变频器在自动化控制系统中的应用及其故障研究

周业春，耿海波

（1.东营市技师学院，山东 东营 257000；2.东营市中等专业学校，山东 东营 257000）

引言

变频调速技术是随着现代电力发展应运而生的必然产物，集合了电力电子技术、微电子技术和现代控制理论等多个领域，是对过去滑差调速、变级调速、直流调速的突破与创新，是交流调速最为核心的装置，能够与不同的运行系统相匹配，调速范围大，而且启动电流小，能够避免产生大量的资源浪费。但不可否认的是，变频器的操作流程是十分严格的，如果没有按照要求来运转，就很有可能会发生各种各样的故障，最终带来经济损失甚至是人身安全损害。因此，必须要注重对自动化系统中变频器故障的分析，做好日常的维修和检验工作。

1 分析变频器的构造和组成特点

1.1 主电路

主电路作为异步电动机电力变换的关键，只有主电路才能完成异步电动机的电力变换工作，比如电源调频调压。一般情况下变频器的主电路分为两种，分别是电压型、电流型。其中电压型的变频器和电流型的变频器都可以将电压源的直流直接转化成交流，而两者不同的地方是电压型变频器是直流回路滤波为电容，而电流型的变频器是交流回路滤波作为电感。线路运行的过程当中会涉及到三个部分。第一部分是整流器。整流器是将工频电源转变成直流功率，通过三相E的交流，做出防雷和滤波的处理，进而使得电路可以有效地吸收雷击残留电压，保证后期的可靠运行，进而有效地矫正整流和无源功率因数，成为高压直流电。第二部分是逆变部分。逆变模块和第一部分的整流模块相比较而言，它可以将高压直流电直接转化成交流的功率，以此保证整个系统的正常运行。逆变模块在工作时可以由操作人员进行时间的设定，有效地控制6个开关器件的运行状态输出三相交流。第三部分是脉动电压。脉动电压处于在整流模块做好整流处理工作之后，属于直流电压的一部分。通常情况下脉动电压是电源的6倍频率，当逆变器在运行的过程中产生脉动电压时，直接影响到直流电压的数值，为了能够使直流电压较为平稳，会使用电容等各种方式来吸收和抑制脉动电压。

1.2 控制电路

控制电路的主要作用是为电动机的主电路提供回路来控制信号，在控制电路运行的过程当中会涉及到很多个部分，如运算电路、电压电流检测电路、电动机的速度和检测电路等等。如果有良好的驱动电路引导可以有效地增强控制信号，同时还可以将电动机和逆变器保护电路进行有效地渗透结合。第一部分，结合运算电路可以有效的明确运行的速度，并且计算出转矩的质量，通过对比电压信号和电流线号最终确定逆变器的输出频率。第二部分，通常情况下电流和电压的检测线线路与主电流的电位有着一定的距离，通过电流和电压的检测线路，可以明确地检测到电流电压的真实数值。此外，控制电路中检测速度的电路和速度检测器的运行有着密不可分的联系。通常情况下，速度检测器会直接连接到异步电动机的轴机部分，其在工作状态中可以有效地接收速度信号，并将接收到的信号输送到运算回路中，有效地控制整个电动机的速度，使得电动机能够正常工作。驱动电路属于电路器件中的部分并起到了重要的作用。驱动电路和控制电路之间有一定的距离，通过驱动电路可以有效的控制主电路器件的运行状态。第三部分，保护电路的主要作用是保护主电路的电流和电压，当保护电路在工作的过程当中可以及时发现系统的运行异常状态。比如当系统运行中如果出现电压过大时，可以直接关闭逆变器的，使逆变器处于暂停运行的状态，进而有效地抑制电压，保护异步电动机和异变器，尽可能降低其运行的经济损失。

