变频器的技术原理解析及其在生产中的应用(三)

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变频器的技术原理解析及其在生产中的应用(三)

广州三绫电气有限公司   2019-07-09   浏览221次

七、变频器的组成



变频器通常分为4部分:整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。

整流单元将工作频率固定的交流电转换为直流电。

高容量电容存储转换后的电能。

逆变器由大功率开关晶体管阵列组成电子开关,将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。

控制器按设定的程序工作,控制输出方波的幅度与脉宽,使叠加为近似正弦波的交流电,驱动交流电动机。

变频器的历史

变频技术诞生背景是交流电机无级调速的广泛需求。传统的直流调速技术因体积大故障率高而应用受限。

20世纪60年代以后,电力电子器件普遍应用了晶闸管及其升级产品。但其调速性能远远无法满足需要。

  □ 20世纪70年代开始,脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速的研究得到突破,20世纪80年代以后微处理器技术的完善使得各种优化算法得以容易的实现。

  □ 20世纪80年代中后期,美、日、德、英等发达国家的 VVVF变频器技术实用化,商品投入市场,得到了广泛应用。最早的变频器可能是日本人买了英国专利研制的。不过美国和德国凭借电子元件生产和电子技术的优势,高端产品迅速抢占市场。

  □步入21世纪后,国产变频器逐步崛起,现已逐渐抢占高端市场。

变频器的分类

按变换的环节分类

  (1)交-直-交变频器,则是先把工频交流通过整流器变成直流,然后再把直流变换成频率电压可调的交流,又称间接式变频器,是目前广泛应用的通用型变频器。

  (2)可分为交-交变频器,即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流,又称直接式变频器;

按直流电源性质分类

  (1)电压型变频器

  电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容,负载的无功功率将由它来缓冲,直流电压比较平稳,直流电源内阻较小,相当于电压源,故称电压型变频器,常选用于负载电压变化较大的场合。

  (2)电流型变频器

  电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节,缓冲无功功率,即扼制电流的变化,使电压接近正弦波,由于该直流内阻较大,故称电流源型变频器(电流型)。电流型变频器的特点(优点)是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。

按主电路工作方法

  电压型变频器、电流型变频器

按照工作原理分类

  可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等;

按照开关方式分类

  可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器;

按照用途分类

  可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。此外,变频器还可以按输出电压调节方式分类,按控制方式分类,按主开关元器件分类,按输入电压高低分类。

按变频器调压方法

  PAM变频器是一种通过改变电压源Ud 或电流源Id的幅值进行输出控制的。

  PWM变频器方式是在变频器输出波形的一个周期产生个 脉冲波个脉冲,其等值电压为正弦波,波形较平滑。

按工作原理分

  U/f控制变频器(VVVF控制)、SF控制变频器(转差频率控制)、VC控制变频器(Vectory Control 矢量控制)

按国际区域分类

  欧洲变频器、国产变频器、美国变频器、日本变频器、韩国变频器、台湾变频器、香港变频器

按电压等级分类

  高压变频器、中压变频器、低压变频器。

八、变频器节能效果

变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性,各种生产机械在设计配用动力驱动时,都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时,除达到动力驱动要求外,多余的力矩增加了有功功率的消耗,造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量,其输入功率大,且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时,如果流量要求减小,通过降低泵或风机的转速即可满足要求。

  由流体力学可知,P(功率)=Q(流量)×H(压力),流量Q与转速N的一次方成正比,压力H与转速N的平方成正比,功率P与转速N的立方成正比,如果水泵的效率一定,当要求调节流量下降时,转速N可成比例的下降,而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。所队当所要求的流量Q减少时,可调节变频器输出频率使电动机转速n按比例降低。这时,电动机的功率P将按三次方关系大幅度地降低,比调节挡板、阀门节能40%一50%,从而达到节电的目的。

  以上海正艺信息科技有限公司生产的变频器应用到风机水泵型负载的节能的例子来说:一台离心泵电机功率为55千瓦,当转速下降到原转速的4/5时,其耗电量为28.16千瓦,省电48.8%,当转速下降到原转速的l/2时,其耗电量为6.875千瓦,省电87.5%。

