變頻器基本知識

變頻器按能量變換的情況，可以分為交-交變頻器與交-直-交變頻器兩種，前者是將工頻電源轉變成所需頻率的交流電源，故稱直接變頻，后者是把直流電能（一般經交流電源整流而得）轉變為所需頻率的交流電源，故稱為逆變器。

1、交-交變頻器

簡單的交-交變頻器，可用兩組反并聯的變流器組成，如下圖：如果讓正組變流器和反組變流器輪流導通，則負載上就獲得交變的輸出電壓u0，u0的幅值可以通過改變變流器的控制角α加以調節，u0的頻率則有正、反兩組變流器輪流導通的切換頻率所決定。

交-直-交變頻器是由整流器與逆變器組成，如下圖：如果讓兩對晶閘管T1、T4與T2、T3輪流切換導通，則負載上就得到交流輸出電壓u0，u0的幅值可以用改變直流電壓ud來調節,u0的頻率則取決于兩對晶閘管的切換頻率。

二、變頻器的選用要點

1、負載電流

電動機采用變頻器運轉同采用工頻電源運轉相比，由于變頻器輸出電壓、電流中所含諧波的影響，電動機的效率、功率因數將降低，電流將增加（同一負載約增10%）。電動機負載非常輕時，即使電動機電流在變頻器額定電流以內，也不能使用比電動機容量小很多的變頻器，這是因為電動機的電抗隨電動機的容量不同，即使電動機負載相同，電動機容量越大，其脈動電流值也就越大，因而有可能超過變頻器的過流耐量。

2、低速運轉時的轉矩特性

標準電動機采用變頻器低速運轉時，對于U/f一定的轉距控制，各頻率下運轉電流大體同電動機額定頻率下的運轉電流一樣，因此主要應控制電動機銅損造成的溫升。在這種低速情況下，即使電動機的銅損大體與額定轉速時相同，但由于轉速變低，電動機冷卻效果變差，電動機定子繞組溫升就變大，所以必須與此溫升相應地減小運轉轉矩，降低銅損使用。

3、短時最大轉矩

標準電動機在額定電壓、額定頻率下，通常具有輸出200%左右最大轉矩的能力，如果用變頻器運轉標準電動機，其轉矩特性有如下限制：

1）為了保護主電路電力電子元件等，變頻器設有限流功能和過流時中斷晶體管工作等功能，以防止超過耐量的電流流過，此過電流耐量通常為變頻器額定電流的150%左右。

2）在數赫茲的低頻區運轉時，電動機電阻在阻抗中占的比例增大，轉矩特性大幅度降低。

由以上兩個限制，電動機與變頻器組合時最大轉矩值的情況，在低頻區最大轉矩值變小。在負載變動大或需要啟動轉矩大的情況下，要注意容量的選擇，可使用上一級的電動機與變頻器。

4、容許最高頻率范圍

通用變頻器中，有的可以輸出工頻以上的頻率，但電動機是以工頻下運轉為前提制造的，因此在工頻以上頻率使用時，必須確認電動機允許最高頻率范圍，通常電動機允許最高頻率范圍受以下因素限制：

1）軸承的極限轉速；

2）風扇、端子等的強度；

3）轉子的危險速度；

4）其他特殊零件的強度。

5、噪聲

電動機用變頻器運轉時，與工頻電源相比噪聲有些增大，特別是電動機在額定轉速以上運轉，通風噪聲非常大，采用時必須充分考慮。另外，低速運轉同工頻運轉相比，也有刺耳的金屬聲（磁噪聲）發生，可以使用電抗器，以降低磁噪聲。

6、振動

電動機用變頻器運轉時，就電動機本身來說，同工頻電源相比，振動并沒有大幅度增加。但是把電動機安裝在機械上，由于機械系統的固有頻率發生諧振，以及與所傳動機械的旋轉體不平衡量大時，往往發生異常振動，為此需要考慮修正平衡，采用輪箍式聯軸節或防震橡膠等措施。

