故障， 說明變頻器逆變電路已環， 需要更換變頻器。
過載故障包括變頻過載和電機器過載。其可能是加速時間太短，直流制動量 過大、電網電壓太低、負載過重等原因引起的。一般可通過延長加速時間、延長制動時間、檢查電網電壓等。負載過重，所選的電機和變頻器不能拖動該負載， 也可能是由於機械潤滑不好引起。如前者則必須更換大功率的電機和變頻器;如 後者則要對生產機械進行檢修。
如果變頻器欠壓。 說明變頻器電源輸入部分有問題，需檢查後才可以運行。 如果變頻器溫度過高。如電動機有溫度檢測裝置，檢查電動機的散熱情況;變頻 器溫度過高，檢查變頻器的通風情況。 對於其他情況，如硬體故障，通訊故障 等，可以同供應商聯繫。
故障現象:某變頻器在運行中突然發生跳閘現象，操作人員立即進行復位， 並使變頻器再次運行，大約運行 5min 以後，又發生跳閘，復位，運行多次，觸 摸面板均顯示為 FL 代碼。故障分析：由於觸摸面板均顯示為 FL 代碼，顯然是主 器件自保護工作了，主器件自保護診斷內容為短路、接地、過電流、散熱器過熱等。因此，我們用兆歐表對負載側進行檢測，未有短路、接地現象。檢查機組運 轉聲音、振動均正常，並且運轉靈活，無卡滯現象。在工藝條件不變的情況下， 不會造成超載，因此， 過電流亦不可能。 排隊上述故障後， 餘下可能是過熱故障。 仔細檢查內部冷卻風扇， 發現頂部一隻冷卻風扇已不在運轉。 檢查時要特別留心， 由於底部冷卻風扇在運行，頂部風扇也有可能被風帶動，因而頂部風扇的運轉情 況要仔細分析檢查。此時應該更換風扇。
幾點建議
l、規範變頻設備進入渠道，建立準入制度。
目前孤東採油廠變頻器品種繁多，各種變頻器之間器件並不通用，造成了備料困難，增加了成本利維修的難度，因此建議規範變頻設備進入渠道，建立市場準入制度減少引進變頻器的品牌種類，降低後期維護、維修成本。
（1）限定品牌範圍
限定品牌範圍，如近年來在孤東採油廠內出觀故障率低，運行可靠的某些品牌。建議規範為富士、ABB、森蘭等品牌。
（2）規範引入渠道
規範引入渠道，對引入設備的廠家技術力量售後服務進行考察，對新引入變頻設備驗收時要求資料配備完整，包括線路圖、說明書等，便於以後出現故障進行維護。
2、建立變頻器日常保養制度
對變順器的管理進行規範，由專人負責對變頻設備進行日常維護保養。日常維護保養的具體內容可以分為：
（1）運行數據記錄，故障記錄：
定期測量變頻器及電機的遠行數據，包括變頻器輸出頻率，輸出電流，輸出電壓，變頻器內部直流電壓，散熱器溫度等參數。與合理數據對照比較，以利於早日發現故障隱患。變頻器如發生故障跳閘，務必記錄故障代碼和跳閘時變頻器的運行工況，以便具體分祈故障原因。
（2）變頻器日常檢查：
每兩周進行一次，檢查記錄運行中的變頻器輸出三相電壓，並注意比較它們之間的平衡度；檢查記錄變頻器的三相輸出電流，並注意比較它們之間的平衡度；檢查記錄環境溫度，散熱器溫度；察看變頻器有無異常振動，聲響，風扇是否運轉正常。
（3）變頻器保養：
每台變頻器每季度需要清灰保養1次。保養要清除變頻器內部和風路內的積灰、髒物，將變頻器表面擦拭乾淨，變頻器面板要保持清潔光亮；在保養的同時要仔細檢查變頻器，察看變頻器內有無發熱變色部位，阻尼電阻有無開裂現象，電解電容有無膨脹漏液防爆孔突出等現象，PCB板有否異常，有沒有發熱燒黃部位。
3、加強培訓
（1）對變頻設備操作、管理人員進行基礎培訓，掌握變頻器日常維護保養的知識以及了解基本參數的設定。
（2）對變頻器維修人員進行系統的培訓，以便今後更好地開展維修工作。
起重機業套用
起重機械按照特點分類：輕小型起重機械、起重葫蘆、懸掛羊軌系統、橋架型起重機及橋式起重機、門式起重機、半門式起重機、臂架型起重機、流動式起重機、塔式起重機、門座起重機和其它起重機械。
在起重機械行業，變頻器套用最大的市場是港口機械，港口機械是自動化程度最高的細分行業，在大型的岸橋上，一套變頻器由5-6台變頻器組成;其次是通用橋架型起重機市場，雖然通用橋架式起重機的套用比例不是很高，但台量基數大;再次為塔機市場，主要是中大型塔機上套用，出口的塔機套用比例較高;另外，冶金起重機所占比例也不小;施工升降機及立體停車設備的市場份額目前還尚小。
起重機採用變頻器驅動後使整機性能有較大提高，如效率高、功率因數好、節能效果顯著;外部配線簡單、配線費用下降;可無級調速、行走平滑穩定;電動機構造簡單、可靠性高，能在惡劣環境下使用，大大減少了維修工作量和易損部件，極大地改善了維護性能;變頻器自身保護功能齊全，如過流、過載、過壓等都能及時報警及停止，減少了起重機故障，提高了安全性能。同時，變頻器具有限流作用，軟起動可以減少起動時對電網的衝擊，有利於車間內其它設備正常運行。
