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:產品定義電壓等級低于690V的可調輸出頻率交流電機驅動裝置，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的不斷成熟，低壓變頻的應用場合決定了它不同的分類。單從技術角度來看，低壓變頻器的控制方式也在一定程度上表明了它的技術流派。我們在此分析了以下幾種控制方式：正弦脈寬調制（SPWM）其特點是控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業(yè)的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉矩能力和靜態(tài)調速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能下降，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。也是目前國產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，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調制波形，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉矩的調節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。由于眾多國產變頻器在矢量控制上還與國外品牌有一定差距，因此SVPWM控制方式在國內的變頻器矢量控制方式中比較常見。矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流la、lb、lc、通過三相—二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流lallbl,再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流lm1、lt1（lml相當于直流電動機的勵磁電流；lt1相當于與轉矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現對異步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現正交或解耦控制。使用矢量控制，可以使電機在低速，如（無速度傳感器時）1Hz（對4極電機，其轉速大約為30r/min）時的輸出轉矩可以達到電機在50Hz供電輸出的轉矩（最大約為額定轉矩的150%）。對于常規(guī)的V/F控制，電機的電壓降隨著電機速度的降低而相對增加，這就導致由于勵磁不足，而使電機不能獲得足夠的旋轉力。為了補償這個不足，變頻器中需要通過提高電壓，來補償電機速度降低而引起的電壓降。這個功能即為轉矩提升。轉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，電機轉矩并不能和其電流相對應的提高。因為電機電流包含電機產生的轉矩分量和其它分量（如勵磁分量）。矢量控制則把電機的電流值進行分配，從而確定產生轉矩的電機電流分量和其它電流分量（如勵磁分量）的數值。矢量控制可以通過對電機端的電壓降的響應，進行優(yōu)化補償，在不增加電流的情況下，允許電機產出大的轉矩。此功能對改善電機低速時溫升也有效。矢量控制方式也因此成為國外品牌占領高端市場的一個重要的優(yōu)勢。

直接轉矩控制（DTC）方式該技術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、簡潔明了的系統(tǒng)結構、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。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、直接轉矩控制變頻都是交一直一交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交-交變頻應運而生。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、價格貴的電解電容。它能實現功率因數為I,輸入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術目前尚未成熟，其實質不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來實現的。矩陣式交一交變頻具有快速的轉矩響應（＜2ms），很高的速度精度（±2%，無PG反饋），高轉矩精度（v+3%）；同時還具有較高的起動轉矩及高轉矩精度，尤其在低速時（包括0速度時），可輸出150%?200%轉矩。低壓變頻器的應用：一、 變頻器的節(jié)能原理1、 變頻節(jié)能變頻器節(jié)能主要表現在風機、水泵的應用上。為了保證生產的可靠性，各種生產機械在設計配用動力驅動時，都留有一定的富余量。當電機不能在滿負荷下運行時，除達到動力驅動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。風機、泵類等設備傳統(tǒng)的調速方法是通過調節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調節(jié)給風量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當使用變頻調速時，如果流量要求減小，通過降低泵或風機的轉速即可滿足要求。由流體力學可知，P（功率）=Q（流量）xH（壓力），流量Q與轉速N的一次方成正比，壓力H與轉速N的平方成正比，功率P與轉速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當要求調節(jié)流量下降時，轉速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關系下降。即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。所隊當所要求的流量Q減少時，可調節(jié)變頻器輸出頻率使電動機轉速n按比例降低。這時，電動機的功率P將按三次方關系大幅度地降低，比調節(jié)擋板、閥門節(jié)能40%一50%，從而達到節(jié)電的目的。例如：一臺離心泵電機功率為55千瓦，當轉速下降到原轉速的4/5時，其耗電量為28.16千瓦，省電48.8%,當轉速下降到原轉速的1/2時，其耗電量為6.875千瓦，省電87.5%。2、 功率因數補償節(jié)能無功功率不但增加線損和設備的發(fā)熱，更主要的是功率因數的降低導致電網有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當中，設備使用效率低下，浪費嚴重，使用變頻調速裝置后，由于變頻器內部濾波電容的作用，從而減少了無功損耗，增加了電網的有功功率。