1.3 主要特点

变频器的规格和体系都是相对较小的，因此十分适用于小型的空调室。变频器运行的压力是相对稳定的，可以保证系统运行的安全和可靠，并给出数字上的提示。变频器能够精准地控制压力和温度，拥有强大的自动报警功能和自我保护系统。同时，操作人员也可以利用自动化系统对变频器的运行展开全天候的监督和管理。值得注意的是，变频器的运行还可以达到节能降耗的效果，例如，在资源开发的过程中，必然要面对热网络失调的问题，而变频器的热网络检测系统就可以完美地应对这一挑战，根据室外温度自动调节冷却水的温度。在这里，热网监控系统中的数据与现场的生产数据是完全一致的，操作人员可以结合全新的智能模拟系统，针对热网的控制作出分析和总结，并优化当下的运行系统，或者是利用故障模拟的形式，分析自动化控制系统的各项指标，降低设备的损坏率。

2 分析变频器在自动化控制系统中的应用价值

首先，变频器能够增加电气设备的存储容量。变频器的内部组织结构是相对独立的，所以一旦与储存器相结合，那么系统也会自带一些软件。而用户内部的储存器中包含的是不同类型的应用程序，在这种情况下，变频器的运行就可以有效地提高系统地储存，保存多种多样的数据包，为后期的工作检修提供有效的参考，并支持维修工作的顺利进行。

其次，变频器的应用能够提高电气设备的智能化水平。对于自动化控制系统来讲，变频器的使用能够进一步提高电气设备的反应速度，推动设备向着智能化的方向迈进。在科技经济的引导下，自动化控制系统会受到特定软件的约束，所以一系列的工作也会根据国家的法律法规来展开，此时，CPU就会收集系统中已经存在的信息，对整个结构进行全方位的检测，并给出实时的评估结果。

3 分析变频器在自动化控制系统中的应用要点

3.1 应用关键点

首先是与顺序控制系统的结合。当下，大多数企业都会利用变频器对自动化系统的运行状态进行监督，这不仅减轻了监管人员的压力和负担，而且也维护了现场工作人员的生命安全。其次就是开关控制，变频器本身就可以与逻辑控制紧密结合，所以能够支撑开关的运行和启动。最后是在闭环控制中的应用，对于闭环控制系统来讲，变频器运行的主要目的就是测量调节器的速度，并做好有效的调节与约束。在这里，速度测量、电子调节和电液执行是充分交叉渗透到一起的，变频器可以分析泵运行的时间，由此来选择备用泵和主要作用泵。总的来说，变频器在自动化控制系统中的应用，能够弥补传统技术中的欠缺和不足。

3.2 基本注意事项

首先是散热问题，这是变频器运行中必须面对的重要任务，自动化控制系统也对散热提出了严格的要求。温度的把控在很大程度上影响，甚至决定着变频器的使用周期，所以散热问题必须要得到妥善的解决和处理。一般情况下，操作人员可以在变频器内部安装冷却风扇，此时要保证风扇的安装是垂直的，这样就可以让空气自上而下的进行流通。另外，也可以把多台变频器安装到同一个控制箱内。

其次，变频器断路器两者的相互配合问题。众所周知，变频器的类型非常繁多，在将变频器和自动化控制系统进行连接的过程当中有多种多样的模式，同时如果接触器的类型不同，连接方式也会有很大的差异。接触器连接输入端或者输出端的过程当中会受到变频器故障接触点的控制，当变频器在工作的过程当中如果一旦出现问题，接触器也会自动断开连接，来保护整体的运行设备。当两者在连接的过程当中，变频器和断路器都会应用横转距负载，在电池的自动吸合状态下使传送带和电机可以平稳地开展工作，也可以使电机一直处于发电的工作状态。这两种运行状态所产生的电力和其他的能量都会及时地传输到变频器上，进而有效增强电流母线的电压，使得传感器进行高效的工作，并且还可以将一些多余的其他能量转变成交流电，而交流电可以为有效地传送到电网当中。

再次，变频器的干扰问题。通常情况下变频器在运行时会使用到脉宽调节的控制形式，而这种形式有一个最大的弱点，就是使逆变器在供电的过程当中产生一些谐波电流，而这些谐波电流会使电压和电流波处于失真的状态，会降低后续的电能质量，导致设备在运行的过程当中无法提高运行效率，甚至还会出现运行故障。为了有效地解决这一问题，可以通过安装波滤波电抗器，将其与变频器的输入端进行连接，来降低谐波的干扰。此外在运行的过程当中，为了能够增强自动化控制系统的灵敏度，很多工作人员还会采取有效的接地处理，这需要选择合适的接地点，保证和控制接地的电阻。在进行此操作时还要注意将接地导线的横截面积大于或等于2 m3，并且保证使其实际的导线长度小于等于20 m，才能保证良好的灵敏度。

