冶金企业设备中变频器的使用及维修故障判断

陈一锋

（陕西省鑫元科工贸股份有限公司，陕西 商洛 726100）

随着冶金行业在科学技术层面的不断革新，直流传动的不足之处日益明显起来。由于换向器的存储，增加了直流电机的维护难度，限制了单机的容量、最大速度和使用环境。由于异步电动机结构简单、运行稳定、维修保养简便而且价格十分的低廉，受到了广泛地关注。但是在当前的生产中，异步电机难以满足调速的需求。长期以来，直流调速以其优异的性能一直在电力传动领域占据主导地位。随着时代发展，在1960s交流电机的调速性足以赶上直流电机，交流开始逐渐替代直流。

1 变频器的发展、组成

上世纪60年代初期，随着晶体管的发明，冶金企业设备中的变频器设想问世，随后科研人员不断进行实验，最终发明出了第一个变频器，它主要由普通晶闸管、单向晶体管以及变压器等部件组成，结构相对比较简单，因此操作起来也相对较为的容易，但是同步电动机自控式的变频器本身存在着很多的问题，稍有使用不当就可能引起安全事故，因此科研人员不断地加强变频器的研究，将安全、便捷、节能等各种因素考虑到其中，最终提出了笼型异步电机调速系统，由于该变频系统安全可靠，因此变频器实现了大规模量产，投入到冶金企业生产中，此后，变频器的性能还在不断地进行优化。

（1）变频装置大容量化。变频器在发展的过程中遇到了不少的问题，由于在冶金企业的生产过程中，生产环境都是高压环境，因此普通的变频器根本无法实现这种环境下电流的变频，投入使用的变频器不是严重损坏就是转化的电流依旧不稳定，给冶金生产带来了许多问题，这是由于变频器内部容量不足所导致的，由于电容较小，高压的情况下无法实现电流的稳定化转变，因此想要解决这种现象就要实现变频装置的大容量化。冶金生产中为了适应大容量的高压电动机，技术人员提出了高压型PWM变频器来实现装置的大容量化并且得到了飞速的发展，技术投入成效非常明显。

（2）主开关器件的自关断化。变频器发展中还有一项重要的技术突破就是主开关器件的自关断化，近十几年来科学家一直在这个领域中不断地创新突破，欲将变频器发展到一个新的高度，使其能够为冶金生产提供更多的便利。在主开关器件的自关断化中，比较实用的器件包括电力晶体管、绝缘栅双极型集体管和门极关断电闸晶体管等，这些器件帮助变频器实现了主开关器件的自关断化。随着自关断化器件的使用，变频器内部原有的复杂电路得到了优化，省去了许多冗杂的电路组成部分，极大限度上减小了变频器的总体面积，节约了生产成本，并且内部电路的转化效率得到了大幅度的提高，因此主开关器件的自关断化是变频器一个非常成功的突破。

（3）变频装置高性能化。变频器问世初期，它的性能并不是非常的出色，对于电力的处理能力比较差，由于内部采用的是U/F控制，这种电流控制方法导致内部电流转矩响应速度慢，电流负载能力非常差，因此为了提高变频器的性能，科研人员经过不断地研究发明，提出了变频装置高性能化的理念。那么变频装置高性能化是如何被提出并且应用的呢，早在1970年德国西门子公司就提出了变频器矢量控制技术，这种技术打破了传统的变频器的设计观念，改变了原先技术中只对交流电实现控制的方法，通过加入新器件实现了在控制内部电流量的同时也可以控制其相位，实现了变频器装置高性能化，随着这种技术的问世，变频器得到了更加快速的发展。

2 变频器的使用

2.1 变频器的使用原理

冶金机电设备中应用变频器的工作原理比较简单，它就是通过电机的主电路进行控制，实现内部交流电向直流电的转化，转化的器件是整流器，随后将转变所得到的直流电通过中间电路进行平滑滤波处理，最后通过电机中的逆变器，将直流电转变为所需要频率的电流。

