变频器在自动化控制系统中的应用及其故障探析

郑永辉

(广东龙丰精密铜管有限公司)

0 引言

伴随现代电力的发展, 出现了变频调速技术, 其中融合了电力电子技术等多个领域, 对传统的变级及直流调速进行了创新, 是交流调速的关键装置, 可以和多种运行系统进行匹配, 其调速范围相对较大, 启动电流非常小, 可以防止出现资源浪费问题。然而值得重视的是, 变频器操作流程的要求较高, 若是未按照要求操作, 将极易出现一系列故障, 造成较大的经济损失, 甚至危害人们的安全。由此, 应加强对变频器故障的重视, 落实好维修及检验工作。

1 变频器的基本构成和主要特点

(1) 主电路。在异步电动机中, 主电路是其电力变换的重点, 唯有通过主电路才能促进异步电动机电力变换, 例如电源调频调压。通常来讲, 变频器主电路包含两种形式, 一种是电压型, 另一种是电流型。对于这两种变频器来看, 均能够对电压源开展直接转化, 将其变成交流, 二者的区别在于前者的直流回路滤波属于电容, 而后者的交流回路滤波属于电感。线路设计运行中主要包含三部分, 首先为整流器, 它是对工频电源进行转换, 变为直流功率, 利用三相E 交流实现防雷及滤波的有效处理, 以保证电路能够全面吸收雷击残留电压, 促进后期顺利运行, 对整流及无源功率因素开展全面校正, 将其转换成高压直流电。其次为逆变部分, 该模块与整流模块进行对比, 它能够对高压直流电进行直接转换, 将其变为交流的功率, 从而促进整个系统顺利运行。对于逆变模块来看, 具体工作过程中, 通常是让操作者开展时间的设置, 对6 个开关器件实际运行情况开展科学控制, 确保三相交流合理输出。最后为脉动电压。该部分在整流模块工作结束后, 它是直流电压的构成部分。一般来讲, 脉动电压达到了电源的6 倍频率, 在逆变器运行中出现脉动电压的情况下, 会对直流电压的数值产生较大的影响, 为了可以确保直流电压相对稳定, 常常会借助电容等多种多样的手段, 对脉动电压进行吸收或是抑制。

(2) 控制电路。该部分的作用可以赋予主电路所需的回路, 以此对信号开展有效控制, 控制电路实际运行中, 往往包含大量的部分, 比如运算电路以及检测电路等。若是具备良好的驱动电路引导, 将显著提升控制信号, 在这一过程中, 还能实现电动机与逆变器保护电路的全面融合。首先, 利用运算电路能够确定实际运行的速度, 同时对转矩质量进行科学计算, 利用对比电压及电流信号的方式, 求出具体的逆变器输出频率。其次, 一般来讲, 电流与电压检测线路还同主电流点位之间存在适当的距离, 利用二者的检测线路, 能够科学检测出电流电压实际数值。另外, 对于控制电路来看, 其检测速度的电路实际上与速度检测器运行情况存在较大的关联。一般来讲, 速度检测器常常会直接与异步电动机主机开展连接, 在工作过程中能够全面接收到速度信号, 同时把接收的信号发送给运算回路, 对电动机速度开展科学控制,确保电动机可以顺利工作。针对电路器件来看, 驱动电路是关键的部分, 发挥着较大的作用。它与控制电路间存在适当的距离, 利用驱动电路能够对主电路器件实际运行情况开展科学控制。最后, 保护电路是为了对主电路电流及电压开展保护, 在保护电路运行的情况下, 能够第一时间找出系统运行的异常问题[1]。例如系统实际运行中, 若是电压比较大, 将直接关闭逆变器, 确保其在暂停运行状态下, 以此对电压进行合理控制, 对异步电动机以及异变器开展保护, 全面减少其实际运行过程中的经济损失。

