低壓變頻器工作原理

低壓變頻器工作原理低壓變頻器工作原理低壓變頻器:產(chǎn)品定義電壓等級(jí)低于690V的可調(diào)輸出頻率交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，就歸類為低壓變頻器。低壓變頻器主要控制方式：目前，隨著低壓變頻器技術(shù)的不斷成熟，低壓變頻的應(yīng)用場(chǎng)合決定了它不同的分類。單從技術(shù)角度來(lái)看，低壓變頻器的控制方式也在一定程度上表明了它的技術(shù)流派。我們?cè)诖朔治隽艘韵聨追N控制方式：正弦脈寬調(diào)制（SPWM）其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機(jī)械特性終究沒(méi)有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會(huì)隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。但是此種控制方式也是目前變頻器普遍使用的控制方式之一。也是目前國(guó)產(chǎn)品牌使用最多的控制方式之一。電壓空間矢量（SVPWM）它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過(guò)反饋估算磁鏈幅值，消除低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒(méi)有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒(méi)有得到根本改善。由于眾多國(guó)產(chǎn)變頻器在矢量控制上還與國(guó)外品牌有一定差距，因此SVPWM控制方式在國(guó)內(nèi)的變頻器矢量控制方式中比較常見(jiàn)。矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流la、lb、lc、通過(guò)三相—二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流lallbl,再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流lm1、lt1（lml相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；lt1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。使用矢量控制，可以使電機(jī)在低速，如（無(wú)速度傳感器時(shí)）1Hz（對(duì)4極電機(jī)，其轉(zhuǎn)速大約為30r/min）時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到電機(jī)在50Hz供電輸出的轉(zhuǎn)矩（最大約為額定轉(zhuǎn)矩的150%）。對(duì)于常規(guī)的V/F控制，電機(jī)的電壓降隨著電機(jī)速度的降低而相對(duì)增加，這就導(dǎo)致由于勵(lì)磁不足，而使電機(jī)不能獲得足夠的旋轉(zhuǎn)力。為了補(bǔ)償這個(gè)不足，變頻器中需要通過(guò)提高電壓，來(lái)補(bǔ)償電機(jī)速度降低而引起的電壓降。這個(gè)功能即為轉(zhuǎn)矩提升。轉(zhuǎn)矩提升功能提高變頻器的輸出電壓。然而即使提高很多輸出電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)矩并不能和其電流相對(duì)應(yīng)的提高。因?yàn)殡姍C(jī)電流包含電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量和其它分量（如勵(lì)磁分量）。矢量控制則把電機(jī)的電流值進(jìn)行分配，從而確定產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機(jī)電流分量和其它電流分量（如勵(lì)磁分量）的數(shù)值。矢量控制可以通過(guò)對(duì)電機(jī)端的電壓降的響應(yīng)，進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償，在不增加電流的情況下，允許電機(jī)產(chǎn)出大的轉(zhuǎn)矩。此功能對(duì)改善電機(jī)低速時(shí)溫升也有效。矢量控制方式也因此成為國(guó)外品牌占領(lǐng)高端市場(chǎng)的一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)。

直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。ABB公司的ACS800系列即采用這種控制方式。矩陣式交一交控制方式VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交一直一交變頻中的一種。其共同缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電路需要大的儲(chǔ)能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行。為此，矩陣式交-交變頻應(yīng)運(yùn)而生。由于矩陣式交一交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為I,輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前尚未成熟，其實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。矩陣式交一交變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)（＜2ms），很高的速度精度（±2%，無(wú)PG反饋），高轉(zhuǎn)矩精度（v+3%）；同時(shí)還具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度，尤其在低速時(shí)（包括0速度時(shí)），可輸出150%?200%轉(zhuǎn)矩。低壓變頻器的應(yīng)用：一、 變頻器的節(jié)能原理1、 變頻節(jié)能變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風(fēng)機(jī)、水泵的應(yīng)用上。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，都留有一定的富余量。當(dāng)電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費(fèi)。風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過(guò)調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過(guò)程中。當(dāng)使用變頻調(diào)速時(shí)，如果流量要求減小，通過(guò)降低泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即可滿足要求。由流體力學(xué)可知，P（功率）=Q（流量）xH（壓力），流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速N可成比例的下降，而此時(shí)軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。即水泵電機(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。所隊(duì)當(dāng)所要求的流量Q減少時(shí)，可調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n按比例降低。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的功率P將按三次方關(guān)系大幅度地降低，比調(diào)節(jié)擋板、閥門節(jié)能40%一50%，從而達(dá)到節(jié)電的目的。例如：一臺(tái)離心泵電機(jī)功率為55千瓦，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時(shí)，其耗電量為28.16千瓦，省電48.8%,當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時(shí)，其耗電量為6.875千瓦，省電87.5%。2、 功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能無(wú)功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無(wú)功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備使用效率低下，浪費(fèi)嚴(yán)重，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，從而減少了無(wú)功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。3、 軟啟動(dòng)節(jié)能電機(jī)硬啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會(huì)對(duì)電網(wǎng)容量要求過(guò)高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)時(shí)對(duì)擋板和閥門的損害極大，對(duì)設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開(kāi)始，最大值也不超過(guò)額定電流，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求，延長(zhǎng)了設(shè)備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。二、 孤東采油廠變頻器在用情況

