變頻器基礎(chǔ)知識、
日常維護與常見故障處理方法
2014年11月
目 錄
1.1異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng) …………………………………………………… 1
1.1.1 交流異步電動機變頻調(diào)速基本原理 ………………………………… 1
1.1.2 變頻與變壓的實現(xiàn)---SPWM調(diào)制波 ………………………………… 4
1.2 變頻調(diào)速的控制方式………………………………………………………… 8
1.2.1 保持V/f比恒定 ……………………………………………………… 8
1.2.2 保持輸出轉(zhuǎn)矩為常數(shù)（恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）………………………………… 8
1.2.3 保持輸出功率轉(zhuǎn)矩為常數(shù)（恒功率調(diào)速）…………………………… 8
1.2.4 矢量控制 ……………………………………………………………… 9
1.3 變頻器常見故障，故障原因及處理方法…………………………………… 9
1.3.1 過電流保護（OC）… ………………………………………………… 9
1.3.2 過電壓保護（OV）… ………………………………………………… 10
1.3.3 過載保護（OLT） …………………………………………………… 10
1.3.4 散熱片過熱（OH） …………………………………………………… 10
1.3.5 電子熱量（ETH） …………………………………………………… 11
1.3.6 低電壓保護（LO） …………………………………………………… 11
1.3.7 輸出缺相（OPO） …………………………………………………… 11
1.4 變頻器的參數(shù)設(shè)定 ………………………………………………………… 12
1.5 變頻器的日常維護 ………………………………………………………… 12
1.6 變頻器維修要點及無顯示維修實例 ……………………………………… 14
1.7 變頻調(diào)速系統(tǒng)常見故障與處理方法 ……………………………………… 15
1.8 變頻器實物剖析………………………………………………………………16
附錄：
1， SAMCO-VR05變頻器說明書（電子文檔，PDF文件）
2， 臺達變頻器參數(shù)一覽表（電子文檔，PDF文件）
3， 臺達變頻器技術(shù)資料（電子文檔，各種文件）
1.1.1 交流異步電動機變頻調(diào)速基本原理
交流異步電動機的轉(zhuǎn)速可由式（1-1）表示：
（1-s） (1-1)
式中：n—電動機的轉(zhuǎn)速（r/min）;
f—電源頻率（Hz）;
p—電動機磁極對數(shù)；
s—電動機轉(zhuǎn)差率。
由式（11-1）可見，影響電動機轉(zhuǎn)速的因素有：電動機磁極對數(shù)p,轉(zhuǎn)差率s和電源頻率f 。其中，若能連續(xù)地改變異步電動機的電源頻率f ,就可以平滑地改變電動機的同步轉(zhuǎn)速和相應(yīng)的電動機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)交流異步電動機的無級調(diào)速，這就是變頻調(diào)速的基本原理。
（2）變頻與變壓
在異步電動機調(diào)速時，一個重要因素是希望保持每極磁通Φ不變。因為，任何電動機中，電磁轉(zhuǎn)矩的大小都與轉(zhuǎn)子電流和磁通的乘積成正比，電動機允許電流的大小要受到發(fā)熱的限制，是不能增大的，如果磁通減小，必將使電磁轉(zhuǎn)矩減小，電動機的帶負載能力也就減小，所以，磁通不能減�。涣硗�，磁通增大，將使電動機的磁路飽和，勵磁電流急劇增加，導(dǎo)致繞組過分發(fā)熱，功率因數(shù)降低。