(3) 主要特点。变频器的规格及体系不是很大,常常运用在小型空调室中。变频器实际运行过程中,压力非常稳定, 能够有效确保系统安全运行, 同时提供数字上的提示。借助变频器可以对压力及温度开展科学控制, 构建良好的自我保护系统, 实现自动报警功能。在这一过程中, 有关操作者能够借助自动化系统对其运行状态进行全天候监管。在此期间应重视的是, 变频器运行能够实现节能降耗效果, 比如, 在进行资源开发时, 往往会产生热网络失调问题, 在热网络检测系统中引入变频器能够较好地解决该问题, 结合室外温度对冷却水温度开展自动调节。其中热网监控系统中形成的数据通常和现场生产数据相同, 操作者能够利用全新的模拟系统, 对热网控制开展全面分析及总结, 同时对目前的运行系统开展完善, 或是借助故障模拟形式, 对自动化控制系统涉及的一系列指标开展分析, 从而全面减少设备的损坏率。

2 基于自动化控制系统, 运用变频器的重要性

一方面, 变频器可以提高电气设备存储容量。对于变频器来看, 其内部组织结构属于独立的, 若是和存储器进行融合, 在系统中会自带部分软件。一些用户内部存储器中还涉及多种多样的应用程序, 基于此, 变频器的运用能够显著增加系统的储存, 保存大量的数据包, 有利于促进后期工作检修顺利进行, 为其奠定夯实基础。另一方面, 变频器的运用可以增强设备智能化水平。针对自动化控制系统而言, 变频器的运用可以有效加快设备的反应速度, 促进设备智能化发展。基于科技经济的深入发展, 自动化控制系统会被特定软件所限制, 有关工作往往要按照国家法规来进行, 在这一过程中, CPU 可以对系统中产生的信息进行收集, 对整个结构开展全面检测, 同时提供动态的评估结果[2]。

3 变频器的运用要点

第一, 应和顺序控制系统全面融合。现阶段很多企业都借助了变频器来实现对自动化控制系统具体运行情况的监督, 不但可以降低监管工作者的工作量及压力, 还可以全面保护现场工作者的安全。对于电气自动化系统, 可以实现现场传感, 保证工程自动化控制, 对系统主站机开展就地控制。第二, 运用于开关控制中。变频器自身能够同逻辑控制有效融合, 因此可以支撑开关实际运行, 伴随时代的深入发展, 变频器的运用范围越来越广泛。第三, 运用于闭环控制中。针对闭环控制系统而言, 变频器运行是为了对调节器速度开展全面测量, 同时进行适当的调节及控制。基于该过程中, 速度测量及电液执行等工作实现了全面交叉渗透, 变频器能够对泵运行时间开展科学分析, 从而选出合适的备用泵及关键作用泵。一般情况下, 变频器具体操作过程中, 需要将档位转换成手动方式, 有利于增加系统运行效率, 提升其可持续性, 基于自动化系统中引入变频器, 能够对传统控制技术存在的问题进行优化, 进一步增强效率性。

4 变频器使用过程中的注意事项

(1) 散热问题。变频器实际运行过程中, 应对散热问题加以重视, 基于自动化控制系统的运用, 对散热的要求非常高。温度的控制会对变频器使用周期产生较大的影响, 因此, 应科学处理好散热问题。通常来讲, 操作者应在变频器内部配备冷却风扇, 在这一过程中, 应确保风扇处于垂直状态, 如此才能保证空气自上而下流通。除此之外, 还应将多台变频器设置在相同控制箱中, 如此也能缓解散热问题。

