1、变频器的调试与维修 变频器的调试与维修 山东新风光电子科技发展有限公司 周加胜引言：变频器自上世纪90年代进入中国市场，经过近二十多年的发展，随着国家节能减排政策的不断推进，已日益称为各行各业不可缺少的调速产品，在改善生产工艺、提高生产效率、推进生产的自动化运行、节能降耗方面呈现出巨大的优势，在工矿企业、塑料制品、水利电力、学校及事业单位等各方面应用日益普及，可以这样说，只要用电机的地方，几乎随处都可看到变频器的身影，已日益成为交流电机的姊妹产品，发挥着越来越大的作用。但是，变频器毕竟是一个技术含量比较高的科技产品，在应用中，由于各个企事业单位的电工或设备维护人员对这一产品的认识还有一段距离，
2、对这一产品还不可能象普通的工频控制柜那样比较熟练的进行应用、维修或维护，加之国产变频器在器件选型、产品设计、安装调试过程中也存在着一定的局限性，也不可避免的会产生这样或那样的问题，虽然是一个好产品，正像其他的设备一样，应用好了会带来良好的经济效益，若应用不好，也同样会带来副作用，甚至会出现相反的结果，导致设备不能正常运行，影响生产和工艺，给企事业的生产和人民生活造成损失，酿成很坏的影响。笔者从上世纪90年代后期，从事变频器的安装、调试及维修工作，在10多年的工作中，积累了丰富的经验，其中也不乏比较深刻的教训，因此，我想从这一期开始，将自己在工作中遇到的问题及解决的方法，运用变频器的工作原理，结
3、合具体的应用实例，探讨一下变频器在应用过程中所应注意的问题，在安装、调试、维修工作中的基本方法，以期与广大的同行及朋友、各位老师尤其是变频器的使用者进行比较有益的交流，帮助大家尽快的掌握变频器的基本工作原理，安装、调试方法，基本的维修维护要领，把这一产品尽快的应用到实际工作中，发挥她本身应有的工作效能，服务于各行各业的人民的生产生活中。第一讲、对变频器的基本认识1、首先我们要了解变频调速的定义。所谓变频器，就是通过调节频率实现电机调速的装置。由电动机的转速公式知道：n=60f/P*(1-s)可知当电机的极对数p、转差率s不变时，改变电源的供电频率f，就可以平滑的改变电机的转速，即：n=Kf，n
4、与f成正比，这就是改变频率可以平滑改变电机转速的原理。但是就是这样一个普通的道理，制造变频器却经过了一百多年的时间，科技人员在三相交流异步电动机问世的同时，就积极研究变频调速的问题，由于大功率开关器件的制约，加之控制器件的局限性，经过了一个世纪的艰苦的研制与探索，在上世纪7080年代才有了初步的成果，并经过近20多年的发展，才具备了今天的成就。在改变频率实现调速的过程中，有一个必须解决的问题，就是在调频的同时，必须进行调压，即调节电机输入端的电压。对于异步交流电机，变频器输出电压与频率以及气空隙磁通存在以下对应关系：U=4.44fs*Ns*Ks* 式中， N s 为定子每相绕组串联匝数； Ks
5、 为基波绕组系数；为电机气隙中每极合成磁通。在变频器调速过程中，要保证磁通恒定，因为对于电动机而言，磁通太大，电机绕组容易饱和，严重时会烧毁电机，磁通太弱，电机力矩就会不足，电机在重载下就会启动不了，难以正常运转。从上式来看，在调频的过程中，4.44、Ns、Ks都是常数，要保证磁通恒定，在改变频率fs的同时，必须同时改变电压U，即保证U/fs=K，K为常数，这就是变频同时变压的原理，也即恒V/f控制。2、基本工作原理: 图1、变频器基本电路如图1所示是变频器最基本的主回路图，三相交流380V/50Hz的工频电源，经三相全波整流后，变成脉动的直流，再经过大电解电容平滑滤波后，变成比较平稳的直流电