根據(jù)電動機學(xué)理論，三相異步電動機的定子繞組的感應(yīng)電動勢是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場磁力線的結(jié)果，其有效值計算如下：
E=KfΦ (1-2)
式中：K—與電動機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；
Φ— 磁通。
由式（11-2）可見，保持Φ不變的準確方法就是使反電動勢E 與頻率f同步升、降。即滿足
Φ=常數(shù) (1-3)
由于E的大小無法從外部加以控制，所以，根據(jù)電源電壓與反電動勢相平衡（U≈Ef）的特點，作為一種變通手段，保持主磁通φ不變的方法是：使電壓U與頻率f同步下降來近似地代替反電動勢E與頻率f的同步下降，則得
Φ=常數(shù) (1-4)
所以，變頻的同時也必須變壓。這就是VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)。
（3）變頻后的機械特性及其補償
1）變頻后的機械特性
滿足U/f=常數(shù)時，變頻后電動機的機械特性如同11.1所示。
圖1.1 調(diào)速后的機械特性
從圖1.1中可以看到，當電動機向低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時，如同（a）所示，曲線近似平行地下降。這說明，減速后的電動機仍然保持原來較硬的機械特性，但是電動機的臨界轉(zhuǎn)矩卻隨著電動機轉(zhuǎn)速的下降而逐漸減小，這就造成電動機帶負載能力的下降。這樣的機械特性難以和直流調(diào)速系統(tǒng)相比。
低頻時臨界轉(zhuǎn)矩減小的原因是：從根本上說，這是用U/f =常數(shù)近似代替E/f =常數(shù)的結(jié)果。從能量傳遞的角度看，因為f下降引起U成正比下降，輸入功率P1 也成正比下降。但I1等于額定電流不變，所以I2R1（銅損）也不變；定子側(cè)鐵損變化不大，故損耗功率幾乎不變。于是，傳遞到轉(zhuǎn)子的電磁功率Pm的下降比率大于輸入功率P1 的下降比率，臨界轉(zhuǎn)矩Tc也隨之減小。從電動勢平衡的角度看，f下降引起U成正比率下降，因為I1 不變，所以阻抗壓降ΔU基本不變，而反電動勢E所占比例則逐漸減小。從而，當U/f=常數(shù)時，比值E/f實際上是隨f 的下降而減小的，主磁通Φ也隨之減小。所以，電動機的臨界轉(zhuǎn)矩Tc也隨之減小。
當電動機向高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時，如同圖1.1(b) 所示，不僅臨界轉(zhuǎn)矩曲線下降，而且其工作段的斜率開始增大，使機械特性變軟。
造成這種現(xiàn)象的原因是：當頻率f升高時，電源電壓不能相應(yīng)地升高。這是因為電動的絕緣強度限制了電源電壓不能超過電動機的額定電壓，所以磁通Φ 將隨著頻率f的升高反比例下降，而磁通的下降使電動機的轉(zhuǎn)矩下降,造成電動機的機械特性變軟。
2) V/F轉(zhuǎn)矩補償法
變頻后機械特性的下降使電動機帶負載能力減弱，影響交流電動機變頻調(diào)速的使用。一種簡單的解決方法是采用V/F轉(zhuǎn)矩補償法。
V/F轉(zhuǎn)矩補償法的原理是：當頻率下降時，適當提高U/f的比值，以補償 ∆U所占比例增大的影響，從而保持磁通Φ恒定，使電動機轉(zhuǎn)矩回升。這種方法稱為轉(zhuǎn)矩補償法，也叫轉(zhuǎn)矩提升法，這種調(diào)整臨界轉(zhuǎn)矩的方法稱V/F轉(zhuǎn)矩補償法。
注意，V/F轉(zhuǎn)矩補償法只能補償向低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性，而對高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性不能補償。
