1 變頻器測量及保護電路

變頻器的原理框圖如圖1 所示。

1.1 電流實際值檢測

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，并通過求累計平均值的方法計算各次諧波分量的有效值。電流實際值檢測電路圖如圖2 所示。

電流實際檢測主要用于輸出電壓的修正，以及過電流、過載保護。

輸出電壓的修正分兩部分：第一部分用I·R 補償環(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)進行過電流過載計算后，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，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，封鎖功率開關(guān)器件，進行停機保護。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 外部接點信號輸入檢測

可通過外部接點信號輸入進行開、停機控制，外部接點信號輸入電路如圖緣所示。

1.5 過電壓保護電路

過電壓保護電路如圖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)電動機突然停車時，電動機的機械能將轉(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，保護功率器件，設(shè)置過電壓保護電路是必要的。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)的電壓保持在基準值之下。

1.6 過電流保護電路

過電流保護電路如圖7所示。過電流保護通過檢測逆變器直流電路中的電流Id，將檢測信號回饋給控制系統(tǒng)，當(dāng)電流超過限定值時，會立即自動封鎖6 路觸發(fā)信號，實現(xiàn)保護。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，A 點為高電平，自動封鎖SLE4520 的輸出端，保護主電路。

1.7 過溫保護電路

在變頻器工作過程中，功率器件會發(fā)熱，嚴重時會造成器件的損壞。過溫保護電路如圖8 所示。

電路的核心是一個電位比較器，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，比較器輸出翻轉(zhuǎn)為低電平。這個信號將立即申請中斷，中斷服務(wù)程序?qū)⑼瓿捎|發(fā)脈沖的封鎖或停機等功能，實現(xiàn)保護。

1.8 電子熱過載斷電器

通過設(shè)定該項功能有效和具體的保護值后，當(dāng)電動機出現(xiàn)過電流或過載時，就能避免變頻器和電動機的損壞。因電動機的過載倍數(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)變頻器和電動機容量不匹配時，應(yīng)根據(jù)具體情況設(shè)定，如圖9 所示。

2 變頻器的保護功能與故障處理

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、報警及保護功能也非常齊全，熟悉這些功能對于正確使用變頻器極其重要。

變頻器的保護功能主要有過電流、過電壓、欠電壓、散熱板過熱、外部報警輸入、逆變器過熱、電動機過載、逆變器過載、熔斷器燒斷、通信出錯、CPU出錯和運轉(zhuǎn)出錯等。變頻器在保護功能動作后，面板上會有相應(yīng)的顯示，指示故障原因。

過電流保護是電動機在加速、減速和恒速運轉(zhuǎn)時，如果逆變器輸出電流大于電流保護設(shè)定值時，就會引起的電流保護功能動作。

這時應(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，負載是否突然變化，加速時間是否不夠等情況。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機絕緣，消除突變負載，延長加速時間，增大變頻器容量或查找噪聲干擾源并進行清除。

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)生欠電壓保護時分兩種情況：一種是選擇了瞬時停電再起動功能的，變頻器會自行起動，不輸出報警信號;另一種是電壓過低以至不能維持逆變器控制電路電壓時，全部保護功能自動復(fù)位，這時應(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)中是否有大起動電流的負載等，并進行相應(yīng)故障處理。

對外部報警輸入造成的保護動作，應(yīng)檢查接線是否正確、負載是否太大、環(huán)境溫度是否恰當(dāng)、制動頻率是否太高，并進行故障處理。

對熱過載的情況，應(yīng)根據(jù)面板顯示的信息，相對應(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--]

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

對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 使用變頻器時的其他注意事項

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

3.1 接線與防止噪聲時的注意事項

(1)選用在輸出側(cè)最大電流時，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，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)為了防止多路信號的相互干擾，信號線以分別絞合為宜，如圖11 所示。

(5)如果操作指令來自遠端，需要控制電路配線加長時，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

雖然變頻器有很多優(yōu)點，但也可能引起一些問題，如產(chǎn)生高次諧波對電源的干擾、功率因數(shù)降低、無線電干擾、噪聲和振動等。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)可能會引起噪聲，這將對附近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，若導(dǎo)線線徑太大不好繞，則將4個電抗器固定在一起，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，會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(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，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，可能也會導(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)動的電動機的振動和噪聲比用常規(guī)電網(wǎng)驅(qū)動的要大，這是因為變頻器輸出的諧波增加了電動機的振動和噪聲。若在變頻器和電動機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，即使變頻器沒運行也會有問題發(fā)生。輸入電壓過低時，會使最大輸出電壓降低，所以在高速時會造成電動機轉(zhuǎn)矩不足的現(xiàn)象。

(6)功率因數(shù)補償可以使用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償功率因數(shù)，因為變頻器輸出的是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)，絕不取決于電動機的功率因數(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)電動機運行于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍內(nèi)時，電動機電流(變頻器輸出電流)基本恒定，所以，銅損耗不變。然而，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速頻率下降時，電動機自冷卻風(fēng)扇的冷卻效果將會下降，所以使用時應(yīng)該注意。換言之，當(dāng)頻率下降時，由于電動機散熱效果變差，允許的電動機連續(xù)運行電流下降，也即轉(zhuǎn)矩下降，這是變頻器使用中必然遇到的情況。

(8)單相電動機不能使用通用變頻器來驅(qū)動。

3.3 變頻器用于特殊電動機時的注意事項

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

(2)變頻器用于變極電動機時，在變頻器的速度范圍更寬時可以使用，但是必須充分注意選擇變頻器的容量，使電動機最大額定電流在變頻器的額定輸出電流以下。另外，在運行中進行極數(shù)轉(zhuǎn)換時，請先停止電動機工作，若在工作中進行切換，有可能會使過電壓保護或過電流保護動作，造成電動機空轉(zhuǎn)，嚴重時會損壞變頻器。

(3)驅(qū)動防爆電動機時，變頻器因沒有防爆構(gòu)造，應(yīng)將變頻器設(shè)置在危險的場所之外或置于防爆外殼內(nèi)。

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

(5)變頻器驅(qū)動繞線轉(zhuǎn)子異步電動機運行時，由于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的阻抗小，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)子異步電動機多用于飛輪力距GD2較大的場合，并應(yīng)注意加/減速時間的設(shè)置。

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

(7)對于壓縮機、振動機等轉(zhuǎn)矩波動大的負載和油壓泵等有峰值負載的情況，如果按照電動機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動作的現(xiàn)象。一個可行的辦法是察看工頻運行時的電流波形，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)動潛水泵電動機時，因為其額定電流比通用電動機的額定電流大，應(yīng)使變頻器的額定電流大于潛水泵電動機的額定電流。

(9)單相電動機不適合用變頻器驅(qū)動。當(dāng)使用電容器方式的單相電動機時，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)在工作運行時，有些故障是由電動機的原因引起的，因此，除了檢查變頻器，還應(yīng)檢查電動機的各個環(huán)節(jié)是否正常。日常工作中也應(yīng)注意對電動機的維護。