6、源，经过IGBT开关管的控制，逆变成频率和电压都可以调节的交流电，供电机运行。而由直流变成交流的逆变环节，是变频器的核心控制部分。当然随着变频器的发展，为了适应现场电机及电源电压的要求，又派生出变频器的许多不同品类，如：为了适应大功率电机的需要，采用IGBT模块、整流模块直接并联或单元并联的方式，产生低压大功率变频器。为了适应电压升高的需要，产生了中压变频器，采用整流模块、IGBT模块直接串联，采用三电平、五电平、七电平等主回路方式，使输出波形及电源谐波尽量满足现场需要。对于高压大功率变频器，现在主要采用美国罗宾康公司的单元串联完美无谐波的主电路及控制电路的方式进行控制，实现用低压配件进行高压
7、控制的目的。为了适应控制方式的需要，又在V/f控制的基础上，研发了矢量控制、直接转矩控制等多种控制方式。这些都是普通变频器的派生产品。3、变频器的分类变频器的分类方式有很多种。首先按有无中间直流环节分为交-交型和交-直-交型。交交变频一般采用晶闸管控制，但调频效率低，范围窄，一般在0-25Hz的范围内，多用在大型的轧钢机设备上。交直交变频器应用很广泛，现在的通用变频器基本都采用这种控制方式，又根据中间直流环节的不同，分为电压型和电流型变频器，电压型采用的是电解电容滤波，而电流型采用的是电感滤波，由于电流型制作较困难，不太常用，所以现在通用变频器大部分都是电压型交直交变频器。变频器根据电压等级，
8、可分为低、中、高压变频器，现在市场上低压、高压变频器比较常见，应用场合多，中压一般在油田、矿山等比较特殊的场合用。国内和国外的分类方式稍有区别，咱们国产的一般将1000V以下的称为低压，1000-6000V的称为中压，而6000V以上的称为高压，国外的低压与我们一致，而中压指的是1000-10000V的等级，高压是指10000V以上的电压等级。目前的高压变频器大都做到10KV一下的电压等级，10KV以上的比较少见。从主电路的结构上分类，低压大功率变频器大都采用模块直接并联的方式提高功率，也有采用单元并联的方式，如图2所示。 图2、单元并联模块并联体积小，易于装配，但不易扩充余量。单元并联余量大
9、，但装配困难，体积大，且需要单元并接的均流电抗器进行强制均流，附件较多，设备体积较庞大。中、高压变频器也分为模块串联式和单元串联式两种。模块串联式分为三电平、五电平、七电平等结构，比较常见的是三电平，如图3所示。图3、三电平电路多用在中压（1000-3000V）等级上，且技术相对比较成熟，已有许多产品应用于油田、矿山等大多数设备上。五电平和七电平用在高压上，但不太常见，只是个别厂家有试验性产品在用户中应用。这种产品用于高压电机场合，由于控制方式比较困难，主要是故障状态下，难于处理，即一旦出现故障，只有全部退出运行，转投工频，在高压设备比较重要的生产场合，不太实用，因高压设备都是工矿企业比较大型
10、的设备，一旦停运，将会对生产造成重大的影响，因此实用性不大，除非设备做得相当可靠，技术相当成熟，不太容易出现故障，线路结构也太复杂。现在高压大功率变频器比较成熟的是多单元串联式变频器，如图4所示。 图4、高压变频器系统该设备采用美国罗宾康完美无谐波变频器技术，采用低压比较成熟的技术，用低压单元串联形成高压输出，前端采用移相变压器，通过绕组的相位角的控制，消除了变频器产生的谐波对电网的影响，后级采用载波移相技术，通过波形的叠加，消除了输出谐波对电机的影响，所以被称为完美无谐波变频器。这种变频器最大的优势还在于在变频器出现故障时可以比较容易的进行相关的处理，在个别单元出现问题时，采用单元旁路或星点
11、飘移技术，在对生产造成不太大的影响的情况下，暂时降额运行，避免了设备停机造成的损失，因此深受用户的青睐。这种设备在我国应用的最多，技术比较成熟，是一种相当普及的产品。这些都是从主电路对变频器的分类。从控制技术上来说，变频器又可分为恒压/频比控制、无反馈矢量控制和有反馈矢量控制、直接转矩控制、载波移相控制等多种。载波移相控制一般用在高压变频器上，中压变频器一般采用恒压/频比控制，而直接转矩控制和矢量控制应用在低压变频器上，由于低压变频器相对成熟，已可做到与直流电动机调速相比美的程度。直接转矩控制在芬兰ABB变频器上应用相对成熟。变频器的分类可大体总结如下表。 图5、变频器的分类总之，变频器的分类