三、變頻器的安裝要求

1、環境溫度

變頻器一般適用于-10～40℃、海拔低于1000m、相對濕度不大于90%的環境中工作。環境溫度若高于40℃，每升高1℃，變頻器應降額5%使用。

2、現場條件

1）無腐蝕，無易燃、易爆氣體和液體；無灰塵、漂浮性的纖維及金屬顆粒；無電磁干擾。

2）安裝場所的基礎、墻壁應堅固無損傷、無振動。

3）安裝位置應避免陽光直射。

4）驅動防爆電動機時，變頻器無防爆結構，應將變頻器設置在危險場所之外。

3、安裝方式

1）變頻器必須垂直安裝，若多臺變頻器安裝在同一裝置或控制箱里時，宜橫向并列安裝。若采用縱向方式安裝，變頻器間應加裝隔熱板。

2）墻掛式安裝變頻器與周圍物體之間的距離，兩側不小于100mm，上下不小于150mm。

3）環境比較潔凈，塵埃少時，單臺變頻器安裝宜采用柜外冷卻方式；若采用柜內冷卻方式，應在變頻器柜柜頂安裝抽風式冷卻風扇。

四、變頻器的絕緣測量

1、主回路絕緣測量

1）用合格的500V兆歐表。

2）斷開變頻器主回路和控制電路所有端子對外的連接。

3）將主回路端子R、S、T、P1、P+、N和U、V、W等公用線進行短接。

4）兆歐表電壓只能加于主回路公共端連接線和接地端子E（G）之間，絕對不能只連接某一個主回路端子對地進行絕緣電阻的測量，也不能對變頻器的控制端子進行絕緣測量，否則可能會損壞變頻器。　

5）兆歐表指示值達到5MΩ及以上為正常合格。

6）絕緣電阻測量結束以后，一定要記住拆除所有上述短接主回路端子的連線。

2、控制回路絕緣測量

不能用兆歐表對控制電路進行測試，否則將燒損電路元件。可用萬用表的高阻擋在控制回路端子和接地端子之間進行測量，達到1MΩ及以上為正常合格。

3、外接電路絕緣測量

為了防止兆歐表的高壓加到變頻器上，在測量外接電路的絕緣電阻時，必須首先把外接電路從變頻器上拆下來，還要注意檢查兆歐表的高壓是否有可能通過其他回路加到變頻器上，如有，則應將有關的所有連線拆下，之后方可進行測量。