2.2 变频器的使用

变频器的使用是一个非常严谨的过程，包括对变频器的选择、安装以及工作环境要求，每一个过程对于变频器的使用都非常的重要，下面简单介绍一下变频器使用的各个流程的具体内容。

2.2.1 变频器的选择

对于变频器的选择，首先要考虑的就是变频器的品牌，我国国内变频器的品牌有上千家，所生产出来的变频器质量层次不齐，因此在选择的过程中要找对品牌，其中口碑较好的变频器品牌包括日本东芝、富士松下、三星、泰安、时代等等，这些品牌公司所生产的变频器质量都是非常不错的，在市场中的竞争力也比较大。接着在变频器的选择过程中，选购人员还要结合自身的状况，考虑采购储备资金进行相应的变频器购买。冶金生产中的变频器主要包括两大种类，一个是通用变频器，还有一个是专用变频器。在变频器的选用时还应该考虑到容量、负载等因素，在变频器容量的选择上，要事先确认工程设备的有关数值，以交变电流的额定电流为参考数值，进行精密的计算后再进行电容的选择；而变频器负载所要考虑到的因素就比较多了，首先变频器负载主要分为以下三类：恒功率负载、恒定转矩负载、降转矩负载，不同的类型对应不同的设备，因此在变频器的选择上还是要经过慎重考虑的。

2.2.2 变频器的安装

变频器的安装主要有两种，一种是挂式变频器安装，还有一种是柜式安装。在挂式安装中，主要要考虑的就是变频器与周边物体的安全距离，由于变频器在运转过程中会产生小型的电子立场，因此工作周围是不能够有杂物的，标准规范是两侧大于100mm，上下大于150mm。而柜式安装所要考虑到的因素相对而言比较多，首先单台变频器在安装过程中最好的办法是采用柜外冷却方式，并且下方还应该安装排风器，而多台变频器安装是要注意在每个变频器中间安装上隔板，避免安全事故的发生。

3 变频器的维护故障判断

3.1 参数设置类故障

有一种比较常见的变频器故障是参数设置故障，这种故障就是由于变频器出厂参数设置不准确导致变频器无法正常的工作，下面简单了解一下这种故障的判断以及处理方法。

3.1.1 参数设置

变频器经由厂家生产完成后，会进行一个出厂设置的参数处理，主要就是设定一个数据默认值，其设定的依据就是最大限度地满足本公司出产产品的参数需求，目的在于能够实现产品的联动销售。在这种出厂参数设置的条件下，用户可以通过板面操作使变频器正常的运行，但是要注意的是由于多重方面因素的影响（甲乙公司是竞争关系、产品公司之间的技术水平更新不一致），有的时候这些出厂参数并不能满足部分传动系统的要求，因此想要正确的去使用变频器，就要从下面两个方面进行操作：

（1）电机参数的确认。变频器在进行与冶金设备电机的配对过程中，要确保电机的功率、电压、转速等物理数值都符合一致才能够进行运转，这些数值在铭牌中都能够找到。

（2）设定变频器的启动方式，通常出厂设置为面板启动，但是用户可以按情况自主选择另外的起动方式，如外部端子、通讯方式等。

3.1.2 参数设置类的故障处理

当冶金在生产过程中，工作人员发现变频器发生故障后，要及时进行检查，并发现这是属于参数设置类型的故障，最好的办法就是找寻变频器的说明书，一般变频器出厂后附带的说明书会进行参数的详细介绍，工作人员可以依照说明书上的参数进行调整，当这种方法不可行时，企业应该选派专业的技术人员进行线上操作，将变频器的所有生产数值都恢复到出厂设置，然后再根据工作的具体情况进行数据的设置。

3.2 过压故障

变频器的过电压集中在母线的支路上。一般来说，直流电流是三相全波校正的平均值。以380V的电源电压为例，那么平均直流电压U=1.35u线路=513V。在过载情况下，对直流母线的储能电容器充电。当电压达到约760V时，逆变器提供电压保护。因此，转换器有一个正常的工作电压范围，如果电压超过此范围，转换器可能损坏。

