以一臺37kW變頻器為例,該變頻器故障現象為:運行當中出現隨機停機現象,可能幾天停機一次,也可能幾個小時停機一次,當停機后重新啟動時,接觸器噠噠跳動,有時會起動失敗,而且操作面板不顯示故障代碼。重復多次后,有時又能啟動成功,并運轉一段時間。
將變頻器從現場拆回,將控制板拆下,將熱繼電器的端子短接,以防進入熱保護狀態不能試機;將充電接觸器的觸點檢測端子短接,以防進入低電壓保護狀態不能試機,但是檢查下來找不到異常,所有功能都是好的。
又將控制板裝回機器,上電試機,起動時充電接觸器噠噠跳動,不能起動。拔掉12CN插頭散熱風扇的連線,為開關電源減輕負載后,情況大為好轉,起動成功率上升。
仔細觀察,起動過程中顯示面板的顯示亮度有所降低,因此判斷故障為開關電源帶負載能力差。
接下來拆下電源/驅動板,送入直流500V維修電源,單獨檢修開關電源電路。該變頻器開關電源電路為單端正激式隔離型開關穩壓電源。電路由分立元件組成,這種電路故障率較低。由開關管和分流控制管構成振蕩和穩壓電路的主干,外圍電路極其簡潔。
進一步檢測發現,開關電源的次級繞組及后續整流濾波電路,各路電源輸出空載時,輸出電壓為正常值。將各路電源輸出加接電阻性負載(如50歐5W電阻),電壓值略有降低;24V接入散熱風扇和繼電器負載后,5V降為 4.7V,此時屏顯及其它操作均正常。但若使變頻器進入啟動狀態,則出現繼電器噠噠跳動,間或出現“直流電壓低”、“CPU與操作面板通訊中斷”等故障代碼,使操作失敗。
測量中,當 5V降為 4.5V以下時,則變頻器馬上會從啟動狀態變為待機狀態。但詳查各電源負載電路,均無異常。
因此分析:控制電源帶負載能力差的判斷是正確的。由于CPU對電源的要求比較苛刻,不低于4.7V時,尚能勉強工作;但當低于4.5V時,則被強制進入“待機狀態”;在4.7V到4.5V之間時,則檢測電路工作,CPU發出故障報警。
接下來,遍查開關電源的相關元器件,竟發現“無一損壞”!無奈之下,試將U1(KA431AZ)的基準電壓分壓電阻之一的R1(5101)并聯電阻試驗,其目的是改變分壓值而使輸出電壓上升。測輸出電壓略有上升,但帶載能力仍差。該機的開關管Q2為高反壓和高放大倍數的雙極型三極管(NPN功率管),型號為QM5HLL-24;Q1為分流控制管,電路對這兩只管子的參數有較嚴格的要求,市場上較難購到。再結合故障現象分析,可能為開關管Q2低效,如β值降低,使TC2儲能下降,電路帶載能力變差;也可能為Q1的工作偏移,對Q2基極電流分流能力過強,使電源帶載能力變差。
但手頭無原型號開關管,用戶催修甚急。試調整電路,將分流調整管的工作點下調,使之降低對Q2基極電流的分流作用,進而提升開關管Q2的導通能力,使TC2儲能增加。試將與電壓反饋光耦串接的電阻R6(330歐)串聯47歐電阻,以減小Q1的基極電流,進而降低其對Q2的分流能力,使電源的帶載能力有所增強。
上電試機,無論加載或啟動操作, 5V均穩定輸出5V,故障排除(此故障排除是采取了權宜之計,應急修復的措施,并未查出和更換故障元件,對故障進行根治)! 故障推斷:
附記:以后該臺變頻器又因模塊損壞故障送修,手頭有QM5HLL-24管子,故換掉開關管Q2,將串接47Ω電阻解除,恢復原電路后,開關電源工作正常。說明該機器開關電源電路帶載能力差的故障原因,確系Q2開關管低效所致。
