變頻器基礎(chǔ)知識、
日常維護(hù)與常見故障處理方法
2014年11月
目 錄
1.1異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) …………………………………………………… 1
1.1.1 交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速基本原理 ………………………………… 1
1.1.2 變頻與變壓的實(shí)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(hù)（OC）… ………………………………………………… 9
1.3.2 過電壓保護(hù)（OV）… ………………………………………………… 10
1.3.3 過載保護(hù)（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(hù)（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(hù) ………………………………………………………… 12
1.6 變頻器維修要點(diǎn)及無顯示維修實(shí)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(shí)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(dá)變頻器參數(shù)一覽表（電子文檔，PDF文件）
3， 臺達(dá)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(dòng)機(jī)變頻調(diào)速基本原理
交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可由式（1-1）表示：
（1-s） (1-1)
式中：n—電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）;
f—電源頻率（Hz）;
p—電動(dòng)機(jī)磁極對數(shù)；
s—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率。
由式（11-1）可見，影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有：電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的電源頻率f ,就可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速和相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)交流異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要因素是希望保持每極磁通Φ不變。因?yàn)椋魏坞妱?dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的帶負(fù)載能力也就減小，所以，磁通不能減��；另外，磁通增大，將使電動(dòng)機(jī)的磁路飽和，勵(lì)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(dòng)機(jī)學(xué)理論，三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)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(jì)算如下：
E=KfΦ (1-2)
式中：K—與電動(dòng)機(jī)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(zhǔn)確方法就是使反電動(dòng)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(dòng)勢相平衡（U≈Ef）的特點(diǎn)，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(dòng)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(shí)也必須變壓。這就是VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)。
（3）變頻后的機(jī)械特性及其補(bǔ)償
1）變頻后的機(jī)械特性
滿足U/f=常數(shù)時(shí)，變頻后電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如同11.1所示。
圖1.1 調(diào)速后的機(jī)械特性
從圖1.1中可以看到，當(dāng)電動(dòng)機(jī)向低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)，如同（a）所示，曲線近似平行地下降。這說明，減速后的電動(dòng)機(jī)仍然保持原來較硬的機(jī)械特性，但是電動(dòng)機(jī)的臨界轉(zhuǎn)矩卻隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降而逐漸減小，這就造成電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載能力的下降。這樣的機(jī)械特性難以和直流調(diào)速系統(tǒng)相比。
低頻時(shí)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?yàn)?I>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(dòng)勢平衡的角度看，f下降引起U成正比率下降，因?yàn)镮1 不變，所以阻抗壓降ΔU基本不變，而反電動(dòng)勢E所占比例則逐漸減小。從而，當(dāng)U/f=常數(shù)時(shí)，比值E/f實(shí)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(dòng)機(jī)的臨界轉(zhuǎn)矩Tc也隨之減小。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)向高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)，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(jī)械特性變軟。
造成這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)頻率f升高時(shí)，電源電壓不能相應(yīng)地升高。這是因?yàn)殡妱?dòng)的絕緣強(qiáng)度限制了電源電壓不能超過電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩下降,造成電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟。
2) V/F轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法
變頻后機(jī)械特性的下降使電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載能力減弱，影響交流電動(dòng)機(jī)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(bǔ)償法。
V/F轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法的原理是：當(dāng)頻率下降時(shí)，適當(dāng)提高U/f的比值，以補(bǔ)償 ∆U所占比例增大的影響，從而保持磁通Φ恒定，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩回升。這種方法稱為轉(zhuǎn)矩補(bǔ)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(bǔ)償法。
注意，V/F轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法只能補(bǔ)償向低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性，而對高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性不能補(bǔ)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(jī)械的具體情況進(jìn)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(shí)質(zhì)上是向交流異步電動(dòng)機(jī)提供一個(gè)頻率可控的電流，能實(shí)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(yùn)算回路、主回路的電壓/電流檢測回路、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測回路、根據(jù)運(yùn)算回路的結(jié)果生成相應(yīng)脈沖并進(jìn)行隔離和放大的PWM生成及驅(qū)動(dòng)回路、變頻器和電動(dòng)機(jī)的保護(hù)回路。
1.1.2 變頻與變壓的實(shí)現(xiàn)---SPWM調(diào)制波
要實(shí)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(shí)，使直流電壓也隨之下降。實(shí)施PAM要同時(shí)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(diǎn)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(diǎn)是：由于電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)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(gè)正弦波進(jìn)行比較，如圖1.4所示，其相交的時(shí)刻（即交點(diǎn)）作為開關(guān)管“開”或“關(guān)”的時(shí)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(dòng)機(jī)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(diǎn)，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(shí)，每半個(gè)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(gè)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(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通/斷。
采用雙極性控制時(shí)，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(bǔ)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(gè)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(dòng)機(jī)繞組的無功電流返回直流通路時(shí)提供通路；在降速過程中，為電動(dòng)機(jī)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(gè)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(diǎn)所決定的時(shí)間，進(jìn)行“開”與“關(guān)”所產(chǎn)生的輸出波形。其波值正、負(fù)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(fù)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(shí)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(gè)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(diǎn)是在逆變器輸出頻率變化的整個(gè)范圍內(nèi)，皆可保持輸出波形的正、負(fù)半波完全對稱，只有奇次諧波存在。而且能嚴(yán)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(diǎn)是：當(dāng)逆變器輸出頻率很低時(shí)，每個(gè)周期內(nèi)的SPWM脈沖數(shù)很少，低頻諧波分量較大，使負(fù)載電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(diǎn)，可以采用異步調(diào)制方式，即在逆變器的整個(gè)變頻范圍內(nèi)，載波比N 不是一個(gè)常數(shù)。一般在改變參考頻率fr時(shí)，保持三角波載波頻率ft 不變，因而提高了低頻時(shí)的載波比，這樣逆變器輸出電壓在每個(gè)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(fù)載電動(dòng)機(jī)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(shí)，又失去了同步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)載波比N隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時(shí)，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(dòng)機(jī)工作不平穩(wěn)。
3） 分段同步調(diào)制方式
實(shí)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(diǎn)，而在低頻運(yùn)行時(shí)，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(gè)變頻范圍內(nèi)劃分為若干頻段，在每個(gè)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(shí)，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。
