電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試與故障分析

隨著變頻器的應(yīng)用范圍越來越廣泛，變頻器運(yùn)行中出現(xiàn)的問題也越來越多。主要表現(xiàn)為:過電壓、過電流、高次諧波、振動與噪聲、發(fā)熱等。本文針對上述常見問題的產(chǎn)生進(jìn)行原因分析并提出相應(yīng)的處理方法。

　　一、過電壓產(chǎn)生的原因及處理方法

　　1.1 過電壓產(chǎn)生的原因

　　(1)分?jǐn)嘧儔浩鞒霈F(xiàn)的過電壓

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

　　(2)變壓器帶負(fù)載合閘產(chǎn)生的過電壓

　　在實(shí)際試驗(yàn)中，合空載變壓器曾檢測到數(shù)倍于電源電壓的過電壓，其物理原理為:空載變壓器仍可等值于一個(gè)勵(lì)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，開關(guān)又是非周期合閘(一相或兩相先合)，由于饋線電容、變壓器對地電容、縱向電容與變壓器電感產(chǎn)生振蕩，結(jié)果產(chǎn)生較高的過電壓，特別是變壓器中性點(diǎn)過電壓較高。

　　雖然變壓器基本上都是帶負(fù)載合閘，但是變壓器帶上負(fù)載后合閘也會產(chǎn)生過電壓，只是相對空載時(shí)要小些。在真實(shí)負(fù)載中有比較大的電容，由于電容的儲能不會突然增加，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，這些電容對過電壓有吸收作用。這兩者的共同作用使變壓器在合閘過程中的過電壓受到抑制，但是有時(shí)候其數(shù)值仍然很高，甚至有可能高出元件的耐壓值，這是很危險(xiǎn)的。

　　(3)整流元件的換向過電壓

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

　　1.2 過電壓的處理方法

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

　　(2)對于變壓器帶負(fù)載合閘產(chǎn)生的過電壓，可以選用周期性能好的開關(guān)(開關(guān)長期操作后會出現(xiàn)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(dāng)大的。

　　(3)對整流元件換向產(chǎn)生的過電壓，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(xù)流回路必須措施得當(dāng)。否則整流器件就有可能被過電壓擊穿。

　　(4)由于變頻器工作時(shí)的過電壓基本上是變壓器分閘合閘時(shí)產(chǎn)生，因此應(yīng)該從變壓器開始想辦法抑制變頻器的過電壓。可以采用:

　?、偌哟笞儔浩鲃?lì)磁電感和對地電容，加大勵(lì)磁電感即減小空載電流，這都會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(jié)構(gòu)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(dāng)困難的。

　　二、過電流產(chǎn)生的原因及處理方法

　　2.1 過電流產(chǎn)生的原因

　　(1)工作中過電流

　　即拖動系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)過電流。其原因大致來自以下幾方面:

　　①電動機(jī)遇到?jīng)_擊負(fù)載，或傳動機(jī)構(gòu)出現(xiàn)卡住現(xiàn)象，引起電動機(jī)電流的突然增加。

　　②變頻器的輸出側(cè)短路，如輸出端到電動機(jī)之間的連接線發(fā)生相互短路，或電動機(jī)內(nèi)部發(fā)生短路等。

　　③變頻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程中出現(xiàn)異常。例如由于環(huán)境溫度過高，或逆變器件本身老化等原因，使逆變器件的參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致在交替過程中，一個(gè)器件已經(jīng)導(dǎo)通、而另一個(gè)器件卻還未來得及關(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(fù)極間處于短路狀態(tài)。

　　(2) 升速時(shí)過電流

　　當(dāng)負(fù)載的慣性較大，而升速時(shí)間又設(shè)定得太短時(shí)，意味著在升速過程中，變頻器的工作效率上升太快，電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速迅速上升，而電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速因負(fù)載慣性較大而跟不上去，結(jié)果是升速電流太大。

　　(3) 降速中的過電流

　　當(dāng)負(fù)載的慣性較大，而降速時(shí)間設(shè)定得太短時(shí)，也會引起過電流。因?yàn)?，降速時(shí)間太短，同步轉(zhuǎn)速迅速下降，而電動機(jī)轉(zhuǎn)子因負(fù)載的慣性大，仍維持較高的轉(zhuǎn)速，這時(shí)同樣可以是轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線的速度太大而產(chǎn)生過電流。

　　2.2 過電流處理方法

　　(1)起動時(shí)一升速就跳閘，這是過電流十分嚴(yán)重的現(xiàn)象，主要檢查:工作機(jī)械有沒有卡住;負(fù)載側(cè)有沒有短路，用兆歐表檢查對地有沒有短路;變頻器功率模塊有沒有損壞; 電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩過小，拖動系統(tǒng)轉(zhuǎn)不起來。

　　(2)起動時(shí)不馬上跳閘，而在運(yùn)行過程中跳閘，主要檢查:升速時(shí)間設(shè)定太短，加長加速時(shí)間;減速時(shí)間設(shè)定太短，加長減速時(shí)間;轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償(U/f比)設(shè)定太大，引起低頻時(shí)空載電流過大:電子熱繼電器整定不當(dāng)，動作電流設(shè)定得太小，引起變頻器誤動作。

　　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(jié)構(gòu)上看、變頻器可分為直接變頻和間接變頻兩大類。間接變頻將工頻電流通過整流器變成直流，然后再經(jīng)過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，沒有中間環(huán)節(jié)。它的每相都是一個(gè)兩相晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。正反兩組按一定周期相互切換，在負(fù)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(yīng)用較多的還是間接變頻器。間接變頻器有三種不同的結(jié)構(gòu)形式：(1)用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調(diào)壓調(diào)頻分別是在兩個(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)行，兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)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(jié)用斬波器，用脈寬調(diào)壓。(3)用不控整流器整流,PWM(Pulse Width Modulation,脈沖寬度調(diào)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)輸出波形才會非常逼真的正弦波。

　　無論是哪一種的變頻器，都大量使用了晶閘管等非線性電力電子元件。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(xù)的正弦波，而是以脈動的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流，這種脈動電流和電網(wǎng)的阻抗共同形成脈動電壓降疊加在電網(wǎng)的電壓上，使電壓發(fā)生畸變，經(jīng)傅里葉級數(shù)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(nèi)陰抗 通常情況下，電源設(shè)備的內(nèi)阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無功功率的作用。這種內(nèi)阻抗就是變壓器的短路阻抗。當(dāng)電源容量相對變頻器容量越小，內(nèi)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(nèi)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(nèi)阻抗。在變頻器的交流側(cè)或變頻器的直流側(cè)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(yùn)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(yīng)用變壓器的多相運(yùn)行，如使相位角互差30°的Y-Δ、Δ-Δ組合的2臺變壓器構(gòu)成相當(dāng)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(diào)節(jié)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(yīng)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。