另外，如果变频器质电极之间的距离过长，那么也需要采取相对应的补偿措施。若是电机里面的电缆长度越长，那么分部的电容也会越来越大，过电压也会随之上升。在这里，操作人员可以用电机电缆来屏蔽电缆，让电缆里的电容超越传统的电缆，从而提高电压。

4 分析变频器的常见故障

4.1 短路故障

变频器引流的原因是多种多样的，在这其中，最为常见的就是电路短路的问题，电流短路会埋下严重的安全风险和隐患，甚至会损害现场的人身安全，导致公司员工受到生命威胁，造成无可挽回的经济损失。因此，企业必须要针对变频器短路的问题作出分析，要及时解决潜在的安全风险。操作人员要认真分析每次短路背后的根本原因，要把握好硬件问题和软件问题，研制出过流保护装置[1]。

4.2 功率单元igbt

目前，功率单元模块正在向着智能化的方向不断迈进，igbt模块作为连接正负极的接口，在变频器设备中的地位也是不可小觑的。无论在何种状态下，变频器的运行都要保护好功率单元模块，不能对模块施加过度的电流，避免操作电源模块超出给定的安全运行区域，维持其使用寿命和周期。操作人员在对临界电流状态和故障做出应对之前，要先检验模块运行的稳定性。

4.3 辅助电路故障

一般情况下，如果辅助电路出现了故障，具体表现在：变频器运行期间，初始运行是可以正常通电的，但有显示，无输出，在拆卸变频器前盖进行检查之后，就会发现熔断问题。如果检修人员的经验不充足，没有检查模块的隐患，没有寻找其他合理的熔件，而是采用铜芯线替换时。变频器启动之后，就会发出巨大的响声，吸收回路和驱动板块都会遭受损坏，带来严重的经济损失。之所以会出现这一问题，主要原因在于同心线作为保险丝使用时，产生短路的可能性是极高的，烧熔铜芯线会四处喷射。在这种情况下，操作人员就可以选择使用快速熔断器保护硅整流原件和晶闸管半导体原件[2]。

4.4 拓展故障诊断的途径

首先，操作人员可以结合故障树这一诊断方法，故障树是种定性因果模型，能够把系统最不愿意发生的状况当做顶事件，把不愿意发生的原因当做底事件和中间事件，并结合逻辑们表现彼此之间的关系。具体来讲，操作人员要先选择诊断对象当做相事件，然后再对故障树做出合理的描述，分析变频器的问题和情况，再结合合力搜寻法，查找故障的位置，并设计出解决的方法和规划。故障树的应用能够让变频器问题更加直观的展现出来，适用性极强，可以快速诊断现场的操作问题。

其次，可以结合神经网络和信号处理故障诊断法，神经网络控制器的运行不需要借助对象数据模型。变频系统本身就具有极强的模糊性与随机性，所以当出现问题的时候，操作人员也不能完全按照传统的模式来检验，而是要参照神经网络诊断，直接描述故障信号类型之间的逻辑关系。另外，信号处理故障诊断法也需要得到高度的关注和重视，操作人员可以结合傅立叶分析，对三相全的控制电流进行探究，把时域信息转化为频域范围，或者是按照蝙蝠值特点实施故障诊断，确定故障的类型与内容，结合相位特点诊断故障的部位。同时，沃尔什分析法也可以帮助操作人员分析三相全的控制电流，将电路具体故障的波形通过沃尔什法变换，把周期时域中波变为频域里。

5 结语

持续性推动变频器的故障分析和检验是合理且必要的举动，这是提高自动化控制系统运行稳定性的应有之策，也是维护工业生产和资源开发的有效措施。本文通过对过电流保护装置的设计、igbt的监督、辅助电路的维修、神经网络诊断和信号诊断这几个角度，论述了变频器故障诊断和解决的方法，充分结合了自动化系统的特点，具有理论上的合理性与实践上的可行性，能够作为从业人员的参考依据。