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接地故障是一種變頻器常見的故障,是變頻器內部系統檢測到輸出部分的漏電現象。
當變頻器輸出部分與變頻器外殼、或電機電纜與PE線、或電機繞組線圈與電機外殼短路后,變頻器就會檢測到接地故障。還有一種情況,當電機電纜太長,其等效電容也在增加,也有可能會出現接地故障。
檢修接地故障,要先判斷接地故障來源于變頻器內部還是變頻器外部,方法是拆除電機電纜引線,如果接地故障消失,問題在變頻器外部,如果接地故障依然存在,故障在變頻器內部。
對于變頻器內部的接地故障,視情況更換部件檢查。對于外部原因引起的接地故障,需要使用兆歐表檢測電機繞組對外殼的絕緣、電機電纜對PE線的絕緣。或檢查電纜是否過長引起的等效電容的增加。
過電流故障是一種多方面原因引發的故障。常見的過電流故障的原因是由于負載過重引起的。電纜的絕緣性能降低、電機繞組的絕緣性能降低也是引起過電流故障的其中一種原因。
變頻器與電機的匹配選型也很重要,選型時一定要保證在對應負載情況下,變頻器輸出電流比電機額定電流大。電機額定電流數據設置偏小,也有可能會引起變頻器報過電流或過載故障。
檢修過電流故障,先要從負載查起。可以拆除電機軸與負載的連接或有意的減輕負載,監控過電流故障是否消失,故障消失,表明過電流和負載有直接必然的聯系。如果是沒有變化,故障依然存在,就要考慮與電機或電機電纜的絕緣有一定關系。
試著拆除電機電纜與變頻器之間的連接,檢查變頻器的運行情況。如果變頻器運行(沒有連接電機)沒有故障出現,監控變頻器輸出沒有缺相現象,可以判斷變頻器不存在問題。需要進一步檢查電纜以及電機的絕緣強度。使用兆歐表遙測電纜及電機繞組的絕緣。(切記不允許使用萬用表檢測絕緣)再其次要檢查變頻器與電機的匹配,變頻器輸出電流值是不是小于電機額定電流。
另外還有些特殊情況要考慮,變頻器使用的環境溫度是否超高、是否在超海拔情況下運行、是否在較高的載波頻率下運行等,這些異常情況都會使變頻器的輸出能力減低,最終也會容易引起過電流故障。
短路故障指的是變頻器輸出側(連接電機部位)產生了直接短路(輸出2點之間電阻為零)或者是輸出側的絕緣電阻變小,當變頻器檢測到這些情況,啟動后就會立即報短路故障。
檢查短路故障,從變頻器輸出側著手。拆開電機電纜,在變頻器輸出側不連接電機情況下,觀測變頻器運行情況,運行變頻器并檢測輸出電壓達到輸入電壓,并且輸出電壓三相平衡。可以判斷變頻器不存在短路故障。問題來自于外部。主要檢查連接在變頻輸出測的電纜的絕緣或者是電機繞組的絕緣,絕緣電阻值為零或者是有所減小,要及時更換。
變頻器過溫,指的是變頻器功率器件的散熱片溫度達到了機器的報警極限或是故障極限,達到報警極限時,設備提示報警信息,不停機。達到故障極限時設備故障停機,保護變頻器。
變頻器過溫故障的檢查要從散熱和溫度檢測2個方面進行分析。變頻器運行時會產生大量的熱,大多數是靠風機散掉。風扇的運行直接影響著變頻器的散熱,所以,要先檢查風機的運行情況。有些變頻器的風機是交流電源供電,風機的轉向還與電源的相序有關系,這點不能忽視。
除了風機,還有變頻器內部的散熱片,特別是運行時間較長的變頻器,有的使用環境比較惡略,內部的散熱片透氣孔被堵住,也會影響變頻器的散熱。再說變頻器的溫度檢測,當變頻器實際溫度升高到故障的極限設定值后,其溫度檢測電路就會命令保護電路動作,關斷啟動命令,停機保護。這表明變頻器沒有故障,這種動作是正常的保護。