通常，變頻器提供多種比值不同的V/F線，供用戶根據(jù)不同機械的具體情況進行選擇，如圖1.2所示。
圖1.2 通用變頻器提供的V/F線圖
（1） 變頻調(diào)速系統(tǒng)中變頻器的類型
變頻調(diào)速實質(zhì)上是向交流異步電動機提供一個頻率可控的電流，能實現(xiàn)這一功能的裝置稱為變頻器。變頻調(diào)速系統(tǒng)中的變頻器一般可分為交-交變頻器與交-直-交變頻器兩種。交-交變頻器又稱直接變頻器或周波變換器，它直接將電網(wǎng)的交流變成電壓和頻率都可調(diào)的交流電輸出。交-直-交的變頻器又稱間接變頻器，它是將交流電先經(jīng)可控整流器變成幅值可變的直流電壓（整流），然后再將此直流電壓經(jīng)逆變器變成頻率可調(diào)的交流輸出（逆變）。變頻器由兩部分組成：主電路和控制電路。其中主電路通常采用交-直=交方式，包括整流器和逆變器；控制電路是向主電路提供多種控制信號的回路，包括決定V/F特性的頻率電壓運算回路、主回路的電壓/電流檢測回路、電動機的轉(zhuǎn)速檢測回路、根據(jù)運算回路的結(jié)果生成相應(yīng)脈沖并進行隔離和放大的PWM生成及驅(qū)動回路、變頻器和電動機的保護回路。
1.1.2 變頻與變壓的實現(xiàn)---SPWM調(diào)制波
要實現(xiàn)VVVF，可以考慮的方法有PAM脈幅調(diào)制）和PWM脈寬調(diào)制）。PAM控制的原理是在頻率下降的同時，使直流電壓也隨之下降。實施PAM要同時控制整流和逆變兩部分，兩部分之間的協(xié)調(diào)比較困難，故線路比較復(fù)雜。PWM控制是通過調(diào)節(jié)脈沖寬度和各脈沖間的“占空比”來調(diào)節(jié)平均電壓。PWM的優(yōu)點是不必控制直流側(cè)，因而大大簡化了電路。但是，電流的諧波分量將是很大的。如果脈沖寬度和占空比的大小按正弦規(guī)律分布的話，便是正弦脈寬調(diào)制（SPWM），如圖1.3所示。這樣的波稱為正弦脈寬調(diào)制波。SPWM的顯著優(yōu)點是：由于電動機的繞組具有電感性，因此，盡管電壓是由一系列脈沖構(gòu)成的。但通入電動機的電流卻十分逼近于正弦波，諧波成分大為減小，可以得到基本滿意的驅(qū)動效果。
圖1.3 SPWM波形
圖 1.4 SPWM波形
（1）SPWM 的產(chǎn)生原理
產(chǎn)生SPWM波的原理是：用一組等腰三角形波與一個正弦波進行比較，如圖1.4所示，其相交的時刻（即交點）作為開關(guān)管“開”或“關(guān)”的時刻。
圖1.4 SPWM波生成方法
將這組三角形波稱為載波；而正弦波則稱為調(diào)制波。調(diào)制波的頻率和幅值是可控制的。如圖1.4所示，改變調(diào)制波的頻率，就可以改變輸出電源的頻率，從而改變電動機的轉(zhuǎn)速；改變調(diào)制波的幅值，也就改變調(diào)制波與載波的交點，是輸出脈沖系統(tǒng)的寬度發(fā)生變化，從而改變了輸出電壓。
對三相逆變開關(guān)管生成SPWM波的控制可以有兩種方式，一種是單極性控制，另一種是雙極性控制。
采用單極性控制時，每半個周期內(nèi)，逆變橋的同一橋臂的上、下兩只逆變開關(guān)管中，只有一只逆變開關(guān)管按圖1.4的規(guī)律反復(fù)通/斷，而另一只逆變開關(guān)管始終關(guān)斷；在另外半個周期內(nèi)，兩只逆變開關(guān)管的工作狀態(tài)正好相反。圖1.4為單極性PWM控制方式（單相橋逆變）波形，在Ur和Uc的交點時刻控制IGBT的通/斷。
采用雙極性控制時，每全部周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的上、下兩只逆變開關(guān)管交替開通與關(guān)斷，形成互補的工作方式。圖1.5為SPWM變頻器電路原理圖，其逆變器為三相橋式PWM逆變電路。圖1.6為三相橋式PWM逆變電路輸出雙極性波形。
