低压变频器工作原理

低压变频器：
产品定义电压等级低于690V的可调输出频率交流电机驱动装置，就归类为低压变频器。

低压变频器主要控制方式：
目前，随着低压变频器技术的不断成熟，低压变频的应用场合决定了它不同的分类。单从技术角度来看，低压变频器的控制方式也在一定程度上表明了它的技术流派。我们在此分析了以下几种控制方式：
正弦脉宽调制（SPWM） 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 但是此种控制方式也是目前变频器普遍使用的控制方式之一。也是目前国产品牌使用最多的控制方式之一。
电压空间矢量（SVPWM） 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。由于众多国产变频器在矢量控制上还与国外品牌有一定差距，因此SVPWM控制方式在国内的变频器矢量控制方式中比较常见。
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。使用矢量控制，可以使电机在低速,如（无速度传感器时）1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150％）。对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。这个功能即为转矩提升。转矩提升功能提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。 因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。矢量控制则把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值。矢量控制可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。矢量控制方式也因此成为国外品牌占领高端市场的一个重要的优势。
直接转矩控制（DTC）方式 该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。ABB公司的ACS800系列即采用这种控制方式。
矩阵式交—交控制方式 VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前尚未成熟，其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（±2％，无PG反馈），高转矩精度（<＋3％）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150％～200％转矩。

低压变频器的应用：

一、变频器的节能原理
1、变频节能
变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。
由流体力学可知，P（功率）＝Q（流量）×H（压力），流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。所队当所要求的流量Q减少时，可调节变频器输出频率使电动机转速n按比例降低。这时，电动机的功率P将按三次方关系大幅度地降低，比调节挡板、阀门节能40％一50％，从而达到节电的目的。
例如：一台离心泵电机功率为55千瓦，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16千瓦，省电48.8％，当转速下降到原转速的l／2时，其耗电量为6.875千瓦，省电87.5％。
2、功率因数补偿节能
无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。
3、软启动节能
电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。
二、孤东采油厂变频器在用情况
目前孤东采油厂在用各种变频器达到480余台，其中三采中心270余台，采油一矿45台，采油二矿13台，采油三矿22台，采油四矿43台，新滩试采矿57台，集输大队27台。主要有美国的ABB、罗宾康，日本的富士、安川、三肯、东芝和日立，德国的西门子。目前国产变频在控制技术和功能上，已取得了显著的进步和成就，所以近两年来油厂国产变频器的数量正逐步提高，主要有春日、森兰和烟台惠丰等品牌。
三、目前主要存在问题
孤东采油厂技术质量监督站自2005年开展了变频器维修工作，先后组织了现场维修150台次，总功率达到5800千瓦。从维修情况来看，变频器发生故障或损坏的特征，一般可分为两类：一种是在运行中频繁出现的自动停机现象，并伴随着一定的故障显示代码，其处理措施可根据随机说明书上提供的指导方法，进行处理和解决。这类故障一般是由于变频器运行参数设定不合适，或外部工况、条件不满足变频器使用要求所产生的一种保护动作现象；另一类是由于使用环境恶劣，高温、导电粉尘引起的短路、潮湿引起的绝缘降低或击穿等突发故障（严重时，会出现打火、爆炸等异常现象）。 具体表现为：
1、变频器主控电路故障。主要包括主板，电源板，逆变器、滤波电容等主控电路损坏。
2、变频器冷却直流风扇故障。风扇属于易损件，工作寿命在2—5年，但是因为变频器种类繁多，功率大小不同所以内部直流风扇额定电流不同而不通用，部分风扇损坏后因为缺乏备件无法及时更换。
3、变频器外围控制器件故障。变频柜内变频器本身无故障，但外部控制电路系统发生故障。由于使用年限较长，且控制电路又比较复杂，既没有电路图，又没有线号，线路多而且复杂，给维修造成不便。
4、变频柜设计不合理，内部过于狭窄，散热通风效果差，导致散热不良。部分变频器工作环境比较恶劣，风沙及尘土集聚较多，严重影响了变频器的正常运行，甚至造成停机故障。变频柜散热导流风扇属于易损件，寿命一般在2年左右，但是大部分变频柜散热风扇损坏后，没有及时更换，造成散热不良，造成变频器工作稳定性差、老化加剧、过热报警频发等现象发生。
5、变频器日常维护工作跟不上。操作人员对变频路基本操作及一些基本参数设置不了解，使用过程中不能及时发现问题。
6、“小马拉大车”问题。由于当时投产设计时的工作条件下限制，设计安装时为节省资金，许多地方都有采用了变频功率小于电机额定功率，但随着工艺生产条件的变化，出现“小马拉大车”问题，造成变频器不能正常运行。如一号联水外输、三号联提升和KDl8号站注水等。
四、变频器的主要故障原因及预防措施
由于使用方法不正确或设置环境不合理，将容易造成变频器误动作及发生故障，或者无法满足预期的运行效果。为防患于未然，事先对故障原因进行认真分析显得尤为重要。变频器在正常使用6—10年后，就进入故障的高发期，经常会出现元器件烧坏、失效、保护功能频繁动作等故障现象，严重影响其正常运行。
1、外部的电磁感应干扰易造成故障
如果变频器周围存在干扰源，它们将通过辐射或电源线侵入变频器的内部，引起控制回路误动作，造成工作不正常或停机，严重时甚至损坏变频器。在外部采取噪声抑制措施，消除干扰源显得非常必要。具体解决办法有：一是尽量缩短控制回路的配线距离，并使其与主线路分离；二是变频器接地端子应按规定进行，不能同电焊、动力接地混用；三是变频器输入端安装噪声滤波器，避免由电源进线引入干扰。
2、环境问题造成的故障
变频器属于电子器件装置，在其规格书中有详细安装使用环境的要求。振动是对电子器件造成机械损伤的主要原因，对于振动冲击较大的场合，应采用橡胶等避振措施；潮湿、腐蚀性气体及尘埃等将造成电子器件生锈、接触不良、绝缘降低而形成短路；温度是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素，特别是半导体器件，应根据装置要求的环境条件安装空调或避免日光直射。
定期检查变频器的空气滤清器及冷却风扇是非常必要的。目前采油厂在用变频器的冷却风扇损坏比较严重，而且部分变频工作环境比较差，严重影响散热及空气流通，导致变频器在高温季节易跳闸、过热报警。
3、参数设置及设备引起的故障
故障主要发生在注聚泵用低压变频器，故障主要表现为起动时并不立即跳闸，而是在运行过程中跳闸。可能的原因有：