8.1、功率因数补偿节能

无功功率不但增加线损和设备的发热,更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低,大量的无功电能消耗在线路当中,设备使用效率低下,浪费严重,使用变频调速装置后,由于变频器内部滤波电容的作用,从而减少了无功损耗,增加了电网的有功功率。

8.2、软启动节能

电机硬启动对电网造成严重的冲击,而且还会对电网容量要求过高,启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大,对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后,利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始,最大值也不超过额定电流,减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求,延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。

九、变频器的节能原理分析

9.1 变频节能

变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。重庆钢铁炼钢厂有大量的风机类水泵类负载,这类负载由流体力学可知,p(功率)=Q(流量)×H(压力),流量Q与转速N的一次方成正比,压力H与转速N的平方成正比,功率P与转速N的立方成正比,如果水泵的效率一定,当要求调节流量下降时,转速N可成比例的下降,而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。所以当所要求的流量Q减少时,可调节变频器输出频率使电动机转速n按比例降低,转速控制方式在低速小流量时,仍可使泵机高效率运行。这时,电动机的功率p将按三次方关系大幅度地降低,比调节挡板、阀门节能40%~50%,从而达到节电的目的。为了保证生产的可靠性,各种生产机械在设计配用动力驱动时,都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时,除达到动力驱动要求外,多余的力矩增加了有功功率的消耗,造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量,其输入功率大,且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时,如果流量要求减小,通过降低泵或风机的转速即可满足要求。例如:一台离心泵电机功率为55千瓦,当转速下降到原转速的4/5时,其耗电量为28.16千瓦,省电48.8%,当转速下降到原转速的l/2时,其耗电量为6.875千瓦,省电87.5%。

9.2 功率因数补偿节能

无功功率不但增加线损和设备的发热,更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低,大量的无功电能消耗线路当中,设备使用效率低下,浪费严重,使用变频调速装置后,由于变频器内部滤波电容的作用,从而减少了无功损耗,增加了电网的有功功率。

9.3 软启动节能

电机硬启动对电网造成严重的冲击,而且还会对电网容量要求过高,启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大,对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后,利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始,最大值也不超过额定电流,减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求,延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。

十、变频器的故障原因及预防措施

  变频器由主回路、电源回路、IPM驱动及保护回路、冷却风扇等几部分组成。其结构多为单元化或模块化形式。由于使用方法不正确或设置环境不合理,将容易造成变频器误操作及发生故障,或者无法满足预期的运行效果。为防患于未然,事先对故障原因进行认真分析尤为重要。

1.1 主回路常见故障分析

  主回路主要由三相或单相整流桥、平滑电容器、滤波电容器、IPM逆变桥、限流电阻、接触器等元件组成。其中许多常见故障是由电解电容引起。电解电容的寿命主要由加在其两端的直流电压和内部温度所决定,在回路设计时已经选定了电容器的型号,所以内部的温度对电解电容器的寿命起决定作用。电解电容器会直接影响到变频器的使用寿命,一般温度每上升10 ℃,寿命减半。因此一方面在安装时要考虑适当的环境温度,另一方面可以采取措施减少脉动电流。采用改善功率因数的交流或直流电抗器可以减少脉动电流,从而延长电解电容器的寿命。

  在电容器维护时,通常以比较容易测量的静电容量来判断电解电容器的劣化情况,当静电容量低于额定值的80%,绝缘阻抗在5 MΩ以下时,应考虑更换电解电容器。

1.2 主回路典型故障分析

  故障现象:变频器在加速、减速或正常运行时出现过电流跳闸。

  首先应区分是由于负载原因,还是变频器的原因引起的。如果是变频器的故障,可通过历史记录查询在跳闸时的电流,超过了变频器的额定电流或电子热继电器的设定值,而三相电压和电流是平衡的,则应考虑是否有过载或突变,如电机堵转等。在负载惯性较大时,可适当延长加速时间,此过程对变频器本身并无损坏。若跳闸时的电流,在变频器的额定电流或在电子热继电器的设定范围内,可判断是IPM模块或相关部分发生故障。首先可以通过测量变频器的主回路输出端子U、V、W,分别与直流侧的P、N端子之间的正反向电阻,来判断IPM模块是否损坏。如模块未损坏,则是驱动电路出了故障。如果减速时IPM模块过流或变频器对地短路跳闸,一般是逆变器的上半桥的模块或其驱动电路故障;而加速时IPM模块过流,则是下半桥的模块或其驱动电路部分故障,发生这些故障的原因,多是由于外部灰尘进入变频器内部或环境潮湿引起。