12、比较复杂，由于现在还没有比较成熟的行业标准，各个厂家、工程技术人员开发产品的思路不同，造成了变频器百花齐放、百家争鸣的格局，控制方式存在不同，主回路结构不同，所以也给变频器的维修、维护带来了一定的困难。第二讲、变频器的安装与调试变频器的安装与调试是一个较复杂的课题。由于变频器的品牌众多，电路形式千差万别，因此在安装与调试时也就有所不同，在这里，我们以山东新风光电子科技发展有限公司生产的风光牌变频器为例加以探讨，附带说一下其他品牌的变频器。风光牌变频器有一个最显著的特点，就是变频器在主电路不通电的情况下，只给控制电路通电，就可以检测变频器的工作状态，检测主控板、驱动板及IGBT的工作点是否正常，
13、从而可以模拟变频器正常工作时的波形，判断变频器工作正常后，再在主电路通电，使变频器进入正常工作状况，带电机及负载运行。这为变频器的调试及维修带来了极大的便利，可以在主电路不带电或带较小的电压下，判断变频器各处的连线是否正确，器件工作是否正常，是否在其合适的工作范围内等，其他类变频器很少有该功能，所以在调试尤其是维修时不太容易，需要仔细的检查连线，判断器件，也只能是在静态下检测，是否正常，上电时要注意，也有可能造成二次损坏，因为检测并不全面。正象其他的电器设备或装置一样，变频器作为一种电力电子设备，同样有其严格的使用条件和应用场合，任何违反产品使用规范的安装及使用，都将是非法的，不可避免的会带来
14、设备及人、财、物的损失。1、变频器的使用环境及注意事项A、变频器要求的工作环境(1)工作环境温度10+40，工作环境的变化应不大于5h。(2)相对湿度:空气的最大相对湿度不超过90%，每小时相对湿度的变化率不超过5%且不得出现凝露。(3)运行地点无导电或爆炸尘埃，无腐蚀金属或破坏绝缘的气体或蒸汽。(4)变频器安装地点所允许的振动条件:振动频率10150hz，振动加速度不大于5m/s2，当变频器由于安装台基振动可能产生共振时，应对变频器采取减振措施，以避开共振频率。(5)交流输入电源电压持续波动不超过20%。频率波动不超过2%，频率变化每秒不超过1%。三相电压的不平衡度:负序分量不超过正序分量的
15、5%;电源谐波成分:电压相对谐波含量的均方根值不超过10%。(6)海拔高度:不超过1000m。B、注意事项(1)非专业人员不可开盖开柜门使用或检测;(2)变频器出厂前已作过耐压试验，用户不可也没有必要再对变频器进行耐压试验;(3)电动机上不可并接改善功率因数用的大电容;(4)外壳可靠接地;(5)不可将三相输入改成两相输入，否则会出现缺相保护;(6)低频运行时要考虑电动机自带风扇效果，润滑效果情况，高频运行时要考虑轴承的承受能力。 这些阐述了变频器安装的最基本的规则。要深刻理解和熟悉这些规则。C、安装前的准备工作要安装好一台变频器，使它能正常的运行，达到技术及工艺要求，除了满足上述基本规则外，还
16、应注意以下几点:(1)安装前首先要熟悉和掌握生产工艺及技术要求，弄清楚其负载状况，了解变频器在系统中的作用和地位，是要求节能，还是改进生产工艺，还是二者兼之。某些场合并没有节能空间，而硬要求变频器节能，这是不妥当的。(2)变频器带的负载从电气方面而言首先是电机，因此安装前首先要对现场的电机有比较清楚的理解，包括额定电压、额定电流、电机极数、额定功率等，安装的变频器必须与之相匹配，有些特殊场合，如负荷较重、海拔超过1000m(即超过标准海拔高度)、煤矿提升机变频器等，变频器要比负载电机高出一个甚至两个功率等级，一般不允许变频器比负载电机功率等级低，以免变频器超负荷运行而带不动或经常过载保护，造成
