低压变频器

产品定义电压等级低于690V的可调输出频率交流电机驱动装置，就归类为低压变频器。

控制方式

随着低压变频器技术的不断成熟，低压变频的应用场合决定了它不同的分类。单从技术角度来看，低压变频器的控制方式也在一定程度上表明了它的技术流派。我们在此分析了以下几种控制方式：

正弦脉宽调制（SPWM）其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。但是此种控制方式也是目前变频器普遍使用的控制方式之一。也是目前国产品牌使用最多的控制方式之一。

电压空间矢量（SVPWM）它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。由于众多国产变频器在矢量控制上还与国外品牌有一定差距，因此SVPWM控制方式在国内的变频器矢量控制方式中比较常见。

矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。使用矢量控制，可以使电机在低速，如（无速度传感器时）1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150%）。对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。这个功能即为转矩提升。转矩提升功能提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。矢量控制则把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值。矢量控制可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。矢量控制方式也因此成为国外品牌占领高端市场的一个重要的优势。

直接转矩控制（DTC）方式 该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。ABB公司的ACS800系列即采用这种控制方式。

矩阵式交—交控制方式VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前尚未成熟，其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（±2%，无PG反馈），高转矩精度（<+3%）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150%～200%转矩。

节能原理

变频节能

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。

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%。

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。

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。

应用领域

在应用领域而言，变频器在我国各行各业均已得到应用，如冶金、化工、造纸、机械等行业。具体应用更广泛，小型的应用如各行各业的鼓风机、输送机、给料机、搅拌机、研磨机、粉碎机、切纸机、压延机、挤压机、阀门、压缩机、冷却踏、塑料机械、电梯、各种纺织行业等；大型的应用领域如造纸厂的造纸机、模具厂的注塑机、冶金厂的轧钢机、以及化工等行业的风机、水泵、起重机、输油管道等。

化工、石材、纺织行业变频器的运用差异性大，各种档次的产品在这些行业都能发现对应的用户，因此化工、石材、纺织行业是变频器品牌最复杂的行业，几乎所有的品牌在化工、石材、纺织行业都有市场。低压变频器常见应用领域如下：

1、风机

随着工业的不断发展，风机的应用越来越广泛，尤其是在化工、石材、纺织行业能应用到风机的方面很多。而在风机设计时普遍存在过风量问题，在风量需要调节时普遍采用节流，即风门调节方式，而这都是不必要的损耗，使用变频调速后，可根据实际需要方便地调节，由于去除了不必要的损耗，同时提高了功率因素，其综合节电率都在30%以上。

2、调速机械

需要调速的机械中如：挤压机、物料进给调节、传送带等基本上采用滑差调节电机，三相整流子电机或直流电机调速，调速电机的速度调节性能不好，转速稳定性差，故障率高，效率低。而直流电机和整流子电机结构复杂，故障率高，维修费用高，其工作时会产生火花，极不安全。以上这些电机调速稳定性差，如用异步电机加变频调速器替代以上这类电机，可大大提高效率，省电，维修量小，安全，可靠，投资回报期短，对提高企业经济效益极为有利。

应用情况

目前孤东采油厂在用各种变频器达到480余台，其中三采中心270余台，采油一矿45台，采油二矿13台，采油三矿22台，采油四矿43台，新滩试采矿57台，集输大队27台。主要有美国的ABB、罗宾康，日本的富士、安川、三肯、东芝和日立，德国的西门子。目前国产变频在控制技术和功能上，已取得了显著的进步和成就，所以近两年来油厂国产变频器的数量正逐步提高，主要有春日、森兰和烟台惠丰等品牌。

主要问题

孤东采油厂技术质量监督站自2005年开展了变频器维修工作，先后组织了现场维修150台次，总功率达到5800千瓦。从维修情况来看，变频器发生故障或损坏的特征，一般可分为两类：一种是在运行中频繁出现的自动停机现象，并伴随着一定的故障显示代码，其处理措施可根据随机说明书上提供的指导方法，进行处理和解决。这类故障一般是由于变频器运行参数设定不合适，或外部工况、条件不满足变频器使用要求所产生的一种保护动作现象；另一类是由于使用环境恶劣，高温、导电粉尘引起的短路、潮湿引起的绝缘降低或击穿等突发故障（严重时，会出现打火、爆炸等异常现象）。具体表现为：

主控电路故障

主要包括主板，电源板，逆变器、滤波电容等主控电路损坏。

冷却直流风扇故障

风扇属于易损件，工作寿命在2—5年，但是因为变频器种类繁多，功率大小不同所以内部直流风扇额定电流不同而不通用，部分风扇损坏后因为缺乏备件无法及时更换。

外围控制器件故障

变频柜内变频器本身无故障，但外部控制电路系统发生故障。由于使用年限较长，且控制电路又比较复杂，既没有电路图，又没有线号，线路多而且复杂，给维修造成不便。

散热不良

变频柜设计不合理，内部过于狭窄，散热通风效果差，导致散热不良。部分变频器工作环境比较恶劣，风沙及尘土集聚较多，严重影响了变频器的正常运行，甚至造成停机故障。变频柜散热导流风扇属于易损件，寿命一般在2年左右，但是大部分变频柜散热风扇损坏后，没有及时更换，造成散热不良，造成变频器工作稳定性差、老化加剧、过热报警频发等现象发生。

