電機變頻調速系統的調試與故障分析

隨著變頻器的應用范圍越來越廣泛，變頻器運行中出現的問題也越來越多。主要表現為:過電壓、過電流、高次諧波、振動與噪聲、發熱等。本文針對上述常見問題的產生進行原因分析并提出相應的處理方法。

　　一、過電壓產生的原因及處理方法

　　1.1 過電壓產生的原因

　　(1)分斷變壓器出現的過電壓

　　按照截流過電壓形成的理論，當斷開變壓器時，變壓器電感中的電流不能突變、其中存儲的磁場能量，在變壓器勵磁電感和對地電容間形成振蕩，從而出現過電壓。

　　(2)變壓器帶負載合閘產生的過電壓

　　在實際試驗中，合空載變壓器曾檢測到數倍于電源電壓的過電壓，其物理原理為:空載變壓器仍可等值于一個勵磁電感與變壓器本身的等效電容的并聯，如果變壓器的中性點不接地，開關又是非周期合閘(一相或兩相先合)，由于饋線電容、變壓器對地電容、縱向電容與變壓器電感產生振蕩，結果產生較高的過電壓，特別是變壓器中性點過電壓較高。

　　雖然變壓器基本上都是帶負載合閘，但是變壓器帶上負載后合閘也會產生過電壓，只是相對空載時要小些。在真實負載中有比較大的電容，由于電容的儲能不會突然增加，再加上輸送電纜在傳輸高頻率的振蕩電壓時有分布對地電容，這些電容對過電壓有吸收作用。這兩者的共同作用使變壓器在合閘過程中的過電壓受到抑制，但是有時候其數值仍然很高，甚至有可能高出元件的耐壓值，這是很危險的。

　　(3)整流元件的換向過電壓

　　整流元件在換向時，由于很高，所以轉向過電壓也很高。這不僅會損壞元件，而且還會產生電磁干擾。

　　1.2 過電壓的處理方法

　　(1)對于變頻器移相變壓器的分斷過電壓，采用阻容吸收網絡和氧化鋅避雷器組成過電壓吸收回路，取得較好效果。

　　(2)對于變壓器帶負載合閘產生的過電壓，可以選用周期性能好的開關(開關長期操作后會出現不同期);采用良好的阻容吸收回路或者有源抑制器技術方案;采用帶靜電屏蔽措施的變壓器，也可以有效地抑制合閘過電壓。但是大功率變壓器在制作靜電屏蔽層的難度將是相當大的。

　　(3)對整流元件換向產生的過電壓，注意點是:整流元件的反向耐壓值要足夠，其次就是吸收回路和續流回路必須措施得當。否則整流器件就有可能被過電壓擊穿。

　　(4)由于變頻器工作時的過電壓基本上是變壓器分閘合閘時產生，因此應該從變壓器開始想辦法抑制變頻器的過電壓。可以采用:

　　①加大變壓器勵磁電感和對地電容，加大勵磁電感即減小空載電流，這都會引起變壓器成本的增加。②加大變壓器對地電容：原理上容易分析，但是實際上由于變壓器本身的結構和材料限制，要想做出任意絕緣方式或絕緣等級高的變壓器是不太可能的，因此要想較大地增加變壓器的對地電容C也是相當困難的。

　　二、過電流產生的原因及處理方法

　　2.1 過電流產生的原因

　　(1)工作中過電流

　　即拖動系統在工作過程中出現過電流。其原因大致來自以下幾方面:

　　①電動機遇到沖擊負載，或傳動機構出現卡住現象，引起電動機電流的突然增加。

　　②變頻器的輸出側短路，如輸出端到電動機之間的連接線發生相互短路，或電動機內部發生短路等。

　　③變頻器自身工作的不正常，如逆變橋中同一橋臂的兩個逆變器件在不斷交替的工作過程中出現異常。例如由于環境溫度過高，或逆變器件本身老化等原因，使逆變器件的參數發生變化，導致在交替過程中，一個器件已經導通、而另一個器件卻還未來得及關斷，引起同一個橋臂的上、下兩個器件的直通、使直流電壓的正、負極間處于短路狀態。

