1 變頻器測量及保護(hù)電路

變頻器的原理框圖如圖1 所示。

1.1 電流實(shí)際值檢測

電流檢測電路采用單相電源供電，87C196MC 的A/D 端口高速采樣交流電流通過傅里葉分析確定電流的各次諧波分量，并通過求累計(jì)平均值的方法計(jì)算各次諧波分量的有效值。電流實(shí)際值檢測電路圖如圖2 所示。

電流實(shí)際檢測主要用于輸出電壓的修正，以及過電流、過載保護(hù)。

輸出電壓的修正分兩部分：第一部分用I·R 補(bǔ)償環(huán)節(jié)來改變輸出電壓US 的大小;第二部分用電流限制調(diào)節(jié)器改變輸出電壓US的大小。過電流、過載保護(hù)功能是為了保證變頻器在異常工作情況下(如短路、過載等)，不損壞變頻器輸出電流。當(dāng)進(jìn)行過電流過載計(jì)算后，若判斷為過電流、過載，則立即發(fā)出封鎖觸發(fā)脈沖指令，迅速停止PWM 逆變器工作。

1.3 變頻器過熱檢測

變頻器功率開關(guān)管通/斷時(shí)，造成功率開關(guān)器件的發(fā)熱，這是功率開關(guān)器件損壞的主要原因之一。當(dāng)檢測到變頻器溫度過高時(shí)，封鎖功率開關(guān)器件，進(jìn)行停機(jī)保護(hù)。溫度檢測電路如圖源所示。

圖4 中，R+和R-分別接熱電偶的兩端。

1.4 外部接點(diǎn)信號(hào)輸入檢測

可通過外部接點(diǎn)信號(hào)輸入進(jìn)行開、停機(jī)控制，外部接點(diǎn)信號(hào)輸入電路如圖緣所示。

1.5 過電壓保護(hù)電路

過電壓保護(hù)電路如圖6所示。由于本系統(tǒng)的SPWM 逆變器不能向電網(wǎng)回饋能量，當(dāng)電動(dòng)機(jī)突然停車時(shí)，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能將轉(zhuǎn)化為電能向直流側(cè)電容C 充電，引起泵升電壓。為了限制和消除泵升電壓，保護(hù)功率器件，設(shè)置過電壓保護(hù)電路是必要的。在圖6 中，當(dāng)電壓升高超過設(shè)定值后，穩(wěn)壓管VS 擊穿，使大功率器件VT 導(dǎo)通，電阻R 與地接通，電容C 中多余的能量將在電阻R 上發(fā)熱釋放掉，使直流環(huán)節(jié)的電壓保持在基準(zhǔn)值之下。

1.6 過電流保護(hù)電路

過電流保護(hù)電路如圖7所示。過電流保護(hù)通過檢測逆變器直流電路中的電流Id，將檢測信號(hào)回饋給控制系統(tǒng)，當(dāng)電流超過限定值時(shí)，會(huì)立即自動(dòng)封鎖6 路觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。圖7 中的R 為取樣電阻，LM319 為電壓比較器，RP 為電流整定電位器，VL為過電流發(fā)光二極管。當(dāng)出現(xiàn)過電流時(shí)，A 點(diǎn)為高電平，自動(dòng)封鎖SLE4520 的輸出端，保護(hù)主電路。

1.7 過溫保護(hù)電路

在變頻器工作過程中，功率器件會(huì)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成器件的損壞。過溫保護(hù)電路如圖8 所示。

電路的核心是一個(gè)電位比較器，溫度檢測元件采用熱敏電阻并將其裝在功率器件的散熱器上。當(dāng)溫度升高時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn)為低電平。這個(gè)信號(hào)將立即申請(qǐng)中斷，中斷服務(wù)程序?qū)⑼瓿捎|發(fā)脈沖的封鎖或停機(jī)等功能，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

1.8 電子熱過載斷電器

通過設(shè)定該項(xiàng)功能有效和具體的保護(hù)值后，當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過電流或過載時(shí)，就能避免變頻器和電動(dòng)機(jī)的損壞。因電動(dòng)機(jī)的過載倍數(shù)比較大，故該值一般均設(shè)定為變頻器額定值的105%，但當(dāng)變頻器和電動(dòng)機(jī)容量不匹配時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況設(shè)定，如圖9 所示。