1.3 控制回路故障分析

  控制回路影响变频器寿命的是电源部分,是平滑电容器和IPM电路板中的缓冲电容器,其原理与前述相同,但这里的电容器中通过的脉动电流,是基本不受主回路负载影响的定值,故其寿命主要由温度和通电时间决定。由于电容器都焊接在电路板上,通过测量静电容量来判断劣化情况比较困难,一般根据电容器环境温度以及使用时间,来推算是否接近其使用寿命。

  电源电路板给控制回路、IPM驱动电路和表面操作显示板以及风扇等提供电源,这些电源一般都是从主电路输出的直流电压,通过开关电源再分别整流而得到的。因此,某一路电源短路,除了本路的整流电路受损外,还可能影响其他部分的电源,如由于误操作而使控制电源与公共接地短接,致使电源电路板上开关电源部分损坏,风扇电源的短路导致其他电源断电等。一般通过观察电源电路板就比较容易发现。

  逻辑控制电路板是变频器的核心,它集中了CPU、MPU、RAM、EEPROM等大规模集成电路,具有很高的可靠性,本身出现故障的概率很小,但有时会因开机而使全部控制端子同时闭合,导致变频器出现EEPROM故障,这只要对EEPROM重新复位就可以了。

IPM电路板包含驱动和缓冲电路,以及过电压、缺相等保护电路。从逻辑控制板来的PWM信号,通过光耦合将电压驱动信号输入IPM模块,因而在检测模快的同时,还应测量IPM模块上的光耦。

1.4 冷却系统

冷却系统主要包括散热片和冷却风扇。其中冷却风扇寿命较短,临近使用寿命时,风扇产生震动,噪声增大最后停转,变频器出现IPM过热跳闸。冷却风扇的寿命受限于轴承,大约为10000~35000 h。当变频器连续运转时,需要2~3年更换一次风扇或轴承。为了延长风扇的寿命,一些产品的风扇只在变频器运转时而不是电源开启时运行。

1.5 外部的电磁感应干扰

  如果变频器周围存在干扰源,它们将通过辐射或电源线侵入变频器的内部,引起控制回路误动作,造成工作不正常或停机,严重时甚至损坏变频器。减少噪声干扰的具体方法有:变频器周围所有继电器、接触器的控制线圈上,加装防止冲击电压的吸收装置,如RC浪涌吸收器,其接线不能超过20 cm;尽量缩短控制回路的配线距离,并使其与主回路分离;变频器控制回路配线绞合节距离应在15 mm以上,与主回路保持10 cm以上的间距;变频器距离电动机很远时(超过100 m),这时一方面可加大导线截面面积,保证线路压降在2%以内,同时应加装变频器输出电抗器,用来补偿因长距离导线产生的分布电容的充电电流。变频器接地端子应按规定进行接地,必须在专用接地点可靠接地,不能同电焊、动力接地混用;变频器输入端安装无线电噪声滤波器,减少输入高次谐波,从而可降低从电源线到电子设备的噪声影响;同时在变频器的输出端也安装无线电噪声滤波器,以降低其输出端的线路噪声。

1.6 安装环境

  变频器属于电子器件装置,对安装环境要求比较严格,在其说明书中有详细安装使用环境的要求。在特殊情况下,若确实无法满足这些要求,必须尽量采用相应抑制措施:振动是对电子器件造成机械损伤的主要原因,对于振动冲击较大的场合,应采用橡胶等避振措施;潮湿、腐蚀性气体及尘埃等将造成电子器件锈蚀、接触不良、绝缘降低而形成短路,作为防范措施,应对控制板进行防腐防尘处理,并采用封闭式结构;温度是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素,特别是半导体器件,应根据装置要求的环境条件安装空调或避免日光直射。