如果變頻器的實際溫度并沒有升高,但報出了過溫故障,這就是一種異常情況,要檢查變頻器內部問題。所以,變頻器的過溫故障的檢查要先判斷變頻器的實際溫度是否有過高,最簡單的辦法就是觸摸變頻器外殼的溫度,外殼溫度確實很高,要檢查變頻器的散熱情況,風機的運行以及內部的散熱片是檢查的重點。外殼溫度沒有升高趨勢,過溫故障就來自于變頻器的內部。
]]>經檢測,變頻器無明顯故障,上電測試直流回路電壓,在輸入電壓為380V時,直流電壓為540V左右(輕載),也正常,檢查不出變頻器故障的具體原因。然后在公司帶負載測試一天也未跳故障。但是回到生產現場,當變頻器滿載運行時,運行一段時間又跳欠電壓故障停機,檢測直流回路電壓,已跌至430V,這說明變頻器確實存在軟故障。
根據故障現象分析,有三個可能故障點:
經過以上檢查,仍未發現故障,但判斷還是電容的嫌疑最大, 雖然電容測試容量是滿足要求的。但本機故障表現,又確實表現為儲能電容的容量下降,起不到應有的儲能作用,而使直流回路的電壓下降,導致電壓檢測電路報出欠電壓故障。
此類故障往往又較為隱蔽, 尤其是大功率變頻器中的電容,運行多年后,其引出電極常年累月經受數百赫茲的大電流充、放電沖擊,出現不同程度的氧化現象,用電容表測量,容量正常;用萬用表測量,也有鮮明的充、放電現象,反向漏電流阻值也在容許范圍內,但接在電路中,則因充、放電內阻增大,相當于電容充、放電回路串接了一定阻值的電阻 。主要體現在兩個方面:
最后維修方案是購買6只8200μF 400V優質電解電容,將該機儲能電容全部更換,檢測測直流回路電壓,帶載情況下,主回路電壓達到520V以上,試機一段時間后一切正常,修復成功。
]]>知道了這些原因,那么在檢測時就可以針對性的進行分析:
首先:測量變頻器的電源電壓, 以排除電源方面的原因;
其次:變頻器上電運行, 測量主電路的P、N 端子的直流電壓值, 正常值約為500V 以上, 若測量值正常, 說明為變頻器直流電壓檢測電路誤報故障, 應檢修電壓檢測電路
最后:如果測量直流電壓值較低(500V 以下), 說明為變頻器主電路方面的原因。需要進一步檢查兩個方面:
一、變頻器輸入電抗器和濾波器
進線電抗器的主要目的是為了減小變頻器的整流單元和整流/回饋單元的諧波電流,限制由于電源電位的突降而產生的電流沖擊。
濾波器的作用是對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除。
進線電抗器可以抑制變頻器對電網的干擾,在同一電源有多臺電子設備運行時,由其是大功率變頻器,需要加裝輸入電抗器來抑制對輸入電源的干擾。 輸入側電抗器還有助于改善電源側的功率因數。
二、變頻器輸出電抗器
變頻器和電機之間的接線超長時,隨著變頻器輸出電纜的長度增加,會造成變頻器輸出的容性尖峰電流過大,引起變頻器過流跳閘保護,因此必須使用輸出電抗器或濾波器、正弦波濾波器等裝置對這種容性尖峰電流進行限制,還可以用來抑制諧波。
輸出電抗器的選擇和電纜長度、變頻器功率相關,一般超過100米就需要考慮安裝。
]]>首先根據設備的新舊,新應用還是老應用來做初步排查。
1、新設備或應用故障往往出現在選型不當,參數設置錯誤,外圍因素等方面
2、老設備則往往和內部部件損壞相關
可以看出,變頻器的故障多種多樣,解決問題的方法也各不相同。關鍵是要根據問題的本質找到最合適的解決方案,這才是正確的思路。