17、不必要的麻烦。(3)电机的电气绝缘安装前必须进行检测。绝缘不好的电机不能安装变频器。因为变频器虽然设有短路保护，但瞬间的接地也可能造成某些变频器的损坏。(4)安装前应仔细阅读变频器的使用说明书，结合现场工艺要设置哪几个参数，参数的设置方法等，要熟练掌握。(5)对于某些场合，特别是要求自动控制的而需要附属配件的，如供水用的压力表、传感器、压力变送器及一些配套设施，如pid调节仪、温控仪、定时钟等，有些还需要远控装置，也要熟练掌握。以期能快速的安装、调试到位。(6)要严格按照变频器的使用说明书进行配线，包括主线和控制线，某些情况只能高于说明书要求的规格而不能低于。需要压接接线鼻的地方，要严格按要求
18、压接，规格和工艺要符合标准。(7)在现代工业控制比较复杂的情况下，还要考虑电磁兼容性问题，要考虑变频器的干扰与抗干扰，必要时加装电磁滤波装置。有些场合电机距离变频器可能较远，要考虑加装输出电抗器及滤波器。(8)对于位能负载，如煤矿主井绞车、提升机、电梯类，由于存在再生发电状态，要考虑加装制动单元和配套的制动电阻，防止变频器过压保护或损坏。 以上这些问题都是我们在安装变频器之前要了解和掌握的，不熟悉这些内容，就可能造成变频器的安装或调试不顺利或根本不成功，造成设备损坏或不能正常使用，这是我们要切记的。下面我们就变频器的安装、调试，根据变频器高、中、低压几个方面分别阐述。第一、低压变频器的安装与调
19、试低压变频器由于所带的负载种类繁多，类型千差万别。因此安装调试相应的也有较大的区别。低压负载从使用变频器的角度来说大体可分为有惯量和无惯量两种，有惯量负载最显著的特征就是在快速停机时存在发电状态，如何处理这部分能量将是关乎变频器是否正常运行的关键。1、安装变频器初次安装或长期放置后使用，应先对其进行全面的检查。方法如下:(1)外观检查，检查有无碰伤损坏，金属部分有无锈蚀，有无结霜凝露。若有结霜凝露，则应烘干4小时(60)，或在室温下通风放置24小时。(2)对于小功率变频器，轻轻翻动机箱，注意机箱内有无异常声音，若有异常声音，则应打开机箱，寻找并排除其中的异物。(3)功率比较大的变频器，则应打开
20、外壳，检查一下在运输或储存过程中有无掉下的线头或颠簸松动的螺栓，若有应重新焊接或紧固。这里要注意几点:变频器的安装应符合前面要求的工作环境。变频器有壁挂式的，有柜式的，一定要安装稳固，保证工作过程中的安全性。为了通风散热的需要，变频器一定要垂直安装。如图6、7所示。 图6单台变频器的安装（a)柜外冷却方式 (b)柜内冷却方式图7、单台变频器的柜式安装对于柜式结构，为了工作人员便于操作和散热的要求，周边要留有足够的空间:前面间距不小于1.5m，后面和侧面不小于1m。对于壁挂式的，变频器周围也应留有足够的散热空间，变频器的上部距离房间顶部至少1m，下部距地面也至少要1m的距离，才能使变频器通风顺畅
21、，保证可靠的运行。有的房间密封比较严，要配合用户安装排风扇或空调。有些场合环境比较脏、潮湿，要注意采取隔离措施，防尘、防潮。当一台控制柜内装有两台或两台以上变频器时，应尽量并排安装(横向排列)。如必须采用纵向排列时，则应在两台变频器间加一块搁板，以避免下面变频器出来的热风进入到上面的变频器内。如图8所示。(a)横向排列 ( b)纵向排列图8两台变频器的柜式安装2、主电路的接线2.1.基本接线主线的安装比较简单。将电源线接在变频器的输入(或标记有R、S、T的)端子上，将电机线接在变频器的输出(或标记有U、V、W的)端子上，并将变频器的接地端子通过地线可靠接地。如图9所示。图9主电路的基本接线注意
