電機變頻調速系統的調試與故障分析

隨著(zhù)變頻器的應用范圍越來(lái)越廣泛，變頻器運行中出現的問(wèn)題也越來(lái)越多。主要表現為:過(guò)電壓、過(guò)電流、高次諧波、振動(dòng)與噪聲、發(fā)熱等。本文針對上述常見(jiàn)問(wèn)題的產(chǎn)生進(jìn)行原因分析并提出相應的處理方法。

　　一、過(guò)電壓產(chǎn)生的原因及處理方法

　　1.1 過(guò)電壓產(chǎn)生的原因

　　(1)分斷變壓器出現的過(guò)電壓

　　按照截流過(guò)電壓形成的理論，當斷開(kāi)變壓器時(shí)，變壓器電感中的電流不能突變、其中存儲的磁場(chǎng)能量，在變壓器勵磁電感和對地電容間形成振蕩，從而出現過(guò)電壓。

　　(2)變壓器帶負載合閘產(chǎn)生的過(guò)電壓

　　在實(shí)際試驗中，合空載變壓器曾檢測到數倍于電源電壓的過(guò)電壓，其物理原理為:空載變壓器仍可等值于一個(gè)勵磁電感與變壓器本身的等效電容的并聯(lián)，如果變壓器的中性點(diǎn)不接地，開(kāi)關(guān)又是非周期合閘(一相或兩相先合)，由于饋線(xiàn)電容、變壓器對地電容、縱向電容與變壓器電感產(chǎn)生振蕩，結果產(chǎn)生較高的過(guò)電壓，特別是變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓較高。

　　雖然變壓器基本上都是帶負載合閘，但是變壓器帶上負載后合閘也會(huì )產(chǎn)生過(guò)電壓，只是相對空載時(shí)要小些。在真實(shí)負載中有比較大的電容，由于電容的儲能不會(huì )突然增加，再加上輸送電纜在傳輸高頻率的振蕩電壓時(shí)有分布對地電容，這些電容對過(guò)電壓有吸收作用。這兩者的共同作用使變壓器在合閘過(guò)程中的過(guò)電壓受到抑制，但是有時(shí)候其數值仍然很高，甚至有可能高出元件的耐壓值，這是很危險的。

　　(3)整流元件的換向過(guò)電壓

　　整流元件在換向時(shí)，由于很高，所以轉向過(guò)電壓也很高。這不僅會(huì )損壞元件，而且還會(huì )產(chǎn)生電磁干擾。

　　1.2 過(guò)電壓的處理方法

　　(1)對于變頻器移相變壓器的分斷過(guò)電壓，采用阻容吸收網(wǎng)絡(luò )和氧化鋅避雷器組成過(guò)電壓吸收回路，取得較好效果。

　　(2)對于變壓器帶負載合閘產(chǎn)生的過(guò)電壓，可以選用周期性能好的開(kāi)關(guān)(開(kāi)關(guān)長(cháng)期操作后會(huì )出現不同期);采用良好的阻容吸收回路或者有源抑制器技術(shù)方案;采用帶靜電屏蔽措施的變壓器，也可以有效地抑制合閘過(guò)電壓。但是大功率變壓器在制作靜電屏蔽層的難度將是相當大的。

　　(3)對整流元件換向產(chǎn)生的過(guò)電壓，注意點(diǎn)是:整流元件的反向耐壓值要足夠，其次就是吸收回路和續流回路必須措施得當。否則整流器件就有可能被過(guò)電壓擊穿。

　　(4)由于變頻器工作時(shí)的過(guò)電壓基本上是變壓器分閘合閘時(shí)產(chǎn)生，因此應該從變壓器開(kāi)始想辦法抑制變頻器的過(guò)電壓?？梢圆捎?

　?、偌哟笞儔浩鲃畲烹姼泻蛯Φ仉娙?，加大勵磁電感即減小空載電流，這都會(huì )引起變壓器成本的增加。②加大變壓器對地電容：原理上容易分析，但是實(shí)際上由于變壓器本身的結構和材料限制，要想做出任意絕緣方式或絕緣等級高的變壓器是不太可能的，因此要想較大地增加變壓器的對地電容C也是相當困難的。

　　二、過(guò)電流產(chǎn)生的原因及處理方法

　　2.1 過(guò)電流產(chǎn)生的原因

　　(1)工作中過(guò)電流

　　即拖動(dòng)系統在工作過(guò)程中出現過(guò)電流。其原因大致來(lái)自以下幾方面:

　?、匐妱?dòng)機遇到?jīng)_擊負載，或傳動(dòng)機構出現卡住現象，引起電動(dòng)機電流的突然增加。

　?、谧冾l器的輸出側短路，如輸出端到電動(dòng)機之間的連接線(xiàn)發(fā)生相互短路，或電動(dòng)機內部發(fā)生短路等。

　?、圩冾l器自身工作的不正常，如逆變橋中同一橋臂的兩個(gè)逆變器件在不斷交替的工作過(guò)程中出現異常。例如由于環(huán)境溫度過(guò)高，或逆變器件本身老化等原因，使逆變器件的參數發(fā)生變化，導致在交替過(guò)程中，一個(gè)器件已經(jīng)導通、而另一個(gè)器件卻還未來(lái)得及關(guān)斷，引起同一個(gè)橋臂的上、下兩個(gè)器件的直通、使直流電壓的正、負極間處于短路狀態(tài)。