]]>上圖為ABB ACS880 變頻器原理圖,由圖可知,當變頻器上電時,先通過充電二極管,充電電阻給變頻器預充電,變頻器直流母線帶電后,通過直流電容、均壓電阻穩壓后給電源板供電,電源板將母線電壓降壓處理后再給整流觸發板等其他電路板供電,變頻器的整流觸發板通過控制三個整流橋的通斷,將二極管及充電電阻短路,變頻器完成預充電。
通過變頻器的上電原理,我們可以確立處理上電無顯示這類故障的基本步驟,就是先測量變頻器的直流母線電壓。
一、如果直流母線電壓正常,說明變頻器整流部分正常,那么我們判斷是顯示部分出了問題。我們來分析一下影響變頻器顯示的部件有哪些。
變頻器直流母線有電后,從直流母線到變頻器面板的供電路徑如下:直流母線—均壓電阻—電源板—INT板—ZCU板—控制面板。因此,當直流母線有電情況下,變頻器上電無顯示的故障原因就有以下幾種情況:
二、當用萬用表測量變頻器直流母線電壓為0時。通過變頻器上電原理,我們可以判斷,當變頻器上電無顯示,直流回路電壓又為0時,就可以判斷充電二極管或充電電阻損壞了。
主電路中,我們分三部分介紹,分別是:
一、交-直變換電路
交-直-交變頻器的交-直變換電路部分由整流電路、濾波電路、限流電路和電源指示電路組成。
交-直變換電路就是整流和濾波電路,其任務是把電源的三相(或單相)交流電變換成平穩的直流電。
1、全波整流電路
在SPWM變頻器中大多采用橋式全波整流電路,在中、小容量的變頻器中整流器件采用不可控的整流二極管或二極管模塊,如下圖所示變頻器交-直變換電路中的VD1~ VD6。當三相線電壓為380V時,整流后的電壓為510V左右。
2、濾波電路
在上圖中,濾波電路是指CF1和CF2。由于受到電解電容的電容量和耐壓能力的限制,濾波電路通常由若干個電容器并聯成一組,又由兩個電容器組CF1和CF2串聯而成。為了保證電容器組的電壓相等,在CF1和CF2旁各并聯一個阻值相等的均壓電阻RC1和RC2。
3、限流電路
1)在上圖中,限流電路是指串接在整流橋和濾波電容器之間,由限流電阻RL和短路開關SL組成的并聯電路。
2)限流電阻RL的作用是:變頻器在接入電源之前,濾波電容器CF(由CF1和CF2串聯而成)上的直流電壓UD=0。因此,變頻器剛接入電源的瞬間,將有一個很大的沖擊電流經整流流向濾波電容,可能損壞整流橋。如果電容器的容量很大,還會使電源電壓瞬間下降而形成對電網的干擾。限流電阻RL是為了削弱該沖擊電流而串接在整流橋和濾波電容間的。
3)短路開關SL的作用是:如果限流電阻RL長期接在電路內,會影響直流電壓UD和變頻器輸出電壓的大小。所以,當UD增大到一定程度時,令短路開關SL接通,把RL切出電路。SL大多由晶閘管構成,在容量較小的變頻器中常由繼電器的觸點構成。
4、電源指示電路
電源指示燈HL除了表示電源是否接通外,還有一個十分重要的功能,即在變頻器切斷電源后,表示濾波電容器CF上的電荷是否已經釋放完畢。
由于CF的容量較大,而切斷電源又必須在逆變電路停止工作的狀態下進行,所以CF沒有快速放電的回路,其放電時間往往長達數分鐘。又由于CF上的電壓較高,如果不放完電,對人身安全將構成威脅,故在維修變頻器時,必須等HL完全熄滅后才能接觸變頻器內部的導電部分。所以,HL也具有提示保護的作用。
二、直-交變換電路
1、三相逆變橋電路
逆變橋電路的功能是把直流電轉換成三相交流電。逆變橋電路由下圖中的開關器件 V1~V6 構成。目前中、小容量的變頻器中,開關器件大部分使用IGBT 管。