  除上述几点外,定期检查变频器的空气滤清器及冷却风扇也是非常必要的。对于特殊的高寒场合,为防止微处理器因温度过低不能正常工作,应采取设置空气加热器等必要措施。

1.7 电源异常

  电源异常大致分以下3种,即缺相、低电压、停电,有时也出现它们的混合形式。这些异常现象的主要原因,多半是输电线路因风、雪、雷击造成的,有时也因为同一供电系统内出现对地短路及相间短路。而雷击因地域和季节有很大差异。除电压波动外,有些电网或自行发电的单位,也会出现频率波动,并且这些现象有时在短时间内重复出现,为保证设备的正常运行,对变频器供电电源也提出相应要求。

  如果附近有直接启动的电动机和电磁炉等设备,为防止这些设备投入时造成的电压降低,其电源应和变频器的电源分离,减小相互影响。

  对于要求瞬时停电后仍能继续运行的设备,除选择合适价格的变频器外,还应预先考虑电机负载的降速比例。当变频器和外部控制回路都采用瞬间停电补偿方式时,失压回复后,通过测速电机测速来防止在加速中的过电流。

  对于要求必须连续运行的设备,应对变频器加装自动切换的不停电电源装置。像带有二极管输入及使用单相控制电源的变频器,虽然在缺相状态,但也能继续工作,但整流器中个别器件电流过大,及电容器的脉冲电流过大,若长期运行将对变频器的寿命及可靠性造成不良影响,应及早检查处理。

1.8 雷击、感应雷电

  雷击或感应雷击形成的冲击电压,有时也会造成变频器的损坏。此外,当电源系统一次侧带有真空断路器时,短路开闭会产生较高的冲击电压。为防止因冲击电压造成过电压损坏,通常需要在变频器的输入端加压敏电阻等吸收器件。真空断路器应增加RC浪涌吸收器。若变压器一次侧有真空断路器,应在控制时序上,保证真空断路器动作前先将变频器断开。

2、变频器本身的故障自诊断及预防功能

  老型号的晶体管变频器主要有以下缺点:容易跳闸、不容易再启动、过负载能力低。由于IGBT及CPU的迅速发展,变频器内部增加了完善的自诊断及故障防范功能,大幅度提高了变频器的可靠性。

  如果使用矢量控制变频器中的“全领域自动转矩补偿功能”,其中的“启动转矩不足”、“环境条件变化造成出力下降”等故障原因,将得到很好的克服。该功能是利用变频器内部的微型计算机的高速运算,计算出当前时刻所需要的转矩,迅速对输出电压进行修正和补偿,以抵消因外部条件变化而造成的变频器输出转矩变化。

  此外,由于变频器的软件开发更加完善,可以预先在变频器的内部设置各种故障防止措施,并使故障化解后,仍能保持继续运行,例如:对自由停车过程中的电机进行再启动;对内部故障自动复位并保持连续运行;负载转矩过大时,能自动调整运行曲线,能够对机械系统的异常转矩进行检测。

  造成变频器故障的原因是多方面的,只有在实践中,不断摸索总结,才能及时消除各种各样的故障。

变频器的构成

  变频器主要是由主电路、控制电路组成。

  主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波是电感。它由三部分构成,将工频电源变换为直流功率的“整流器”,吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”,以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

  (1)整流器:最近大量使用的是二极管的变流器,它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器,由于其功率方向可逆,可以进行再生运转。

  (2)平波回路:在整流器整流后的直流电压中,含有电源6倍频率的脉动电压,此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动,采用电感和电容吸收脉动电压(电流)。装置容量小时,如果电源和主电路构成器件有余量,可以省去电感采用简单的平波回路。

  (3)逆变器:同整流器相反,逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率,以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。

  控制电路是给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的回路,它有频率、电压的“运算电路”,主电路的“电压、电流检测电路”,电动机的“速度检测电路”,将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”,以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

  (1)运算电路:将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算,决定逆变器的输出电压、频率。

  (2)电压、电流检测电路:与主回路电位隔离检测电压、电流等。

  (3)驱动电路:驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。

  (4)速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号,送入运算回路,根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

  (5)保护电路:检测主电路的电压、电流等,当发生过载或过电压等异常时,为了防止逆变器和异步电动机损坏,使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。