3.2.1 输入交流电源

这种情况下一般是冶金电机的电压已经超过额定电压，导致电流过载故障，在节假日由于用电少负载轻，电压内部电流的降低导致线路出现故障，所以这种故障最好的解决方法就是断开电源后在进行一个全面的线路检查，随后由企业内的电工人员进行专门的处理。

3.2.2 发电类过电压

如果逆变器在高惯性负载下运行，延迟时间设置得非常低。在恢复过程中，逆变器的输出速度更快，负载电阻缓慢降低。发动机转速大于变频器输出频率的转速，电机处于功率模式，变频器没有能量反馈装置。因此，变频器二次电路的电压升高，超过保护值就会出现故障。出现该故障，可通过无线方式添加再生制动装置，或修改变频器的参数，以延长变频器的减速时间。制动总成的功能包括能耗、并联电子母线吸收式和能量反馈式。在能量大量消耗的情况下，制动电阻与逆变器的直流电路并联，以便通过检测直流母线电压来控制电源的接通和断开。并联直流母线吸收型用于多电机驱动系统，这种系统通常有一个或几个电机经常工作在电源状态，产生可再生能源，能量被并联母线吸收在电机的电态。能量反馈型的逆变器网络安装的是一种可逆的侧变流器。当可再生能源产生时，可逆变换器将可再生能源无敌馈回电网。这种故障也可能发生在多个交流电机施加相同的负载时，主要是因为没有负载分配。取两个电机拖动负载作为一个例子,当一个电机的实际速度大于其他电机的同步交流转速,电机的高速相当于原动机,与低速电机在发电状态产生冲突,导致失败。在造纸机中经常发生压网，加工时需要增加负荷分布控制。可以把交流的变频特性调节的更加柔和。

3.3 过载故障

过载故障通常是在加速时间太短、系统电压过低、负载过重等因素的影响下发生的。通常可以采用降低负载、稳定电压的方式解决。电机没有足够的扭矩驱动负载，一方面是负载过重，另一方面可能是机械运行的阻力过大，可以检查是否润滑良好。如果确定是负载过大，必须更换成更大功率的电机；如果是后者，则需要对冶金生产机械进行大修。

3.4 欠张力

另一个常见问题是张力不足，原因是电机上的电压低于某一个特定的值，导致实际电压低于额定值。主要原因是单向桥式电路损坏或晶闸管的三个电路工作异常，可能导致电压故障。其次，主线损坏，导致负载上的直流母线电源故障，可能导致欠压。此外，由于电源故障，还存在电压过低的问题。

3.5 过热

过热也是一个常见的错误。主要原因是环境温度过高、风扇锁定、温度传感器性能差以及发动机过热。

3.6 生产不平衡

输出不平衡通常表现为电机抖动和速度不稳定。主要原因是：组件不良、驱动循环不良、反应器不良等。

3.7 联轴器损坏电源

联轴器损坏电源是变频器最常见的故障，一般是由电源负载短路引起的。Danfos变频器使用新的脉宽集成控制单元uc2844调整电源输出。同时uc2844兼具电流与电压的检测反馈功能。当没有屏幕时，控制终端没有电压，当24V阀门不工作时，我们首先要考虑电源是否损坏。

3.8 SC错误

SC误差是安装变频的常见误差。SC错误报警的重要原因就是IGBT模块的损坏。此外，驱动电路的损坏很可能造成SC的错误报警。在电路的总体设计中，驱动的上桥安装的PC923是一个IGBT模块操作专用的带放大电路的光耦，下桥安装的驱动电路当中使用的则是一个带放大和检测功能的光耦。三相的电流、电压畸变和频率显示，但无电压影响，这些现象会损坏IGBT模块。还有许多因素会造成模块的损坏。包括但不限于负载缺少、短路，以及电机堵转等。此外，驱动部件的老化也会导致波形失真或驱动电压的不正常变化，从而导致IGBT损坏和设备故障报警。