2 變頻器的保護(hù)功能與故障處理

現(xiàn)代通用變頻器不但在產(chǎn)品性能上有很大提高，而且自診斷功能、報(bào)警及保護(hù)功能也非常齊全，熟悉這些功能對(duì)于正確使用變頻器極其重要。

變頻器的保護(hù)功能主要有過電流、過電壓、欠電壓、散熱板過熱、外部報(bào)警輸入、逆變器過熱、電動(dòng)機(jī)過載、逆變器過載、熔斷器燒斷、通信出錯(cuò)、CPU出錯(cuò)和運(yùn)轉(zhuǎn)出錯(cuò)等。變頻器在保護(hù)功能動(dòng)作后，面板上會(huì)有相應(yīng)的顯示，指示故障原因。

過電流保護(hù)是電動(dòng)機(jī)在加速、減速和恒速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果逆變器輸出電流大于電流保護(hù)設(shè)定值時(shí)，就會(huì)引起的電流保護(hù)功能動(dòng)作。

這時(shí)應(yīng)檢查電源電壓是否在允許的范圍內(nèi)，輸出回路是否短路，負(fù)載是否突然變化，加速時(shí)間是否不夠等情況。相應(yīng)地，可調(diào)整電源電壓，檢查輸出回路絕緣，用絕緣電阻表測量電動(dòng)機(jī)絕緣，消除突變負(fù)載，延長加速時(shí)間，增大變頻器容量或查找噪聲干擾源并進(jìn)行清除。

引起過電壓的原因與引起過電流的原因基本相同，處理的方法也基本相同。

發(fā)生欠電壓保護(hù)時(shí)分兩種情況：一種是選擇了瞬時(shí)停電再起動(dòng)功能的，變頻器會(huì)自行起動(dòng)，不輸出報(bào)警信號(hào);另一種是電壓過低以至不能維持逆變器控制電路電壓時(shí)，全部保護(hù)功能自動(dòng)復(fù)位，這時(shí)應(yīng)檢查電源電壓是否在允許的極限內(nèi)、電源是否斷相、同一電源系統(tǒng)中是否有大起動(dòng)電流的負(fù)載等，并進(jìn)行相應(yīng)故障處理。

對(duì)外部報(bào)警輸入造成的保護(hù)動(dòng)作，應(yīng)檢查接線是否正確、負(fù)載是否太大、環(huán)境溫度是否恰當(dāng)、制動(dòng)頻率是否太高，并進(jìn)行故障處理。

對(duì)熱過載的情況，應(yīng)根據(jù)面板顯示的信息，相對(duì)應(yīng)地檢查環(huán)境溫度是否在允許的范圍內(nèi)、電源電壓是否在允許的范圍內(nèi)、冷卻風(fēng)扇是否正常工作、負(fù)載是否超過允許極限、變頻器容量是否太小、電子熱繼電器的設(shè)定是否恰當(dāng)?shù)?。[!--empirenews.page--]

對(duì)通信、存儲(chǔ)器等其他一些出錯(cuò)情況，應(yīng)檢查功能單元是否插好、接線是否正常等。

對(duì)于自己無法完成故障處理的情況，應(yīng)通知供應(yīng)商前來維修。

3 使用變頻器時(shí)的其他注意事項(xiàng)

變頻器使用過程中，除了日常維護(hù)和檢查、保護(hù)與故障處理之外，還應(yīng)注意以下一些事項(xiàng)。

3.1 接線與防止噪聲時(shí)的注意事項(xiàng)

(1)選用在輸出側(cè)最大電流時(shí)，電壓降在額定電壓的2%以內(nèi)的電纜尺寸。

(2)弱電控制線距離電力電源線至少100 mm以上，絕對(duì)不可放在同一導(dǎo)線槽內(nèi)，并且在控制電路配線與主電路配線相交時(shí)，要成直角走線，如圖10(a)所示。