2、續流電路
續流電路由上圖中的VD7~VD12構成。其功能如下:
1)為電動機繞組的無功電流返回直流電路提供通路。
2)當頻率下降從而同步轉速下降時,為電動機的再生電能反饋至直流電路提供通路。
3)為電路的寄生電感在逆變過程中釋放能量提供通路。
3、緩沖電路
逆變管在關斷和導通的瞬間,其電壓和電流的變化率是很大的,有可能使逆變管受到損害。因此,每個逆變管旁還應接入緩沖電路,以減緩電壓和電流的變化率。緩沖電路的結構因逆變管的特性和容量等的不同而有較大差異,下圖所示的是比較典型的一種緩沖電路(由R01~R06、C01~C06、VD01~VD06構成)。
各元件功能如下:
1)電容C01~C06
逆變管 V1~V6每次由導通狀態轉換成截止狀態的過程中,集電極和發射極之間的電壓UCE將極為迅速地由近乎0V上升至UD。在此過程中,電壓增長率是很高的,很容易導致逆變管損壞。C01~C06的功能便是減小V1~V6在關斷時的電壓增長率。
2)電阻R01~R06
V1~V6每次由截止狀態轉換為導通狀態時,C01~C06上所充的電壓(等于UD)將向V1~V6 放電。放電電流的初始值是很大的,并且將迭加到負載電流上,導致V1~V6 損壞。電阻R01~R06就是用來限制C01~C06對V1~V6的放電電流的。
3)二極管VD01~VD06
限流電阻R01~R06的接入,又會影響C01~C06在V1~V6關斷時限制電壓增長率的效果,VD01~VD06接入后,在V1~V6的關斷過程中,使R01~R06不起作用。
三、能耗制動電路
1、能耗制動電路的作用
在變頻調速系統中,電動機的降速和停機是通過逐漸減小頻率來實現的。在頻率剛減小的瞬間,電動機的同步轉速隨之下降,而由于機械慣性的原因,電動機的轉速未變。當同步轉速低于轉子轉速時,轉子繞組切割磁力線的方向相反了,轉子電流的相位幾乎改變了180°,使電動機處于發電狀態,也稱為再生制動狀態。
電動機再生的電能經續流二極管(上圖中的VD7~VD12)全波整流后反饋到直流電路中。由于直流電路的電能無法回輸給電網,只能由CF1和CF2吸收,使直流電壓升高為“泵升電壓”。過高的直流電壓將使變流器件受到損害。因此,當直流電壓超過一定值時,就要求提供一條放電回路,將再生的電能消耗掉,這一條放電回路就是能耗制動電路。
2、能耗制動電路的構成
能耗制動電路由制動電阻RB和制動單元BV構成,如下圖所示。
制動電阻RB用于消耗掉直流電路中的多余電能,使直流電壓保持平穩。制動單元BV的功能是控制放電回路的工作,具體地說,當直流回路的電壓UD超過規定的限值時,VB導通,使直流回路通過RB釋放能量,降低直流電壓;而當UD在正常范圍內時,VB將可靠截止,以避免不必要的能量損失。
]]>從控制方式上看,有本地控制盤控制,控制盤控制就是在變頻器上直接用操作面板控制或者是PC工具軟件控制。控制盤控制是在控制面板上給定,在控制面板上啟動/停止。PC工具是專用的一些軟件,通過傳輸電纜也可以控制變頻器。這些控制也叫作本地控制。
除了本地控制,還有外部控制。外部控制在變頻器之外,由外部發送控制邏輯控制變頻器。變頻器可以通過控制面板的本地/遠程切換鍵切換本地控制和外部控制。
外部控制也包括很多種類:
1.外部I/O端子控制,外部I/O端子控制包括模擬量輸入端子、數字量輸入端子、模擬量輸出端子、繼電器輸出端子等