五、變頻器的接線要求

1、變頻器主回路接線

1）電纜線屑、金屬屑、短斷頭及其螺桿、螺母等不得遺落在變頻器內部。

2）變頻器輸入端（R、S、T），輸出端（U、V、W）接線應正確，電纜芯線連接無松動。端子接線裸露部分與其他端子帶電部分間應做好絕緣隔離。

3）變頻器輸出端子排上的N端子不得接至輸入電源中性線端子上。

2、變頻器控制回路接線

1）控制回路與主回路的配線、模擬信號回路與反饋信號回路的配線應分開，且保持一定的距離。

2）變頻器控制回路中的繼電器觸點端子引線與其他控制回路端子的連線，應按區域配線。

3）變頻器控制回路配線應采用屏蔽線或屏蔽電纜。

4）模擬量控制線應采用屏蔽線或屏蔽電纜，屏蔽一端應接至控制電路的公共（COM）側，不得接至地端（E）或大地，另一端可懸空。

5）開關量控制線未采用屏蔽線，同一信號兩根線應絞結后分別連接。

3、變頻器接地和防雷接線

1）變頻器接地線截面不應小于2mm2，長度宜控制在20m內。

2）雷電活躍地區，電源進線側應裝設變頻器專用避雷器，或按規范在變頻器安裝處20m的距離以外預埋鋼管保護接地裝置。

3）多臺變頻器接地時，變頻器應分別與大地相連，不得一臺變頻器的接地端與另一臺變頻器的接地端連接后再接地。

4）變頻器的接地端子（PE）可與電機電纜的接地線相連接。

4、變頻器的“EMC電磁兼容性"接線

1）傳動柜中所有電氣設備接地良好，接地線應連接至公共接地點或接地母排上，宜用高頻時阻抗較低的扁平導體，例如金屬網編織線。

2）變頻器的電機電纜須采用屏蔽電纜，屏蔽層的電導截面積不小于每相導線芯截面積的1/10。

3）控制電纜應采用屏蔽電纜，屏蔽層應直接接至變頻器內部接地側，另一側可通過高頻小電容接地。

4）當屏蔽層兩端的差模電壓（信號線與信號線之間的電位差）較低和連接到同一接地線上時，可將屏蔽層的兩端直接接地。

5）模擬信號的傳輸線應采用雙屏蔽的雙絞線，不同的模擬信號線單獨配線，不同模擬信號不得置于同一對公共反饋回線中。

6）低壓數字信號線應采用雙屏蔽的雙絞線。

7）電機電纜應單獨配線，其最小間距為500mm。

8）變頻器控制電纜和電源電纜的安裝與接線若有交叉，應按90°角交叉配線，采用專用夾子將電機電纜和控制電纜屏蔽層固定到接地點。

六、變頻器的試運要求

1、空載試運

1）電動機的旋轉方向正確。

2）運轉至各頻率點電動機不得有異常振動、共振、振動噪聲。

3）參數設定程序重新檢查，確認參數設定值無誤。

4）輸出電壓和電流值應符合產品質量技術文件要求，三相平衡值不得大于10%。

2、帶負載試運

1）按正常負荷量運行，三相輸出電流值應符合預定值。

2）閉環控制系統的轉速反饋變化值應符合產品質量技術文件要求。

3）電動機運行的平穩性，電動機和變頻器運行溫度變化應保持穩定。

4）各類保護性參數值具備有效性。

5）按工藝要求試運行，隨時監控并做好記錄。

七、變頻器的巡視檢查

1、巡視檢查的目的

對變頻器進行巡視檢查的主要目的是盡早發現異常現象，清除塵埃，緊固配件，排除事故隱患等。在變頻器運行過程中，可以從設備外部目視檢查運行狀況有無異常。通過鍵盤面板轉換鍵查閱變頻器的運行參數，如輸出電壓、輸出電流、輸出轉距、電機轉速等，掌握變頻器日常運行值的范圍，以便及時發現變頻器及電動機問題。

2、巡視檢查的內容

1）鍵盤面板顯示是否正常，有無缺少字符，儀表指示是否正確，是否有震動、震蕩等現象。

2）冷卻風扇部分是否運轉正常，是否有異常聲音等。

3）變頻器及引出電纜是否有過熱、變色、變形、異味、噪聲、振動等異常情況。

4）變頻器周圍環境是否符合標準規定，溫度與濕度是否正常。

5）變頻器的散熱器溫度是否正常。冷風機電機是否有過熱、異味、噪聲、振動等異常情況。

6）變頻器控制系統是否積聚塵埃、各連接線及外圍電氣元件是否有松動等異常現象。

7）變頻器的進線電源是否正常，電源開關是否有電火花、缺相，引線壓接螺栓是否松動，電壓是否正常等。

八、變頻器的維護檢查

1、綜合檢查

1）周圍環境

檢查周圍有無危險品，檢測環境溫度，濕度，空氣清潔度。

2）電壓

測量主回路、控制回路電壓是否正常。

3）觸摸面板

是否缺少字符，字符是否清楚。

4）框架、前面板

（1）是否沾有灰塵污損；

（2）是否因過熱變色；

（3）是否有異常聲音、異常振動；

（4）螺栓是否松動。

2、主回路檢查

1）公用

（1）是否附著灰塵污損；

（2）螺栓是否松動；

（3）是否有變形、裂紋、破損或過熱老化變色。

2）導體、電線

（1）導體是否變形或過熱變色；

（2）導線皮是否破損、裂口、變色。

3）電阻

（1）是否斷線；

（2）是否有過熱的怪味，絕緣體有無裂紋。

4）濾波電容器

（1）是否漏液、變色、裂紋、外殼膨脹；

（2）閥體是否明顯膨脹；安全閥是否出來。

5）變壓器、電抗器

是否有異常的聲音和怪味。

6）接觸器、繼電器

工作時是否振動、聲音異常 。

3、控制回路檢查

印刷電路板連接器：

1）螺栓、螺釘是否松動；

2）是否有裂紋、破損、變形；

3）電容器是否漏液、變形；

4、冷卻系統檢查

1）冷卻風扇

（1）否有異常振動、異常聲音；

（2）螺栓是否松動。

2）通風道

散熱片給氣排氣口的間隙是否有堵塞和附著異物。

九、變頻器的故障處理

1、過流和過載故障

過流和過載在變壓器的應用中是經常出現的，此類故障首先要將負載斷開，確定是由于負荷過載引起的故障，還是電氣主回路、控制回路問題。如果是電氣方面的問題，再將變頻器和電機電纜脫離開進行檢查，進一步確認是哪個環節的故障。