(3)控制回路的配線應(yīng)該采用屏蔽雙絞線，雙絞線的節(jié)距應(yīng)在15 mm以下，如圖10(b)所示。

(4)為了防止多路信號(hào)的相互干擾，信號(hào)線以分別絞合為宜，如圖11 所示。

(5)如果操作指令來自遠(yuǎn)端，需要控制電路配線加長時(shí)，可以采用中間繼電器控制，如圖11所示。

(6)地線除了可防止觸電以外，對(duì)防止噪聲也很有效，故接地是必需的。

3.2 關(guān)于輸入與輸出的注意事項(xiàng)

雖然變頻器有很多優(yōu)點(diǎn)，但也可能引起一些問題，如產(chǎn)生高次諧波對(duì)電源的干擾、功率因數(shù)降低、無線電干擾、噪聲和振動(dòng)等。為了避免發(fā)生這些問題。必須在變頻器的主電路中安裝適當(dāng)?shù)?strong>電抗器。圖12 所示為變頻器的電抗器連接圖。說明如下。

(1)在變頻器中使用電力晶體管或IGBT高速開關(guān)可能會(huì)引起噪聲，這將對(duì)附近10 MHz 以下頻率的無線電測量及控制設(shè)備等的無線電波產(chǎn)生影響，必要時(shí)選用無線電干擾(RFI)抑制電抗器，能降低這類噪聲。RFI 抑制電抗器的連接方法因變頻器的容量不同而不同。小容量時(shí)每相導(dǎo)線按相同方向繞4圈以上，如圖13(a)所示;容量變大時(shí)，若導(dǎo)線線徑太大不好繞，則將4個(gè)電抗器固定在一起，三相導(dǎo)線按同方向穿過其內(nèi)孔，如圖13(b)、(c)所示。

(2)圖14 所示的電抗器中以電源側(cè)AC 電抗器最為重要。當(dāng)電源容量大(即電源阻抗小)時(shí)，會(huì)使輸入電流的高次諧波增高，使整流二極管或電解電容器的損耗增大而發(fā)生故障。為了減小外部干擾，在電源容量500 kV·A 以上，并且是變頻器額定容量的10 倍以上時(shí)(見圖14 中的容量范圍)，應(yīng)連接選購件電源側(cè)AC 電抗器(也稱為電源協(xié)調(diào)用電抗器)。如果配線較長，且電感阻抗超過電源協(xié)調(diào)用電抗器阻抗值時(shí)，就沒有必要用了。

另外，如果電源電壓的不均衡度超過3%，應(yīng)考慮使用電源協(xié)調(diào)用電抗器。不均衡度過大時(shí)，可能也會(huì)導(dǎo)致輸入電纜的異常過熱。

(3)功率因數(shù)校正DC電抗器用于校正功率因數(shù)。校正后的功率因數(shù)可達(dá)到0.9耀0.95。變頻器制造商都有DC 電抗器供用戶選用。

(4)由變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲比用常規(guī)電網(wǎng)驅(qū)動(dòng)的要大，這是因?yàn)樽冾l器輸出的諧波增加了電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲。若在變頻器和電動(dòng)機(jī)之間加入降低噪聲用電抗器，則具有緩和金屬音質(zhì)的效果，噪聲可降低5 dB左右。

(5)輸入電壓不能超過最大值，如果主電路外加輸入電壓超過極限，即使變頻器沒運(yùn)行也會(huì)有問題發(fā)生。輸入電壓過低時(shí)，會(huì)使最大輸出電壓降低，所以在高速時(shí)會(huì)造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不足的現(xiàn)象。

(6)功率因數(shù)補(bǔ)償可以使用DC 電抗器(見圖12)。絕不可在變頻器的輸出端連接電容器來補(bǔ)償功率因數(shù)，因?yàn)樽冾l器輸出的是PWM 電壓，含有很多高次諧波，一旦連接電容器，由于諧波的作用，將增加變頻器輸出電流，可能會(huì)損壞變頻器的大功率開關(guān)器件和連接的電容器。另外，變頻器的輸入側(cè)功率因數(shù)取決于變頻器的AC/DC 變換電路系統(tǒng)，絕不取決于電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，所以在變頻器的輸出側(cè)連接電容器，并不能改善輸入功率因數(shù)。