22、:(1)变频器的输入端和输出端绝对不允许接错。万一将电源进线错误的接到了输出端上，则不论哪个逆变管导通，都将引起两相间的短路而将逆变管迅速烧坏。如图10所示。图10电源接错的后果(2)前面的断路器一般是需要安装的，主要是分断电路用。当变频器出现故障时，尤其是整流电路或主电路损坏时，大电流能及时使断路器跳闸，与网电的其他电路脱开，避免影响其他电路。(3)线头压接要可靠。一般使用容量相当的接线鼻压接。一定要压紧，避免大电流长期运行出现过热而烧毁接线或端子。2.2线径的选择一般按电动机的接线要求的线径选择，特殊场合要选大一规格的，尤其是电机距离变频器较远的，本着宜大不宜小的原则选配。2.3接地每台变
23、频器都有一个专门的接地端子“E”或“”，用户应将此端子与大地可靠连接。当变频器和其他设备，或有多台变频器一起接地时，每台设备都必须分别和地线相接，不允许将一台设备的接地端与另一台设备的接地端相接后再接地。如图11所示。(a)正确接法 (b)错误接法图11变频器和其他设备的接地3.控制电路的接线变频器主接线完成后，变频器可以运行。但一般情况下，由于控制及监测的方便，都需要将变频器的操作及显示部分引到方便的地方。有的是现场环境较差，变频器不宜安装，而安装于环境较好的配电室内，而将控制部分引到现场。有的如提升机变频器，控制部分需要与原系统对接，也需要将控制线引出。控制线分模拟量和数字量。3.1模拟量
24、主要包括:输入侧的给定信号线和反馈信号线;输出侧的频率信号线和电流信号线。模拟量信号线的抗干扰能力差，必须使用屏蔽线。屏蔽层的靠近变频器的一端，应接控制电路的公共端，但不要接到变频器的地端(E)或大地，屏蔽层的另一端应该悬空，如图12所示。图12屏蔽线的接法 布线的原则应当遵守: (1)尽量远离主电路100mm以上。 (2)尽量不和主电路交叉。必须交叉时，应采取垂直交叉的方式。3.2开关量。如启停、点动、多档转速控制等的控制线，都是开关量控制线。一般说来，模拟量控制线的接线原则也都适用于开关量控制线。但开关量的抗干扰能力强，故在距离不很远时，允许使用非屏蔽线，但同一信号的两根线必须互相绞在一起
25、。4.调试变频器的调试并没有固定的模式，大体上可分为“先空载，继轻载，再重载”几个步骤。4.1空载检查及参数预置风光变频器可以在不接通主电源，而只接控制电源的情况下，检查变频器。而其他类变频器则没有这个方便。小功率变频器可以把主接线端子排上的短路片去掉，给三相输入送380v的电源，大功率变频器一般都有控制电压输入端子，可从这儿用一两芯电缆接人380v单相电源检查变频器(注意:接之前应将两端子上与三相输入相连的两根线去掉)，参照说明书，熟悉各个键盘的使用及参数的设置方法。熟悉完后，变频器开机，频率升至50Hz,用万用表(最好用指针式)测量三相输出，电压应该完全平衡。对于大功率变频器，采用IGBT
26、模块直接并联的，在输出端可能检测不到电压，这时可以在变频器的正负母线上加一个低直流电压，如可以从变频器本身带的开关电源的+、-35V的上取，正的接在正母线上，负的接在负母线上，千万不要接错，这样开机后可在输出上检测到输出电压，若输出不平衡，应停电检查，排除故障。正常后，将该接线去掉恢复原状。检查完后，停电，小功率的将拆下的短路片上回原处(注意上之前主回路上短路片的两个端子要放电)。大功率的应将控制端子的两根外接线去掉，并将原来的接线恢复。变频器的三相输出先不接电机线，给变频器的三相输入通入380v的电源，观察变频器空载运行情况。其他类变频器也可按这个步骤进行。 (1)熟悉键盘，即了解键盘上各键