一、变频器应用维护保养

  由于变频器能适应生产工艺的多方面要求,尤其是在工业自动化控制应用上,交流变频调速技术已经上升为工业自动化控制的主流。交流调速系统的性能已经可以和直流调速系统相匹敌,甚至可以超过直流系统。它采用的全数字控制方式,使信息处理能力大幅度地增强。同时它将实用经验和技巧不断地融入软件功能中,采用模拟控制方式无法实现的复杂控制在今天都已成为可能,使变频器的可靠性、可使用性、可维护性功能得以充实。由于变频器具有调速性能好、调速范围宽和运行效率高,使用操作方便,且宜于同其它设备接口等一系列优点,所以应用越来越广泛。多年来,我们在生产实际应用中不断学习,积累了一些变频器的维护保养和维修的经验。

二、维护保养

  由于电力电子技术和微电子技术的快速发展,变频器改型换代速度也比较快,不断推出新型产品,性能不断提高,功能不断充实、增强。现在国内市场销售的变频器品牌比较多,如Danfoss、ABB、SIEMENS、GE、Schneider等等,国产变频器品牌比较多,虽然种类繁多,但功能及使用上却基本类似。总的来讲,其使用、维护保养及故障处理方法是基本相同的。在实际应用中,变频器受周围的温度、湿度、振动、粉尘、腐蚀性气体等环境条件的影响,其性能会有一些变化。如使用合理、维护得当,则能延长使用寿命,并减少因突然故障造成的生产损失。如果使用不当,维护保养工作跟不上去,就会出现运行故障,导致变频器不能正常工作,甚至造成变频器过早的损坏,而影响生产设备的正常运行。因此日常维护与定期检查是必不可少的。

2.1日常维护与检查

  对于连续运行的变频器,可以从外部目视检查运行状态。定期对变频器进行巡视检查,检查变频器运行时是否有异常现象。通常应作如下检查:

(1)环境温度是否正常,要求在-10℃~+40℃范围内,以25℃左右为好;

(2)变频器在显示面板上显示的输出电流、电压、频率等各种数据是否正常;

(3)显示面板上显示的字符是否清楚,是否缺少字符;

(4)用测温仪器检测变频器是否过热,是否有异味;

(5)变频器风扇运转是否正常,有无异常,散热风道是否通畅;

(6)变频器运行中是否有故障报警显示;

(7)检查变频器交流输入电压是否超过最大值。极限是418V(380V×1.1),如果主电路外加输入电压超过极限,即使变频器没运行,也会对变频器线路板造成损坏。

2.2定期检查

利用每年一次的大修时间,将检查重点放在变频器日常运行时无法巡视到的部位。

(1)作定期检查时,操作前必须切断电源,变频器停电后待操作面板电源指示灯熄灭后,等待4min(变频器的容量越大,等待时间越长,最长为15min)使得主电路直流滤波电容器充分放电,用万用表确认电容器放电完后,再进行操作。

(2)将变频器控制板、主板拆下,用毛刷、吸尘器清扫变频器线路板及内部IGBT模块、输入输出电抗器等部位。线路板脏污的地方,应用棉布沾上酒精或中性化学剂擦除。

(3)检查变频器内部导线绝缘是否有腐蚀过热的痕迹及变色或破损等,如发现应及时进行处理或更换。

(4)变频器由于振动、温度变化等影响,螺丝等紧固部件往往松动,应将所有螺丝全部紧固一遍。

(5)检查输入输出电抗器、变压器等是否过热,变色烧焦或有异味。

(6)检查中间直流回路滤波电解电容器小凸肩(安全阀)是否胀出,外表面是否有裂纹、漏液、膨胀等。一般情况下滤波电容器使用周期大约为5年,检查周期最长为一年,接近寿命时,检查周期最好为半年。电容器的容量可用数字电容表测量,当容量下降到额定容量的80%以下时,应予更换。

(7)检查冷却风扇运行是否完好,如有问题则应进行更换。冷却风扇的寿命受限于轴承,根据变频器运行情况需要2-3年更换一次风扇或轴承。检查时如发现异常声音、异常振动,同样需要更换。

(8)检查变频器绝缘电阻是否在正常范围内(所有端子与接地端子),注意不能用兆欧表对线路板进行测量,否则会损坏线路板的电子元器件。

(9)将变频器的R、S、T端子和电源端电缆断开,U、V、W端子和电机端电缆断开,用兆欧表测量电缆每相导线之间以及每相导线与保护接地之间的绝缘电阻是否符合要求,正常时应大于1MΩ。