　　(2) 升速時(shí)過(guò)電流

　　當負載的慣性較大，而升速時(shí)間又設定得太短時(shí)，意味著(zhù)在升速過(guò)程中，變頻器的工作效率上升太快，電動(dòng)機的同步轉速迅速上升，而電動(dòng)機轉子的轉速因負載慣性較大而跟不上去，結果是升速電流太大。

　　(3) 降速中的過(guò)電流

　　當負載的慣性較大，而降速時(shí)間設定得太短時(shí)，也會(huì )引起過(guò)電流。因為，降速時(shí)間太短，同步轉速迅速下降，而電動(dòng)機轉子因負載的慣性大，仍維持較高的轉速，這時(shí)同樣可以是轉子繞組切割磁力線(xiàn)的速度太大而產(chǎn)生過(guò)電流。

　　2.2 過(guò)電流處理方法

　　(1)起動(dòng)時(shí)一升速就跳閘，這是過(guò)電流十分嚴重的現象，主要檢查:工作機械有沒(méi)有卡住;負載側有沒(méi)有短路，用兆歐表檢查對地有沒(méi)有短路;變頻器功率模塊有沒(méi)有損壞; 電動(dòng)機的起動(dòng)轉矩過(guò)小，拖動(dòng)系統轉不起來(lái)。

　　(2)起動(dòng)時(shí)不馬上跳閘，而在運行過(guò)程中跳閘，主要檢查:升速時(shí)間設定太短，加長(cháng)加速時(shí)間;減速時(shí)間設定太短，加長(cháng)減速時(shí)間;轉矩補償(U/f比)設定太大，引起低頻時(shí)空載電流過(guò)大:電子熱繼電器整定不當，動(dòng)作電流設定得太小，引起變頻器誤動(dòng)作。

　　三、諧波產(chǎn)生的原因及處理方法

　　3.1 諧波產(chǎn)生的原因

　　從結構上看、變頻器可分為直接變頻和間接變頻兩大類(lèi)。間接變頻將工頻電流通過(guò)整流器變成直流，然后再經(jīng)過(guò)逆變器將直流換成可控頻率的交流。直接變頻器則將工頻交流變換成可控頻率的交流，沒(méi)有中間環(huán)節。它的每相都是一個(gè)兩相晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線(xiàn)路。正反兩組按一定周期相互切換，在負荷上就獲得了交變輸出電壓，其幅值決定于各整流裝置的控制角，頻率決定于兩相整流裝置的切換頻率。目前應用較多的還是間接變頻器。間接變頻器有三種不同的結構形式：(1)用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調壓調頻分別是在兩個(gè)環(huán)節上進(jìn)行，兩者要在控制電路上協(xié)調配合。(2)用不控整流器整流斬波器變壓、逆變器變頻，這種變頻器整流環(huán)節用斬波器，用脈寬調壓。(3)用不控整流器整流,PWM(Pulse Width Modulation,脈沖寬度調制)逆變器同時(shí)變頻，這種變頻器只有采用可控關(guān)斷的全控式器件(加絕緣柵雙極晶休管IGBT等)輸出波形才會(huì )非常逼真的正弦波。

　　無(wú)論是哪一種的變頻器，都大量使用了晶閘管等非線(xiàn)性電力電子元件。不管采用哪種整流方式，變頻器從電網(wǎng)中吸取能量的方式均不是連續的正弦波，而是以脈動(dòng)的斷續方式向電網(wǎng)索取電流，這種脈動(dòng)電流和電網(wǎng)的阻抗共同形成脈動(dòng)電壓降疊加在電網(wǎng)的電壓上，使電壓發(fā)生畸變，經(jīng)傅里葉級數分析可知，這種非周期正弦波電流是由頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成。

　　3.2 諧波的處理方法

　　為了消除諧波，主要采用以下對策:

　　(1)增加變頻器供電電源內陰抗 通常情況下，電源設備的內阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無(wú)功功率的作用。這種內阻抗就是變壓器的短路阻抗。當電源容量相對變頻器容量越小，內阻抗值相對越大，諧波含量越小;電源容量相對變頻器容量越大，則內阻抗值相對越小，諧波含量越大。所以選擇變頻器供電電源變壓器時(shí)，最好選擇短路阻抗大的變壓器。

　　(2)安裝電抗器 安裝電抗器實(shí)際是從外部增加變頻器供電電源的內阻抗。在變頻器的交流側或變頻器的直流側安裝電抗器或同時(shí)安裝，可抑制諧波電流。

　　(3)變壓器多相運行 通常變頻器的整流部分是6脈波整流器，所以產(chǎn)生的諧波較大，應用變壓器的多相運行，如使相位角互差30°的Y-Δ、Δ-Δ組合的2臺變壓器構成相當于12脈波整流器，則可減小諧波電流，起到諧波抑制作用。

　　(4)調節變頻器的載波比 提高變頻器載波比，可有效抑制低次諧波。

　　(5)應用濾波器 濾波器可檢測變頻器諧波電流的幅值和相位，并產(chǎn)生與諧波電流幅值相同、相位相反的電流，從而有效地吸收和消除諧波電流。