3.9 GF土壤缺陷

GF土壤缺陷也是常见错误，除了发动机接地发生故障外，路径传感器是最可能发生问题的部分。在温度、湿度等环境因素的影响下，设备容易发生打滑，导致GF报警。

3.10 当前限制性操作

在正常操作中，我们可能会遇到变频器造成的电流限制。对于电流边界报警发生时不能正常平稳工作的普通变频器，电压（频率）应仅降低，直到电流降至允许范围。当电流低于额定值时，电压或系统频率会再次上升，从而导致系统稳定性下降。Danfos变频器使用内部倾斜控制装置定位工作点而不超过预定功率限制，控制发动机在工作场所平稳运行，并将警告信号发送回客户。根据反馈的信号，检查可能出现问题的部分。

4 用变频器的维护方法

4.1 附注

操作人员必须具备相关的从业经验以及知识能力，最好具有相关证书。在检测维修之前必须对所有设备切断供电。此外，当逆变器夹钳完全关闭时。

4.2 例行检查

打开变频器之前，必须测试周围环境的温度和湿度。温度过高会引起高温报警，未及时处理会导致设备的损坏。当空气潮湿时，逆变器内部直接短路。变频器运行时应注意冷却系统是否正常，如风机是否有异响，风道排气是否顺畅等。一般来说，保护等级相对较高的变频器（如IP20以上的变频器）可以直接连接，而低于IP20的变频器通常安装在外壳上。变频器能否及时散热决定着系统的正常运行。变频器的排气系统是风机平稳旋转的地方。我们的日常检查可以忽略进气口是否有灰尘或堵塞。发动机、变压器是否温度过高、是否有橡胶烧焦而发出的异味，系统是否有异常的声音？逆变器显示是否过大，电流变化宽度是否过大，输出UVW是否等于三相电压和电流。

4.3 定期维护

清洁空气滤清器冷却风道和内部灰尘。确认螺钉、螺栓、插头等松动或输入/输出电抗器的输入/输出电阻短路或不超过数十欧姆。导体和绝缘体的腐蚀必须擦拭干净。条件允许时，用示波器测量开关的电压是否稳定在设定的数值，检测各电路是否出现电压波形的失真。UVW相间波形是正弦的吗？无论触点上是否有标记，严重的必须更换为大于相同或原始容量的新触点。确认控制电路电压是否精准，并试运行对系统进行检测。确认保护显示电路无异常。确认逆变器运行期间的输出电压平衡。

建议每年进行一次定期检查。

4.4 备用交换机

变频器的组成元件很多，部分元件在使用较长时间后的老化是变频器故障的主要原因，为确保设施的长期正常运行，应定期更换一些老化的部件。

4.4.1 冷却风扇

逆变器是系统中最容易发热的设备，必须利用风扇对其进行散热处理。在变频器连续运行的情况下，典型风扇的使用寿命约为10kh～40kh，每2年～3年更换一次。直接冷却风机有两条线和三条线，两线风机的一条线为正极，另一条线为负极，连接不误为更换。请注意，三线制风扇为正极和负极，并且有一条检测线。否则会引起逆变器过热报警。交流风扇通常为220V和380V，但更换时不要弄错电压水平。

4.4.2 过滤能力

滤波器的电容也称为电解电容，用于减缓电压的变化，吸收频率低的电流以及阻止直流电的通过，工作时会大量产热进而导致电容过热影响其工作的效率与稳定性。正常容量寿命为5年。建议定期检查容量，并将容量更换20%或以上。

5 结语

变频调速以其效率高、功率因数高、调速和制动性能优良等诸多优点被公认为最有前途的调速方式。交流调速系统由变频器和交流电机组成，允许电压波动范围广，体积小，通信能力强，调速性能好，已广泛应用于冶金企业、工矿企业。变频器的日常维护是保障系统长期稳定工作的前提。如何进行变频器的维护保养是一件非常重要的工作，工作人员要切实做好变频器的维护工作并且掌握故障处理的方法，将公司生产故障降低到最小，提高生产力。