1）外部原因

（1）由于電動機負載突變，引起大的沖擊電流使過電流保護動作。這類故障一般是暫時的，重新啟動后會恢復正常。如果經常有負載突變的情況，則應采取限制負載突變或更換較大容量的變頻器。

（2）電動機和電纜相間或相對地絕緣破壞，造成匝間或相間對地短路，因而導致過電流，一般遇到此類故障是先將電機不帶負載單試，如果仍出現過流則將出線電纜解開，對電機和電纜單獨進行檢查。

（3）在電動機繞組和外殼之間，電動機電纜和大地之間存在著較大的寄生電容，通過寄生電容會有高頻漏電電流流向大地，引起過電流和過電壓故障。解決問題的辦法是加濾波器或選用容量大一級的變頻器。

2）變頻器本身原因

（1）參數設定不正確，如加減速設定的時間太短，變頻器的多數參數如果設置不當，均有可能引起變頻器故障。

（2）變頻器主回路出現問題，如果變頻器的整流和逆變單元的元器件損壞，會直接導致過流保護動作。控制觸發脈沖的卡件出現故障，也可能會導致過電流故障。

（3）變頻器本身控制回路的檢測元器件故障，引起逆變器不工作或工作不正常，甚至過電流保護動作。

（4）變頻器本身遭到電磁干擾，引起變頻器誤動作。

2、參數設置類故障

變頻器在使用中，如果參數設置不正確，會導致變頻器不工作、不能正常工作或頻繁發生保護動作甚至損壞。一般變頻器都做了出廠設置，對每一個參數都有一個默認值，這些參數叫缺省值。實際應用時要從以下幾方面進行：

1）確認電動機參數，在變頻器電動機參數中設定功率、電流、電壓、轉速、最大頻率等，應與電動機銘牌中的數據一致。

2）變頻器控制方式的設定主要有頻率（速度）控制、轉矩控制、PID控制或其他控制方式。每一種控制方式對應于一組數據范圍的設定，如果這些數據范圍設定的不正確，就會引起變頻器不工作或工作不正常，或發生故障保護動作而跳閘，顯示故障類型代碼。

3）變頻器的啟動方式在變頻器出廠時設定為面板啟動，可以根據實際情況選用面板、外部端子、通信方式等幾種，除面板啟動外，其他需要與相應的給定參數及控制端子匹配，否則會引起變頻器不工作，工作不正常或頻繁發生保護動作甚至損壞。

4）頻率給定參數的選擇，一般變頻器的頻率給定也有多種方式，如面板給定、外部給定、外部電壓或電流給定、通信方式給定等，可以選擇其中的一種或幾種方式的組合。

3、其他故障

1）過熱保護

變頻器的過熱保護，有電動機過熱保護和變頻器過熱保護兩種，引起過熱的原因也是多方面的。一般的電動機過熱保護動作，應檢查電動機的散熱和通風情況，變頻器的過熱保護動作，則應檢查變頻器的冷卻風扇和通風情況。

2）電磁干擾

變頻器在生產運行的過程中，很多時候會出現因電磁干擾而造成的故障，容易導致變頻器產生誤動作，不正常啟停工作，或者造成模擬控制信號失真，嚴重時會損壞變頻器。

3）開停機控制回路故障

此類故障排查，要確定是外部回路故障還是內部故障，首先將外部的停車及連鎖信號摘除，然后短接啟動信號端口，如果能啟動，則檢查外部電路。不行則在變頻器控制面板上強制啟動，如啟動成功則需檢查控制輸入輸出端口。

4）與變頻器載波頻率有關的故障

變頻器的載波頻率是可調的，可方便人們對噪聲的需求。變頻器的載波頻率出廠值往往與現場需要不符，需要調整。但在實際調整時，往往因載波頻率值設定不當，造成各種異常現象甚至故障，損壞變頻器。一般在調試過程中，應試探性地調整載波頻率，電動機功率大的相對選用載波頻率要低些，并從低端向高的一端調整。要確定合適的載波頻率值后，再考慮是否需要加裝濾波器或諧波抑制裝置。