(7)當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍內(nèi)時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流(變頻器輸出電流)基本恒定，所以，銅損耗不變。然而，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻率下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)自冷卻風(fēng)扇的冷卻效果將會(huì)下降，所以使用時(shí)應(yīng)該注意。換言之，當(dāng)頻率下降時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)散熱效果變差，允許的電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行電流下降，也即轉(zhuǎn)矩下降，這是變頻器使用中必然遇到的情況。

(8)單相電動(dòng)機(jī)不能使用通用變頻器來驅(qū)動(dòng)。

3.3 變頻器用于特殊電動(dòng)機(jī)時(shí)的注意事項(xiàng)

(1)高速電動(dòng)機(jī)的電抗小，高次諧波會(huì)增加電流值，因此選擇用于高速電動(dòng)機(jī)的變頻器時(shí)，應(yīng)比用于普通電動(dòng)機(jī)的變頻器的容量稍大一些。在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的GD2一定的情況下，高速電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍寬，加/減速時(shí)所需的時(shí)間較長，因此，設(shè)定加速/減速的時(shí)間應(yīng)稍長一些。

(2)變頻器用于變極電動(dòng)機(jī)時(shí)，在變頻器的速度范圍更寬時(shí)可以使用，但是必須充分注意選擇變頻器的容量，使電動(dòng)機(jī)最大額定電流在變頻器的額定輸出電流以下。另外，在運(yùn)行中進(jìn)行極數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，請(qǐng)先停止電動(dòng)機(jī)工作，若在工作中進(jìn)行切換，有可能會(huì)使過電壓保護(hù)或過電流保護(hù)動(dòng)作，造成電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞變頻器。

(3)驅(qū)動(dòng)防爆電動(dòng)機(jī)時(shí)，變頻器因沒有防爆構(gòu)造，應(yīng)將變頻器設(shè)置在危險(xiǎn)的場所之外或置于防爆外殼內(nèi)。

(4)用變頻器驅(qū)動(dòng)齒輪減速電動(dòng)機(jī)時(shí)，使用范圍受到齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)部分潤滑方式的制約。在超過額定轉(zhuǎn)速以上的高速時(shí)，有可能發(fā)生潤滑油用光的危險(xiǎn)，因此不應(yīng)超過最高轉(zhuǎn)速允許值。同時(shí)還應(yīng)注意齒輪發(fā)生的聲響。

(5)變頻器驅(qū)動(dòng)繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的阻抗小，容易發(fā)生由于紋波電流引起的過電流跳閘現(xiàn)象，所以應(yīng)選擇比通常容量稍大的變頻器。一般繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)多用于飛輪力距GD2較大的場合，并應(yīng)注意加/減速時(shí)間的設(shè)置。

(6)驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，與工頻電源時(shí)相比，輸出容量會(huì)降低10%耀20豫，變頻器的連續(xù)輸出電流要大于同步電動(dòng)機(jī)額定電流與同步牽入電流的標(biāo)幺值的乘積。

(7)對(duì)于壓縮機(jī)、振動(dòng)機(jī)等轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大的負(fù)載和油壓泵等有峰值負(fù)載的情況，如果按照電動(dòng)機(jī)的額定電流或功率值決定變頻器的話，有可能發(fā)生因峰值電流使過電流保護(hù)動(dòng)作的現(xiàn)象。一個(gè)可行的辦法是察看工頻運(yùn)行時(shí)的電流波形，選用比其最大電流更大的額定輸出電流的變頻器。

(8)變頻器驅(qū)動(dòng)潛水泵電動(dòng)機(jī)時(shí)，因?yàn)槠漕~定電流比通用電動(dòng)機(jī)的額定電流大，應(yīng)使變頻器的額定電流大于潛水泵電動(dòng)機(jī)的額定電流。

(9)單相電動(dòng)機(jī)不適合用變頻器驅(qū)動(dòng)。當(dāng)使用電容器方式的單相電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于高頻電流的作用，有可能損壞電容器。

變頻調(diào)速系統(tǒng)在工作運(yùn)行時(shí)，有些故障是由電動(dòng)機(jī)的原因引起的，因此，除了檢查變頻器，還應(yīng)檢查電動(dòng)機(jī)的各個(gè)環(huán)節(jié)是否正常。日常工作中也應(yīng)注意對(duì)電動(dòng)機(jī)的維護(hù)。