圖1.5中，1V-6V是6個功率開關(guān)器件（GTO、GTR 、MOSFET或IGBT0）。
此處以IGBT為例，1VD-6VD為用于處理無功功率反饋的二極管。其功能是：為電動機繞組的無功電流返回直流通路時提供通路；在降速過程中，為電動機的再生電能反饋至直流電路提供通路；為電路的寄生電感在逆變過程中釋放能量提供通路。C為濾波電容。整個逆變器由三相整流器提供的恒值直流電壓UD供電。一組三相對稱的正弦參考電壓信號urU、urV、urW通過調(diào)制電路產(chǎn)生三相SPWM脈沖序列波，uUN、uVN、uWN，如圖1.6所示。它們分別是各橋臂按對應(yīng)的調(diào)制波與載波交點所決定的時間，進行“開”與“關(guān)”所產(chǎn)生的輸出波形。其波值正、負交替，這就是所謂雙極性，其中上臂開關(guān)管產(chǎn)生正脈沖，下臂開關(guān)管產(chǎn)生負脈沖。它們的最大幅值是±UD /2。同樣三相相電壓波形的相位也互差120o 。
圖1.5 SPWM變頻器電路原理圖
圖1.6三相橋式PWM逆變電路輸出雙極性波形。
(2) SPWM 波的調(diào)制方式
在SPWM逆變器中，載波電壓頻率ft 與參考波電壓頻率（及逆變器的輸出頻率）fR 之比 N=ft/fR稱為載波比，也稱調(diào)制比。根據(jù)載波比的變化與否，SPWM調(diào)制方式可分為同步調(diào)制方式、異步調(diào)制方式和分段同步調(diào)制方式。
1） 同步調(diào)制方式
載波比N =常數(shù)時稱為同步調(diào)制方式。
同步調(diào)制方式在逆變器輸出電壓每個周期內(nèi)所采用的載波電壓數(shù)目是固定的，因而所產(chǎn)生的SPWM脈沖數(shù)是一定的。其優(yōu)點是在逆變器輸出頻率變化的整個范圍內(nèi)，皆可保持輸出波形的正、負半波完全對稱，只有奇次諧波存在。而且能嚴格保證逆變器輸出三相波形之間具有120o的相位移的對稱關(guān)系。缺點是：當逆變器輸出頻率很低時，每個周期內(nèi)的SPWM脈沖數(shù)很少，低頻諧波分量較大，使負載電動機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲。
2） 異步調(diào)制方式
為消除上述同步調(diào)制方式的缺點，可以采用異步調(diào)制方式，即在逆變器的整個變頻范圍內(nèi)，載波比N 不是一個常數(shù)。一般在改變參考頻率fr時，保持三角波載波頻率ft 不變，因而提高了低頻時的載波比，這樣逆變器輸出電壓在每個周期內(nèi)SPWM脈沖數(shù)可隨輸出頻率的降低而增加，相應(yīng)地可減少負載電動機的轉(zhuǎn)矩脈沖與噪聲，改善了調(diào)速系統(tǒng)的低頻工作特性。但異步調(diào)制方式在改善低頻工作性能的同時，又失去了同步調(diào)制的優(yōu)點。當載波比N隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時，它不可能總是3的倍數(shù)，勢必使輸出電壓波形及其相位都發(fā)生變化，難以保持三相輸出的對稱性，因而引起電動機工作不平穩(wěn)。
3） 分段同步調(diào)制方式
實際應(yīng)用中，多采用分段調(diào)制方式，它集中同步和異步調(diào)制方式之所長，而克服了兩者的不足。在一定頻率范圍內(nèi)采用同步調(diào)制，以保持輸出波形對稱的優(yōu)點，而在低頻運行時，使載波比有級地增大，以采納異步調(diào)制的長處，這就是分段同步調(diào)制方式。具體地說，把整個變頻范圍內(nèi)劃分為若干頻段，在每個頻段內(nèi)都維持N恒定，而對不同的頻段取不同的N值，頻率低時，N值取大些。采用分段的同步調(diào)制方式，需要增加調(diào)制脈沖切換電路， 從而增加了控制電路的復(fù)雜性。