日常维护工作跟不上

变频器日常维护工作跟不上。操作人员对变频路基本操作及一些基本参数设置不了解，使用过程中不能及时发现问题。

“小马拉大车”问题

“小马拉大车”问题。由于当时投产设计时的工作条件下限制，设计安装时为节省资金，许多地方都有采用了变频功率小于电机额定功率，但随着工艺生产条件的变化，出现“小马拉大车”问题，造成变频器不能正常运行。如一号联水外输、三号联提升和KDl8号站注水等。

故障原因

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动作及发生故障，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显得尤为重要。变频器在正常使用6—10年后，就进入故障的高发期，经常会出现元器件烧坏、失效、保护功能频繁动作等故障现象，严重影响其正常运行。

外部的电磁感应干扰易造成故障

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。在外部采取噪声抑制措施，消除干扰源显得非常必要。具体解决办法有：一是尽量缩短控制回路的配线距离，并使其与主线路分离；二是变频器接地端子应按规定进行，不能同电焊、动力接地混用；三是变频器输入端安装噪声滤波器，避免由电源进线引入干扰。

环境问题造成的故障

变频器属于电子器件装置，在其规格书中有详细安装使用环境的要求。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生锈、接触不良、绝缘降低而形成短路；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。

定期检查变频器的空气滤清器及冷却风扇是非常必要的。目前采油厂在用变频器的冷却风扇损坏比较严重，而且部分变频工作环境比较差，严重影响散热及空气流通，导致变频器在高温季节易跳闸、过热报警。

参数设置及设备引起的故障

故障主要发生在注聚泵用低压变频器，故障主要表现为起动时并不立即跳闸，而是在运行过程中跳闸。可能的原因有：

（1）泵工作状态不稳定；

（2）管线压力过大；

（3）升速时间设定太短；

（4）降速时间设定太短；

（5）转矩补偿设定较大；

（6）引起低速时空载电流过大；

（7）电子热继电器整定不当，动作电流设定得太小、引起误动作。

主板及主电路的故障

由于使用年限较长和一些突发原因，而造成主板及主电路损林，此类故障发生必然造成元器件的损坏和报废，是变频器维修费用的主要消耗部分。主要有：

（1）整流块的损坏；

（2）充电电阻损坏；

（3）逆变器模块烧坏；

（4）滤波电容的损坏；

（5）主板、电源板损坏。

维护不当造成的故障

大部分变频器过热报警故障，除了冷却系统风扇损坏的原因外，还有一个主要原因，就是日常维护的缺乏，变频器散热器灰尘积攒严重，影响散热。

故障处理

使用变频器之前，要对 变频器参数时从以下几个方面进行：

第一，确认电机参数，变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。

第二，变频器采取的控制方式，即速度控制、转距控制、PID 控制或其他方 式。

第三，设定变频器的启动方式。

第四，给定信号的选择。

一旦发生了参数设置类故障后，变频器都不能正常运行，一般可根据说明 书进行修改参数。如果以上不行，最好是能够把所有参数恢复出厂值，然后按上述步骤重新设置，对于每一个公司的变频器其参数恢复方式也不相同。

变频器的过电压集中表现在直流母线的支流电压上。正常情况下，变频器直 流电为三相全波整流后的平均值。因此，变频器来说，都有一个正常的工作电压范围，当电压超过这个范围时很可能损坏变频器。

输入电压超过正常范围指一般发生在节假日负载较轻，电压升高或降低而线 路出现故障，此时最好断开电源，检查、处理。

出现概率较高的故障主要是电机的同步转速比实际转速还高，使电动机处于 发电状态，而变频器又没有安装制动单元，有两起情况可以引起这一故障。

第一，当变频器拖动大惯性负载时，其减速时间设的比较小，在减速过程中，变频器输出的速度比较快，而负载靠本身阻力减速比较慢，使负载拖动电动机的 转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高，电动机处于发电状态，而变频器 没有能量回馈单元，因而变频器支流直流回路电压升高，超出保护值，出现故障，而纸机中经常发生在干燥部分，处理这种故障可以增加再生制动单元，或者修改 变频器参数，把变频器减速时间设的长一些。

第二，多个电动施动同一个负载时，也可能出现这一故障，主要由于没有负 荷分配引起的。以两台电动机拖动一个负载为例，当一台电动机的实际转速大于另一台电动机的同步转速时，则转速高的电动机相当于原动机，转速低的处于发 电状态，引起故障。在纸机经常发生在榨部及网部，处理时需加负荷分配控制。可以把处于纸机传动速度链分支的变频器特性调节软一些。

过流故障可分为加速、减速、恒速过电流。其可能是由于变频器的加减速时 间太短、负载发生突变、负荷分配不均，输出短路等原因引起的。这时一般可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查。如果断开负载变频器还是过流故障，说明变频器逆变电路已环，需要更换变频器。