2.現場總線適配器控制。現場總線適配器控制就是通過PIC或者是電腦,通過不同的通訊協議卡,連接成控制鏈路,具有接線簡單的特點。
3.DDCS通訊模塊控制,DDCS控制也是通過電腦控制變頻器。
4.外部控制也可以通過控制面板完成對變頻器的控制
5.主從鏈路控制,主從控制就是一個主機,多個從機的控制。一般主機是轉速控制,從機可以是轉速控制,也可以是轉矩控制。一個主機最多可以帶10個從機。
參見下面示意圖:
從對電機的控制來看,有對電機的轉速控制、對電機的頻率控制以及對電機的轉矩控制。
電機的轉速控制,就是要保證在一定負載范圍內,電機的轉速是恒定不變的。當負載輕時,變頻器會減小輸出給電機的轉矩,當負載重時,變頻器增加給電機的轉矩,來保證電機的速度不變。所以,變頻器速度控制就是轉矩變化,速度不變的控制。轉速控制可以在標量模式下使用,也可以在DTC模式下使用。
電機的頻率控制,就是要保證在一定負載范圍內,電機的頻率是恒定不變的。當負載輕時,變頻器會減小輸出給電機的轉矩,當負載重時,變頻器增加給電機的轉矩,來保證電機的頻率不變。所以,變頻器頻率控制就是轉矩變化,頻率不變的控制。這種控制只能在標量模式下使用
電機的轉矩控制,轉矩控制是在一定負載范圍內,電機的轉矩是恒定的,當負載輕時,電機的轉速變快。當負載重時,電機的轉速變慢。所以,電機轉矩控制就是轉矩不變,轉速變化的控制。轉矩控制只能在DTC模式下使用。
從ABB變頻器控制精度上看,變頻器控制分為開環控制和閉環控制。開環控制就是無外圍編碼器的控制。閉環控制是帶有外圍編碼器的控制。開環控制與閉環控制主要區別是控制的精度,閉環控制要比開環控制的精度高。對于一些控制精度高的場合,要加編碼器控制。
]]>另外,電動機產生振動,也容易使冷卻器水管振裂,焊接點振開,同時會造成負載機械的損傷,降低工件精度,導致所有遭到振動的機械部分的疲勞,使地腳螺絲松動或斷掉,并使電動機產生很大噪音。
電機產生振動的原因很多,主要有三種情況:電磁方面原因;機械方面原因;機電混合方面原因。本文主要介紹一下與變頻器相關的原因及處理方法。
一、變頻器輸出不平衡變頻器三相電壓輸出不平衡,導致電機三相電流不平衡,從而導致電機振動。這種情況有可能是變頻器IGBT、或控制IGBT觸發的回路出現問題,將故障元件更換就可解決問題。
二、電機發生共振這種情況,可以在變頻器中設定跳躍頻率來避免。以ACS510變頻器為例,假如電機的共振頻率為10-14HZ,則將參數2502危險頻率低限設為10HZ,2503危險頻率高限設為14HZ,如此變頻器將不會運行在10-14HZ區間,從而避免電機發生共振。
三、諧波影響在變頻器中,通常使用晶閘管、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)等開關元件來控制電源的輸出電壓和頻率。這些開關元件在開關過程中會引入非線性特性,從而導致諧波的產生。當電機受到諧波的作用時,會產生額外的力矩,導致電機的轉子振動。高次諧波的產生與頻率范圍、傳輸路徑、環摬條件等相關。
我們通常可以通過加裝輸入、輸出電抗器等濾波裝置來減少諧波的產生。
四、參數設置問題變頻器的參數設置不合理會導致電機運行時產生抖動。解決辦法是根據電機的特性和工作要求,合理設置變頻器的參數,如加速時間、減速時間等,如大力矩負載應使用矢量控制或DTC控制等。
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