目前孤東采油廠在用各種變頻器達(dá)到480余臺(tái)，其中三采中心270余臺(tái)，采油一礦45臺(tái)，采油二礦13臺(tái)，采油三礦22臺(tái)，采油四礦43臺(tái)，新灘試采礦57臺(tái)，集輸大隊(duì)27臺(tái)。主要有美國(guó)的ABB、羅賓康，日本的富士、安川、三肯、東芝和日立，德國(guó)的西門子。目前國(guó)產(chǎn)變頻在控制技術(shù)和功能上，已取得了顯著的進(jìn)步和成就，所以近兩年來(lái)油廠國(guó)產(chǎn)變頻器的數(shù)量正逐步提咼，主要有春日、森蘭和煙臺(tái)惠豐等品牌。三、 目前主要存在問(wèn)題孤東采油廠技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督站自2005年開(kāi)展了變頻器維修工作，先后組織了現(xiàn)場(chǎng)維修150臺(tái)次，總功率達(dá)到5800千瓦。從維修情況來(lái)看，變頻器發(fā)生故障或損壞的特征，一般可分為兩類：一種是在運(yùn)行中頻繁出現(xiàn)的自動(dòng)停機(jī)現(xiàn)象，并伴隨著一定的故障顯示代碼，其處理措施可根據(jù)隨機(jī)說(shuō)明書(shū)上提供的指導(dǎo)方法，進(jìn)行處理和解決。這類故障一般是由于變頻器運(yùn)行參數(shù)設(shè)定不合適，或外部工況、條件不滿足變頻器使用要求所產(chǎn)生的一種保護(hù)動(dòng)作現(xiàn)象；另一類是由于使用環(huán)境惡劣，高溫、導(dǎo)電粉塵引起的短路、潮濕引起的絕緣降低或擊穿等突發(fā)故障（嚴(yán)重時(shí)，會(huì)出現(xiàn)打火、爆炸等異?，F(xiàn)象）。具體表現(xiàn)為：1、 變頻器主控電路故障。主要包括主板，電源板，逆變器、濾波電容等主控電路損壞。2、 變頻器冷卻直流風(fēng)扇故障。風(fēng)扇屬于易損件，工作壽命在2—5年，但是因?yàn)樽冾l器種類繁多，功率大小不同所以內(nèi)部直流風(fēng)扇額定電流不同而不通用，部分風(fēng)扇損壞后因?yàn)槿狈浼o(wú)法及時(shí)更換。3、 變頻器外圍控制器件故障。變頻柜內(nèi)變頻器本身無(wú)故障，但外部控制電路系統(tǒng)發(fā)生故障。由于使用年限較長(zhǎng)，且控制電路又比較復(fù)雜，既沒(méi)有電路圖，又沒(méi)有線號(hào)，線路多而且復(fù)雜，給維修造成不便。4、 變頻柜設(shè)計(jì)不合理，內(nèi)部過(guò)于狹窄，散熱通風(fēng)效果差，導(dǎo)致散熱不良。部分變頻器工作環(huán)境比較惡劣，風(fēng)沙及塵土集聚較多，嚴(yán)重影響了變頻器的正常運(yùn)行，甚至造成停機(jī)故障。變頻柜散熱導(dǎo)流風(fēng)扇屬于易損件，壽命一般在2年左右，但是大部分變頻柜散熱風(fēng)扇損壞后，沒(méi)有及時(shí)更換，造成散熱不良，造成變頻器工作穩(wěn)定性差、老化加劇、過(guò)熱報(bào)警頻發(fā)等現(xiàn)象發(fā)生。5、 變頻器日常維護(hù)工作跟不上。操作人員對(duì)變頻路基本操作及一些基本參數(shù)設(shè)置不了解，使用過(guò)程中不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。6、 “小馬拉大車”問(wèn)題。由于當(dāng)時(shí)投產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)的工作條件下限制，設(shè)計(jì)安裝時(shí)為節(jié)省資金，許多地方都有采用了變頻功率小于電機(jī)額定功率，但隨著工藝生產(chǎn)條件的變化，出現(xiàn)'小馬拉大車”問(wèn)題，造成變頻器不能正常運(yùn)行。如一號(hào)聯(lián)水外輸、三號(hào)聯(lián)提升和KDI8號(hào)站注水等。四、 變頻器的主要故障原因及預(yù)防措施由于使用方法不正確或設(shè)置環(huán)境不合理，將容易造成變頻器誤動(dòng)作及發(fā)生故障，或者無(wú)法滿足預(yù)期的運(yùn)行效果。為防患于未然，事先對(duì)故障原因進(jìn)行認(rèn)真分析顯得尤為重要。變頻器在正常使用6—10年后，就進(jìn)入故障的高發(fā)期，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)元器件燒壞、失效、保護(hù)功能頻繁動(dòng)作等故障現(xiàn)象，嚴(yán)重影響其正常運(yùn)行。1、 外部的電磁感應(yīng)干擾易造成故障如果變頻器周圍存在干擾源，它們將通過(guò)輻射或電源線侵入變頻器的內(nèi)部，引起控制回路誤動(dòng)作，造成工作不正?；蛲C(jī)，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞變頻器。在外部采取噪聲抑制措施，消除干擾源顯得非常必要。具體解決辦法有：一是盡量縮短控制回路的配線距離，并使其與主線路分離；二是變頻器接地端子應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行，不能同電焊、動(dòng)力接地混用；三是變頻器輸入端安裝噪聲濾波器，避免由電源進(jìn)線引入干擾。2、 環(huán)境問(wèn)題造成的故障變頻器屬于電子器件裝置，在其規(guī)格書(shū)中有詳細(xì)安裝使用環(huán)境的要求。振動(dòng)是對(duì)電子器件造成機(jī)械損傷的主要原因，對(duì)于振動(dòng)沖擊較大的場(chǎng)合，應(yīng)采用橡膠等避振措施；潮濕、腐蝕性