过载故障包括变频过载和电机器过载。其可能是加速时间太短，直流制动量 过大、电网电压太低、负载过重等原因引起的。一般可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等。负载过重，所选的电机和变频器不能拖动该负载，也可能是由于机械润滑不好引起。如前者则必须更换大功率的电机和变频器；如 后者则要对生产机械进行检修。

如果变频器欠压。说明变频器电源输入部分有问题，需检查后才可以运行。如果变频器温度过高。如电动机有温度检测装置，检查电动机的散热情况；变频 器温度过高，检查变频器的通风情况。对于其他情况，如硬件故障，通讯故障 等，可以同供应商联系。

故障现象：某变频器在运行中突然发生跳闸现象，操作人员立即进行复位，并使变频器再次运行，大约运行 5min 以后，又发生跳闸，复位，运行多次，触 摸面板均显示为 FL 代码。故障分析：由于触摸面板均显示为 FL 代码，显然是主 器件自保护工作了，主器件自保护诊断内容为短路、接地、过电流、散热器过热等。因此，我们用兆欧表对负载侧进行检测，未有短路、接地现象。检查机组运 转声音、振动均正常，并且运转灵活，无卡滞现象。在工艺条件不变的情况下，不会造成超载，因此，过电流亦不可能。排队上述故障后，余下可能是过热故障。仔细检查内部冷却风扇，发现顶部一只冷却风扇已不在运转。检查时要特别留心，由于底部冷却风扇在运行，顶部风扇也有可能被风带动，因而顶部风扇的运转情 况要仔细分析检查。此时应该更换风扇。

几点建议

l、规范变频设备进入渠道，建立准入制度。

目前孤东采油厂变频器品种繁多，各种变频器之间器件并不通用，造成了备料困难，增加了成本利维修的难度，因此建议规范变频设备进入渠道，建立市场准入制度减少引进变频器的品牌种类，降低后期维护、维修成本。

（1）限定品牌范围

限定品牌范围，如近年来在孤东采油厂内出观故障率低，运行可靠的某些品牌。建议规范为富士、ABB、森兰等品牌。

（2）规范引入渠道

规范引入渠道，对引入设备的厂家技术力量售后服务进行考察，对新引入变频设备验收时要求资料配备完整，包括线路图、说明书等，便于以后出现故障进行维护。

2、建立变频器日常保养制度

对变顺器的管理进行规范，由专人负责对变频设备进行日常维护保养。日常维护保养的具体内容可以分为：

（1）运行数据记录，故障记录：

定期测量变频器及电机的远行数据，包括变频器输出频率，输出电流，输出电压，变频器内部直流电压，散热器温度等参数。与合理数据对照比较，以利于早日发现故障隐患。变频器如发生故障跳闸，务必记录故障代码和跳闸时变频器的运行工况，以便具体分祈故障原因。

（2）变频器日常检查：

每两周进行一次，检查记录运行中的变频器输出三相电压，并注意比较它们之间的平衡度；检查记录变频器的三相输出电流，并注意比较它们之间的平衡度；检查记录环境温度，散热器温度；察看变频器有无异常振动，声响，风扇是否运转正常。

（3）变频器保养：

每台变频器每季度需要清灰保养1次。保养要清除变频器内部和风路内的积灰、脏物，将变频器表面擦拭干净，变频器面板要保持清洁光亮；在保养的同时要仔细检查变频器，察看变频器内有无发热变色部位，阻尼电阻有无开裂现象，电解电容有无膨胀漏液防爆孔突出等现象，PCB板有否异常，有没有发热烧黄部位。

3、加强培训

（1）对变频设备操作、管理人员进行基础培训，掌握变频器日常维护保养的知识以及了解基本参数的设置。

（2）对变频器维修人员进行系统的培训，以便今后更好地开展维修工作。

起重机业应用

起重机械按照特点分类：轻小型起重机械、起重葫芦、悬挂羊轨系统、桥架型起重机及桥式起重机、门式起重机、半门式起重机、臂架型起重机、流动式起重机、塔式起重机、门座起重机和其它起重机械。

在起重机械行业，变频器应用最大的市场是港口机械，港口机械是自动化程度最高的细分行业，在大型的岸桥上，一套变频器由5-6台变频器组成；其次是通用桥架型起重机市场，虽然通用桥架式起重机的应用比例不是很高，但台量基数大；再次为塔机市场，主要是中大型塔机上应用，出口的塔机应用比例较高；另外，冶金起重机所占比例也不小；施工升降机及立体停车设备的市场份额目前还尚小。

起重机采用变频器驱动后使整机性能有较大提高，如效率高、功率因数好、节能效果显著；外部配线简单、配线费用下降；可无级调速、行走平滑稳定；电动机构造简单、可靠性高，能在恶劣环境下使用，大大减少了维修工作量和易损部件，极大地改善了维护性能；变频器自身保护功能齐全，如过流、过载、过压等都能及时报警及停止，减少了起重机故障，提高了安全性能。同时，变频器具有限流作用，软起动可以减少起动时对电网的冲击，有利于车间内其它设备正常运行。