3、 軟啟動節(jié)能電機硬啟動對電網造成嚴重的沖擊，而且還會對電網容量要求過高，啟動時產生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設備、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功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設備的維護費用。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到480余臺，其中三采中心270余臺，采油一礦45臺，采油二礦13臺，采油三礦22臺，采油四礦43臺，新灘試采礦57臺，集輸大隊27臺。主要有美國的ABB、羅賓康，日本的富士、安川、三肯、東芝和日立，德國的西門子。目前國產變頻在控制技術和功能上，已取得了顯著的進步和成就，所以近兩年來油廠國產變頻器的數量正逐步提咼，主要有春日、森蘭和煙臺惠豐等品牌。三、 目前主要存在問題孤東采油廠技術質量監(jiān)督站自2005年開展了變頻器維修工作，先后組織了現場維修150臺次，總功率達到5800千瓦。從維修情況來看，變頻器發(fā)生故障或損壞的特征，一般可分為兩類：一種是在運行中頻繁出現的自動停機現象，并伴隨著一定的故障顯示代碼，其處理措施可根據隨機說明書上提供的指導方法，進行處理和解決。這類故障一般是由于變頻器運行參數設定不合適，或外部工況、條件不滿足變頻器使用要求所產生的一種保護動作現象；另一類是由于使用環(huán)境惡劣，高溫、導電粉塵引起的短路、潮濕引起的絕緣降低或擊穿等突發(fā)故障（嚴重時，會出現打火、爆炸等異?，F象）。具體表現為：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、 變頻器冷卻直流風扇故障。風扇屬于易損件，工作壽命在2—5年，但是因為變頻器種類繁多，功率大小不同所以內部直流風扇額定電流不同而不通用，部分風扇損壞后因為缺乏備件無法及時更換。3、 變頻器外圍控制器件故障。變頻柜內變頻器本身無故障，但外部控制電路系統(tǒng)發(fā)生故障。由于使用年限較長，且控制電路又比較復雜，既沒有電路圖，又沒有線號，線路多而且復雜，給維修造成不便。4、 變頻柜設計不合理，內部過于狹窄，散熱通風效果差，導致散熱不良。部分變頻器工作環(huán)境比較惡劣，風沙及塵土集聚較多，嚴重影響了變頻器的正常運行，甚至造成停機故障。變頻柜散熱導流風扇屬于易損件，壽命一般在2年左右，但是大部分變頻柜散熱風扇損壞后，沒有及時更換，造成散熱不良，造成變頻器工作穩(wěn)定性差、老化加劇、過熱報警頻發(fā)等現象發(fā)生。5、 變頻器日常維護工作跟不上。操作人員對變頻路基本操作及一些基本參數設置不了解，使用過程中不能及時發(fā)現問題。6、 “小馬拉大車”問題。由于當時投產設計時的工作條件下限制，設計安裝時為節(jié)省資金，許多地方都有采用了變頻功率小于電機額定功率，但隨著工藝生產條件的變化，出現'小馬拉大車”問題，造成變頻器不能正常運行。如一號聯水外輸、三號聯提升和KDI8號站注水等。四、 變頻器的主要故障原因及預防措施由于使用方法不正確或設置環(huán)境不合理，將容易造成變頻器誤動作及發(fā)生故障，或者無法滿足預期的運行效果。為防患于未然，事先對故障原因進行認真分析顯得尤為重要。變頻器在正常使用6—10年后，就進入故障的高發(fā)期，經常會出現元器件燒壞、失效、保護功能頻繁動作等故障現象，嚴重影響其正常運行。1、 外部的電磁感應干擾易造成故障如果變頻器周圍存在干擾源，它們將通過輻射或電源線侵入變頻器的內部，引起控制回路誤動作，造成工作不正?；蛲C，嚴重時甚至損壞變頻器。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按規(guī)定進行，不能同電焊、動力接地混用；三是變頻器輸入端安裝噪聲濾波器，避免由電源進線引入干擾。2、 環(huán)境問題造成的故障變頻器屬于電子器件裝置，在其規(guī)格書中有詳細安裝使用環(huán)境的要求。振動是對電子器件造成機械損傷的主要原因，對于振動沖擊較大的場合，應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，特別是半導體器件，應根據裝置要求的環(huán)境條件安裝空調或避免日光直射。定期檢查變頻器的空氣濾清器及冷卻風扇是非常必要的。目前采油廠在用變頻器的冷卻風扇損壞比較嚴重，而且部分變頻工作環(huán)境比較差，嚴重影響散熱及空氣流通，導致變頻器在高溫季節(jié)易跳閘、過熱報警。3、 參數設置及設備引起的故障故障主要發(fā)生在注聚泵用低壓變頻器，故障主要表現為起動時并不立即跳閘，而是在運行過程中跳閘?？赡艿脑蛴校海?） 泵工作狀態(tài)不穩(wěn)定；（2） 管線壓力過大；（3） 升速時間設定太短；（4） 降速時間設定太短；（5） 轉矩補償設定較大；（6） 引起低速時空載電流過大；（7） 電子熱繼電器整定不當，動作電流設定得太小、引起誤動作。4、 主板及主電路的故障由于使用年限較長和一些突發(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廢，是變頻器維修費用的主要消耗部分。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、 維護不當造成的故障大部分變頻器過熱報警故障，除了冷卻系統(tǒng)風扇損壞的原因外，還有一個主要原因，就是日常維護的缺乏，變頻器散熱器灰塵積攢嚴重，影響散熱。五、幾點建議1、 規(guī)范變頻設備進入渠道，建立準入制度。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)范變頻設備進入渠道，建立市場準入制度減少引進變頻器的品牌種類，降低后期維護、維修成本。（1） 限定品牌范圍限定品牌范圍，如近年來在孤東采油廠內出觀故障率低，運行可靠的某些品牌。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，對引入設備的廠家技術力量售后服務進行考察，對新引入變頻設備驗收時要求資料配備完整，包括線路圖、說明書等，便于以后出現故障進行維護。2、 建立變頻器日常保養(yǎng)制度對變順器的管理進行規(guī)范，由專人負責對變頻設備進行日常維護保養(yǎng)。日常維護保養(yǎng)的具體內容可以分為：（1）運行數據記錄，故障記錄：定期測量變頻器及電機的遠行數據，包括變頻器輸出頻率，輸出電流，輸出電壓，變頻器內

部直流電壓，散熱器溫度等參數。與合理數據對照比較，以利于早日發(fā)現故障隱患。變頻器如發(fā)生故障跳閘，務必記錄故障代碼和跳閘時