氣體及塵埃等將造成電子器件生銹、接觸不良、絕緣降低而形成短路；溫度是影響電子器件壽命及可靠性的重要因素，特別是半導(dǎo)體器件，應(yīng)根據(jù)裝置要求的環(huán)境條件安裝空調(diào)或避免日光直射。定期檢查變頻器的空氣濾清器及冷卻風(fēng)扇是非常必要的。目前采油廠在用變頻器的冷卻風(fēng)扇損壞比較嚴(yán)重，而且部分變頻工作環(huán)境比較差，嚴(yán)重影響散熱及空氣流通，導(dǎo)致變頻器在高溫季節(jié)易跳閘、過(guò)熱報(bào)警。3、 參數(shù)設(shè)置及設(shè)備引起的故障故障主要發(fā)生在注聚泵用低壓變頻器，故障主要表現(xiàn)為起動(dòng)時(shí)并不立即跳閘，而是在運(yùn)行過(guò)程中跳閘。可能的原因有：（1） 泵工作狀態(tài)不穩(wěn)定；（2） 管線壓力過(guò)大；（3） 升速時(shí)間設(shè)定太短；（4） 降速時(shí)間設(shè)定太短；（5） 轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償設(shè)定較大；（6） 引起低速時(shí)空載電流過(guò)大；（7） 電子熱繼電器整定不當(dāng)，動(dòng)作電流設(shè)定得太小、引起誤動(dòng)作。4、 主板及主電路的故障由于使用年限較長(zhǎng)和一些突發(fā)原因，而造成主板及主電路損林，此類故障發(fā)生必然造成元器件的損壞和報(bào)廢，是變頻器維修費(fèi)用的主要消耗部分。主要有：（1） 整流塊的損壞；（2） 充電電阻損壞；（3） 逆變器模塊燒壞；（4） 濾波電容的損壞；（5） 主板、電源板損壞。5、 維護(hù)不當(dāng)造成的故障大部分變頻器過(guò)熱報(bào)警故障，除了冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇損壞的原因外，還有一個(gè)主要原因，就是日常維護(hù)的缺乏，變頻器散熱器灰塵積攢嚴(yán)重，影響散熱。五、幾點(diǎn)建議1、 規(guī)范變頻設(shè)備進(jìn)入渠道，建立準(zhǔn)入制度。目前孤東采油廠變頻器品種繁多，各種變頻器之間器件并不通用，造成了備料困難，增加了成本利維修的難度，因此建議規(guī)范變頻設(shè)備進(jìn)入渠道，建立市場(chǎng)準(zhǔn)入制度減少引進(jìn)變頻器的品牌種類，降低后期維護(hù)、維修成本。（1） 限定品牌范圍限定品牌范圍，如近年來(lái)在孤東采油廠內(nèi)出觀故障率低，運(yùn)行可靠的某些品牌。建議規(guī)范為富士、ABB、森蘭等品牌。（2） 規(guī)范引入渠道規(guī)范引入渠道，對(duì)引入設(shè)備的廠家技術(shù)力量售后服務(wù)進(jìn)行考察，對(duì)新引入變頻設(shè)備驗(yàn)收時(shí)要求資料配備完整，包括線路圖、說(shuō)明書(shū)等，便于以后出現(xiàn)故障進(jìn)行維護(hù)。2、 建立變頻器日常保養(yǎng)制度對(duì)變順器的管理進(jìn)行規(guī)范，由專人負(fù)責(zé)對(duì)變頻設(shè)備進(jìn)行日常維護(hù)保養(yǎng)。日常維護(hù)保養(yǎng)的具體內(nèi)容可以分為：（1）運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄，故障記錄：定期測(cè)量變頻器及電機(jī)的遠(yuǎn)行數(shù)據(jù)，包括變頻器輸出頻率，輸出電流，輸出電壓，變頻器內(nèi)

部直流電壓，散熱器溫度等參數(shù)。與合理數(shù)據(jù)對(duì)照比較，以利于早日發(fā)現(xiàn)故障隱患。變頻器如發(fā)生故障跳閘，務(wù)必記錄故障代碼和跳閘時(shí)