　　(2) 升速時過電流

　　當負載的慣性較大，而升速時間又設定得太短時，意味著在升速過程中，變頻器的工作效率上升太快，電動機的同步轉速迅速上升，而電動機轉子的轉速因負載慣性較大而跟不上去，結果是升速電流太大。

　　(3) 降速中的過電流

　　當負載的慣性較大，而降速時間設定得太短時，也會引起過電流。因為，降速時間太短，同步轉速迅速下降，而電動機轉子因負載的慣性大，仍維持較高的轉速，這時同樣可以是轉子繞組切割磁力線的速度太大而產生過電流。

　　2.2 過電流處理方法

　　(1)起動時一升速就跳閘，這是過電流十分嚴重的現象，主要檢查:工作機械有沒有卡住;負載側有沒有短路，用兆歐表檢查對地有沒有短路;變頻器功率模塊有沒有損壞; 電動機的起動轉矩過小，拖動系統轉不起來。

　　(2)起動時不馬上跳閘，而在運行過程中跳閘，主要檢查:升速時間設定太短，加長加速時間;減速時間設定太短，加長減速時間;轉矩補償(U/f比)設定太大，引起低頻時空載電流過大:電子熱繼電器整定不當，動作電流設定得太小，引起變頻器誤動作。

　　三、諧波產生的原因及處理方法

　　3.1 諧波產生的原因

　　從結構上看、變頻器可分為直接變頻和間接變頻兩大類。間接變頻將工頻電流通過整流器變成直流，然后再經過逆變器將直流換成可控頻率的交流。直接變頻器則將工頻交流變換成可控頻率的交流，沒有中間環節。它的每相都是一個兩相晶閘管整流裝置反并聯的可逆線路。正反兩組按一定周期相互切換，在負荷上就獲得了交變輸出電壓，其幅值決定于各整流裝置的控制角，頻率決定于兩相整流裝置的切換頻率。目前應用較多的還是間接變頻器。間接變頻器有三種不同的結構形式：(1)用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調壓調頻分別是在兩個環節上進行，兩者要在控制電路上協調配合。(2)用不控整流器整流斬波器變壓、逆變器變頻，這種變頻器整流環節用斬波器，用脈寬調壓。(3)用不控整流器整流,PWM(Pulse Width Modulation,脈沖寬度調制)逆變器同時變頻，這種變頻器只有采用可控關斷的全控式器件(加絕緣柵雙極晶休管IGBT等)輸出波形才會非常逼真的正弦波。

　　無論是哪一種的變頻器，都大量使用了晶閘管等非線性電力電子元件。不管采用哪種整流方式，變頻器從電網中吸取能量的方式均不是連續的正弦波，而是以脈動的斷續方式向電網索取電流，這種脈動電流和電網的阻抗共同形成脈動電壓降疊加在電網的電壓上，使電壓發生畸變，經傅里葉級數分析可知，這種非周期正弦波電流是由頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成。

　　3.2 諧波的處理方法

　　為了消除諧波，主要采用以下對策:

　　(1)增加變頻器供電電源內陰抗 通常情況下，電源設備的內阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無功功率的作用。這種內阻抗就是變壓器的短路阻抗。當電源容量相對變頻器容量越小，內阻抗值相對越大，諧波含量越小;電源容量相對變頻器容量越大，則內阻抗值相對越小，諧波含量越大。所以選擇變頻器供電電源變壓器時，最好選擇短路阻抗大的變壓器。

　　(2)安裝電抗器 安裝電抗器實際是從外部增加變頻器供電電源的內阻抗。在變頻器的交流側或變頻器的直流側安裝電抗器或同時安裝，可抑制諧波電流。

　　(3)變壓器多相運行 通常變頻器的整流部分是6脈波整流器，所以產生的諧波較大，應用變壓器的多相運行，如使相位角互差30°的Y-Δ、Δ-Δ組合的2臺變壓器構成相當于12脈波整流器，則可減小諧波電流，起到諧波抑制作用。

　　(4)調節變頻器的載波比 提高變頻器載波比，可有效抑制低次諧波。

　　(5)應用濾波器 濾波器可檢測變頻器諧波電流的幅值和相位，并產生與諧波電流幅值相同、相位相反的電流，從而有效地吸收和消除諧波電流。