27、的功能，进行试操作，并观察显示的变化情况。 (2)按说明书要求进行“启动”、“停止”等基本操作，观察变频器的工作情况是否正常，同时进一步熟悉键盘的操作。 (3)进行参数予置。按照说明书介绍的方法对主要参数进行予置。就几个较易观察的项目如升速和降速时间、点动频率、多档转速时的各档频率等检查变频器的执行情况是否与予置的相符合。 (4)将外接输入控制线接好，逐项检查各外接控制功能的执行情况。 (5)用万用表(最好是指针式)检查三相输出电压是否完全平衡。4.2.带载运行经以上测试，证明变频器是正常的，即可以带负载运行了。变频器的负载运行包括轻载试运行和重载运行，即正常运行。若有条件，还可以先带空电机试
28、运转，但一般情况都是直接带载运行。试运行前一般都应检测一下电机的绝缘。对于低压380660v的电机，用1500v的兆欧表测试，绝缘电阻一般不能低于50兆欧。水泵类负载绝缘可能低一些，但也不能低于2兆欧。还要了解一下负载的运行情况，以作到心中有数。低压负载种类繁多，如风机、水泵、搅拌机、拉丝机、塑料机械、提升机、空压机、皮带输送机、化纤机、机床机械等许多许多。不同的负载其工作状态也有很大的不同，因此要根据不同的情况区别对待。有些特殊的机械，必须采用某类专用变频器。如提升机，属于位能负载，具有再生电能的处理问题，必须采用提升机专用变频器。还有化纤及机床类，有的也要采用专用变频器。这类变频器都在硬件
29、，特别是软件上针对特殊负载作了特殊的处理，从而保证了变频器的可靠运行。离心类负载，如离心风机、离心机等，运行惯性比较大，其升速和降速时间较长，若设置短了，变频器升速时会过电流，降速时会过电压，甚至可能会损坏。因此在不要求快速停机的情况下，可将时间适当放长，一般与设备的自由停机时间相当（根据经验，一般在300s）。若要求快速停机，则应加制动回路。明确了以上问题，就可以带载运行了。将变频器的输出接上电动机线。送电。 (1)点动或在低频下试运转。观察电机的正反转方向。若是反转，可利用变频器的正反转端子调整，或停电后调整变频器的输出接线进行调整。有的机械可能不允许反转，这时就应当先将电机与机械的联轴器
30、拆开，先电机空转，调整好转向后再将联轴器联结好。对潜水泵之类的负载，在井上看不到转向，可依据经验，正转时电流小，压力表指示增大，上水量大。反转时压力表指示低，上水量小，电流大。即依据经验判别。 (2)起转试验。使工作频率从0Hz开始漫漫增大，观察拖动系统能否起转。在多大频率下起转，如起转比较困难，应设法加大启动转矩。具体方法有:加大启动频率，加大u/f比，以及采用矢量控制等。有些负载，如潜水泵等电机引线较长的，可能存在长线效应，即由于变频器输出的谐波成分较大，到电机端电压可能增大，因此调节时要注意观察电机电流的变化，当发现电机电流有持续增大的情况时，应及时停机，这时应考虑加装输出电抗器。 (3
31、)起动试验。将给定信号加至最大，观察:起动电流的变化;整个拖动系统在升速系统中，运行是否平稳。如因起动电流过大而跳闸，则应适当延长升速时间。如在某一速度段起动电流偏大，则设法通过改变起动方式(s形、半s形等)来解决。在升速过程中若存在机械共振现象，应设法设置跳跃频率，以避开变频器与机械负载的共振点，保证设备正常运行。 (4)停机试验。将运行频率调至最高工作频率，按停止键，观察拖动系统的停机过程。停机过程中是否出现因过电压或过电流而跳闸，如有。则应适当延长降速时间。当输出频率为0Hz时，拖动系统是否有爬行现象，如有，则应适当加入直流制动。 (5)拖动系统的负载试验 负载试验的主要内容有:如fmaxfn，则应进行最高频率时的带载能力试验。也就是在正常负载下能否带得动。这种情况就是变频器运行在额定频率（一般是50Hz）以上的恒功率运行场合，当然这种情况比较少。这时应注意观察变频器的运行电流是否超过额定电流，变频器运行中是否过热，若有，应考虑加大变频器的功率，保证变频器的可靠运行。在负载的最低工作频率下，应考察电机的发热情况。使拖动系统工作在负载所要求的最低转速下，施加该转速下的最大负载，按负载所要求的连续运行时间进行低速运行试验，观察电机的发热情