(10)变频器在检修完毕投入运行前,应带电机空载试运行几分钟,并校对电机的旋转方向。

2.3变频器本身的保护:

  变频器本身具有各种保护功能,如:负载侧接地保护、短路保护、电流限制、逆变器过热、过载等,其自诊断功能、报警警告功能也特别完善。了解这些功能对于正确使用变频器及故障查找是非常重要的。

三、故障判断及处理

  该公司Danfoss变频器在使用中因受环境条件等因素的影响而陆续出现一些故障现象,在维修过程中,笔者积累了一些故障判断和处理经验。

  下面以Danfoss变频器为例作一介绍:当变频器出现故障时,保护功能动作,变频器立即跳闸,电机由运行状态到停止,报警指示红色发光二极管变亮,液晶显示部分提示报警信息代码或故障内容。这时可以根据信息代码来分析判断变频器的故障范围,如果是软性故障,可将变频器进行断电复位。如还不能恢复正常,只能采用手动或自动初始化,初始化正常后按照参数表重新将数据输入设定。这样,变频器就可以在故障较轻的情况下恢复正常使用。若经以上操作后变频器仍不正常,就要根据故障现象来检查变频器损坏的部位,更换元器件或电路板。故障查找时必须按变频器的提示顺序进行。例如:

(1)故障代码36,提示为主电源故障,则三相整流桥模块可能击穿短路或开路。

(2)故障代码14,提示接地故障,可用兆欧表检查电机绕组、查看电缆绝缘是否损坏。

(3)故障代码37,提示逆变器故障,则IGBT模块可能击穿短路。IGBT模块短路,主回路熔断器也将熔断。当IGBT模块某一相门极损坏时,变频器会出现过流保护现象,这时应对IGBT模块进行检查。



  变频器运行时,如频繁出现限流报警或过流保护,应检查负载部分以及变频器IGBT模块是否正常,如正常,则此故障为变频器主板霍尔磁补偿式电流传感器损坏。霍尔磁补偿式电流传感器是一种测量正弦与非正弦周期量的电流值,能真实反映电流的波形,给变频器提供一个控制与保护信号。变频器上使用的该元件大部分为瑞士LEM公司LA系列的产品,其LA系列霍尔磁补偿式电流传感器可分为三端引出脚和五端引出脚两种。变频器容量不同,主板上LA系列霍尔磁补偿式电流传感器规格也不相同。

  生产运行表明,粘胶纤维生产现场含硫化氢的腐蚀性气体会给变频器电路板的电子元器件带来相当大的危害,我们通过给电气控制室送正压新鲜风来改善环境条件,并采用乐泰电子线路板用喷涂胶,对变频器线路板表面作防腐涂层处理,有效地降低了变频器的故障率,提高了使用寿命。

  电子元器件对静电是非常敏感的,如被静电放电破坏后,将造成电子元器件软击穿,软击穿会导致线路板无法正常工作。所以在更换线路板时必须注意,一定要确保工作之前戴好接地手环,将腕带直接接地,确保人体处于零电位,以防止人体的静电对线路板造成损坏。如没有接地手环,在更换线路板时可用手摸一下变频器金属外壳,使人体的静电通过变频器外壳放掉(其金属外壳导静电)。为确保变频器线路板备件的安全,在保管期间,应放在有防静电材料的袋中存放。

四、元器件好坏的简易测试法

  在维修过程中,根据故障情况要用万用表来检测电子元器件的好坏,如测量方法不正确就很可能导致误判断,这将给维修工作造成困难,甚至造成不必要的经济损失。测量方法分为元器件测试和线路板在路测试两种方式。在路测试:断开变频器电源,在不拆动线路板元器件的条件下,测量线路板上的元器件。对于元器件击穿、短路、开路性故障,这种检测方法可以方便快捷的查找出损坏的元器件,但还应考虑线路板上所测元器件与其并联的元器件对测量结果所产生的影响,以免造成误判断错误。下面介绍元器件好坏的判断方法:

4.1普通二极管的检测

  用MF47型万用表测量,将红、黑表笔分别接在二极管的两端,读取读数,再将表笔对调测量。根据两次测量结果判断,通常小功率锗二极管的正向电阻值为300-500Ω,硅二极管约为1kΩ或更大些。锗管反相电阻为几十千欧,硅管反向电阻在500kΩ以上(大功率二极管的数值要小的多)。好的二极管正向电阻较低,反向电阻较大,正反向电阻差值越大越好。如果测得正、反向电阻很小均接近于零,说明二极管内部已短路;若正、反向电阻很大或趋于无穷大,则说明管子内部已断路。在这两种情况下二极管就需报废。

  在路测试:测试二极管PN结正反向电阻,比较容易判断出二极管是击穿短路还是断路。4.2三极管检测

  将数字万用表拨到二极管档,用表笔测PN结,如果正向导通,则显示的数字即为PN结的正向压降。

  先确定集电极和发射极;用表笔测出两个PN结的正向压降,压降大的是发射极e,压降小的是集电极c。在测试两个结时,红表笔接的是公共极,则被测三极管为NPN型,且红表笔所接为基极b;如果黑表笔接的是公共极,则被测三极管是PNP型,且此极为基极b。三极管损坏后PN结有击穿短路和开路两种情况。

  在路测试:在路测试三极管,实际上是通过测试PN结的正、反向电阻,来达到判断三极管是否损坏。支路电阻大于PN结正向电阻,正常时所测得正、反向电阻应有明显区别,否则PN结损坏了。支路电阻小于PN结正向电阻时,应将支路断开,否则就无法判断三极管的好坏。

4.3三相整流桥模块检测

  以SEMIKRON(西门子)整流桥模块为例,如附图所示。将数字万用表拨到二极管测试档,黑表笔接COM,红表笔接VΩ,用红、黑两表笔先后测3、4、5相与2、1极之间的正反向二极管特性,来检查判断整流桥是否完好。所测的正反向特性相差越大越好;如正反向为零,说明所检测的一相已被击穿短路;如正反向均为无穷大,说明所检测的一相已经断路。整流桥模块只要有一相损坏,就应更换。

4.4逆变器IGBT模块检测

  将数字万用表拨到二极管测试档,测试IGBT模块C1.E1、C2.E2之间以及栅极G与E1、E2之间正反向二极管特性,来判断IGBT模块是否完好。

  以德国eupec25A/1200V六相IGBT模块为例,(参见附图)。将负载侧U、V、W相的导线拆除,使用二极管测试档,红表笔接P(集电极C1),黑表笔依次测U、V、W(发射极E1),万用表显示数值为最大;将表笔反过来,黑表笔接P,红表笔测U、V、W,万用表显示数值为400左右。再将红表笔接N(发射极E2),黑表笔测U、V、W,万用表显示数值为400左右;黑表笔接N,红表笔测U、V、W(集电极C2),万用表显示数值为最大。各相之间的正反向特性应相同,若出现差别说明IGBT模块性能变差,应予更换。IGBT模块损坏时,只有击穿短路情况出现。

  红、黑两表笔分别测栅极G与发射极E之间的正反向特性,万用表两次所测的数值都为最大,这时可判定IGBT模块门极正常。如果有数值显示,则门极性能变差,此模块应更换。当正反向测试结果为零时,说明所检测的一相门极已被击穿短路。门极损坏时电路板保护门极的稳压管也将击穿损坏。

4.5电解电容器的检测

  用MF47型万用表测量时,应针对不同容量的电解电容器选用万用表合适的量程。根据经验,一般情况下,47μF以下的电解电容器可用R×1K档测量,大于47μF的电解电容器可用R×100档测量。

  将万用表红表笔接电容器负极,黑表笔接正极,在刚接触的瞬间,万用表指针即向右偏转较大幅度,接着逐渐向左回转,直到停在某一位置(返回无穷大位置)。此时的阻值便是电解电容器的正向漏电阻。此值越大,说明漏电流越小,电容器性能越好。然后,将红、黑表笔对调,万用表指针将重复上述摆动现象。但此时所测阻值为电解电容器的反相漏电阻,此值略小于正向漏电阻。即反相漏电流比正向漏电流要大。实际使用经验表明,电解电容器的漏电阻一般应在几百千欧以上,否则将不能正常工作。