（1）泵工作状态不稳定；
（2）管线压力过大；
（3）升速时间设定太短；
（4）降速时间设定太短；
（5）转矩补偿设定较大；
（6）引起低速时空载电流过大；
（7）电子热继电器整定不当，动作电流设定得太小、引起误动作。
4、主板及主电路的故障
由于使用年限较长和一些突发原因，而造成主板及主电路损林，此类故障发生必然造成元器件的损坏和报废，是变频器维修费用的主要消耗部分。主要有：
（1）整流块的损坏；
（2）充电电阻损坏；
（3）逆变器模块烧坏；
（4）滤波电容的损坏；
（5）主板、电源板损坏。
5、维护不当造成的故障
大部分变频器过热报警故障，除了冷却系统风扇损坏的原因外，还有一个主要原因，就是日常维护的缺乏，变频器散热器灰尘积攒严重，影响散热。
五、几点建议
l、规范变频设备进入渠道，建立准入制度。
目前孤东采油厂变频器品种繁多，各种变频器之间器件并不通用，造成了备料困难，增加了成本利维修的难度，因此建议规范变频设备进入渠道，建立市场准入制度减少引进变频器的品牌种类，降低后期维护、维修成本。
（1）限定品牌范围
限定品牌范围，如近年来在孤东采油厂内出观故障率低，运行可靠的某些品牌。建议规范为富士、ABB、森兰等品牌。
（2）规范引入渠道
规范引入渠道，对引入设备的厂家技术力量售后服务进行考察，对新引入变频设备验收时要求资料配备完整，包括线路图、说明书等，便于以后出现故障进行维护。
2、建立变频器日常保养制度
对变顺器的管理进行规范，由专人负责对变频设备进行日常维护保养。日常维护保养的具体内容可以分为：
（1）运行数据记录，故障记录：
定期测量变频器及电机的远行数据，包括变频器输出频率，输出电流，输出电压，变频器内部直流电压，散热器温度等参数。与合理数据对照比较，以利于早日发现故障隐患。变频器如发生故障跳闸，务必记录故障代码和跳闸时变频器的运行工况，以便具体分祈故障原因。
（2）变频器日常检查：
每两周进行一次，检查记录运行中的变频器输出三相电压，并注意比较它们之间的平衡度；检查记录变频器的三相输出电流，并注意比较它们之间的平衡度；检查记录环境温度，散热器温度；察看变频器有无异常振动，声响，风扇是否运转正常。
（3）变频器保养：
每台变频器每季度需要清灰保养1次。保养要清除变频器内部和风路内的积灰、脏物，将变频器表面擦拭干净，变频器面板要保持清洁光亮；在保养的同时要仔细检查变频器，察看变频器内有无发热变色部位，阻尼电阻有无开裂现象，电解电容有无膨胀漏液防爆孔突出等现象，PCB板有否异常，有没有发热烧黄部位。
3、加强培训
（1）对变频设备操作、管理人员进行基础培训，掌握变频器日常维护保养的知识以及了解基本参数的设置。
（2）对变频器维修人员进行系统的培训，以便今后更好地开展维修工作。
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