  在测试中,若正向、反相均无充电现象,即表针不动,则说明电容器容量消失或内部短路;如果所测阻值很小或为零,说明电容器漏电大或已击穿损坏,不能再使用。

  在路测试:在路测试电解电容器只宜检查严重漏电或击穿的故障,轻微漏电或小容量电解电容器测试的准确性很差。在路测试还应考虑其它元器件对测试的影响,否则读出的数值就不准确,会影响正常判断。电解电容器还可以用电容表来检测两端之间的电容值,以判断电解电容器的好坏。

4.6电感器和变压器简易测试

(1)电感器的测试

  用MF47型万用表电阻档测试电感器阻值的大小。若被测电感器的阻值为零,说明电感器内部绕组有短路故障。注意操作时一定要将万用表调零,反复测试几次。若被测电感器阻值为无穷大,说明电感器的绕组或引出脚与绕组接点处发生了断路故障。

(2)变压器的简易测试

  绝缘性能测试:用万用表电阻档R×10K分别测量铁心与一次绕组、一次绕组与二次绕组、铁心与二次绕组之间的电阻值,应均为无穷大。否则说明变压器绝缘性能不良。

  测量绕组通断:用万用表R×1档,分别测量变压器一次、二次各个绕组间的电阻值,一般一次绕组阻值应为几十欧至几百欧,变压器功率越小电阻值越大;二次绕组电阻值一般为几欧至几百欧,如某一组的电阻值为无穷大,则该组有断路故障

  注意:这种测量方法只是一种比较粗略的估测,有些绕组匝间绝缘轻微短路的变压器是检测不准的。

4.7电阻器的阻值简易测试

  在路测量电阻时要切断线路板电源,要考虑电路中的其它元器件对电阻值的影响。如果电路中接有电容器,还必须将电容器放电。万用表表针应指在标度尺的中心部分,读数才准确。

4.8贴片式元器件

(1)贴片式元器件种类

  变频器电子线路板现在大部分采用贴片式元器件也称为表面组装元器件,它是一种无引线或引线很短的适于表面组装的微小型电子元器件。贴片式元器件品种规格很多,按形状分可分为矩形、圆柱形和异形结构。按类型可分为片式电阻器、片式电容器、片式电感器、片式半导体器件(可分为片式二极管和片式三极管)、片式集成电路。

(2)贴片式元器件的拆、焊

  用35W内热式电烙铁,配长寿命耐氧化尖烙铁头。将烙铁头上粘的残留物擦干净,仅剩有一层薄薄的焊锡。两端器件的贴片式元器件拆卸、焊接操作比较容易。贴片式集成电路引脚细且多、引脚间距小,周围元器件排列紧凑,拆装不易。它们的拆卸和焊接,在没有专用工具的条件下是有一定难度的,在此着重介绍贴片式集成电路的拆卸、焊接操作。

(3)拆卸方法

  如已判断出集成电路块损坏,用裁纸刀将引脚齐根切断,取下集成电路块。注意切割时刀头不要切到线路板上。然后,用镊子夹住断脚,用尖头烙铁溶化断脚上的焊锡,将断脚逐一取下。

(4)焊接方法

  焊接前,先用酒精将拆掉集成电路块的线路板铜萡上的多余焊锡及脏东西清理干净,将集成电路块的引脚涂上酒精松香水,并将引脚搪上一层薄锡。然后,核对好集成电路引脚位置,将集成电路块放在待焊的线路板上,轻压集成电路块,用电烙铁先焊集成电路块四个角上的引脚,将集成电路块固定好,再逐一对其它各引脚进行焊接。为了保证焊接质量,焊接时,最好使用细一些的焊锡丝,如0.6㎜焊锡丝,焊出来的效果好一些。

五、结束语

变频器的维修工作是一项理论知识、实践经验与操作水平的结合的工作,其技术水平代表着变频器的维修质量。所以我们要经常阅读一些有关的书报杂志,不断了解这些电子元器件所具备的功能和特点,开拓思路,给维修工作以启迪,并将这些学到的知识应用于实际工作中,解决一些维修过程中无法解决的问题,以使自己的技术水平不断提高。


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