(2) 变频器和断路器结合运用中的问题。变频器的类型比较多, 把它与自动化控制系统连接在一起, 可以形成多样化的模式, 在这一过程中, 若是接触器类型存在差异, 那么使用的连接方式也是有区别的, 在与输入端及输出端进行连接时, 极易被故障接触点所影响, 若是变频器实际运行中出现问题, 将自动断开连接, 以此对整体运行设备进行保护。在二者进行连接时, 变频器与断路器均会借助横转距负载,基于电池自动吸合过程中, 能够保证传送带及电机稳定运行, 使其始终在发电状态中。该运行状态下形成的电力与别的能量均会在第一时间发送给变频器, 进一步提升电流母线的电压, 保证传感器高效工作, 同时还能把部分多余的能量转换为交流电, 并将其全面发送至电网中[3]。比如, 某金矿厂区在输送矿石下行过程中, 借助110kW 变频器对运行中的电能进行控制, 同时输入电网, 利用区域电网消纳手段可以全面减少用电成本, 促进清洁生产节能。若是交流母线电压在短期内全面提升, 将穿透里面的电容, 导致严重的事故。由此, 若是电动机正在发电, 应第一时间借助进线接触器, 在母线中电压提高到规定值时, 故障解除器将自动断开, 有利于更好地保护交流器。

(3) 变频器干扰问题。一般来讲, 变频器运行过程中, 往往会借助脉宽调节形式, 该形式的运用是促使逆变器供电中形成谐波电流, 让电压及电流全部在失真状态中, 减少后续电能质量, 这将不能保证设备的运行效率, 可能会产生运行故障。想要有效处理该问题, 可利用配备谐波滤波电抗器的方式, 把它和变频器输入端全面连接在一起, 以此减少谐波的干扰。另外, 实际运行中为了提升系统的灵敏度, 一些工作者常常利用接地处理方式, 这需要确定科学的接地点, 对接地电阻进行有效控制。在执行该操作故操作, 应对接地导线横截面积加以重视, 应达到2m3以上, 同时确保导线长度在20m 以下, 如此才能确保其灵敏度。

(4) 若是变频器与电机间距离比较长, 应运用科学的补偿措施。通常输出电压都是矩形脉冲du/dt,其中接地电容及电抗值分别是c 及z, 由于二者互相交互造成变换器工作过程中形成电压, 其计算公式为

U=zxdu/dt

如果电机中使用的电缆长度比较长, 将导致分部电容相对较大, 还会提高过电压。对此, 操作者可借助电机电缆对电缆进行屏蔽, 确保其电容在传统电缆之上, 进而增加电压。

5 变频器主要故障和处理

(1) 短路故障。变频器引流原因具有多样性,其中电路短路是非常普遍的问题, 若是出现电流短路问题, 将产生较大的安全风险, 严重的话, 会对现场工作者的安全产生损害, 造成公司员工受伤, 导致严重的经济损失。由此, 企业应对变频器短路开展全面分析, 第一时间处理潜在的安全问题。要求操作者对短路的根本原因开展科学分析, 对硬件及软件问题加以重视, 采用过流保护装置。

(2) 功率单元igbt。现阶段, 功率单元模块开始朝着智能化发展, igbt 模块是正负极之间的连接接口, 对变频器设备运行具有较大的作用。不管处于什么样的状态中, 变频器运行过程中都应对功率单元模块进行有效保护, 避免对模块提供过度电流以及在超过安全运行区域中操作电源模块, 应确保其使用周期。操作者在对临界电流故障进行处理前, 应先对模块运行稳定性开展全面检验。

(3) 辅助电路故障。通常来讲, 若是辅助电路产生故障, 将表现为下述情况: 变频器实际运行过程中, 初始运行能够顺利通电, 然而却显示没有输出,在对变频器开展拆卸检查后, 可以找出熔断问题。若是检修工作者缺乏足够的经验, 未在第一时间发现模块的隐患, 也未使用别的有效的熔件, 而借助铜芯线进行替换。在变频器开启后, 将产生非常大的响声,会对回路吸收以及驱动板块造成较大的破坏, 导致不可预计的经济损失。该问题产生的原因, 一般是将铜芯线当作保险丝运用, 这样一来, 将极易出现短路问题, 当铜芯线烧熔时还会造成四处喷射。基于此, 操作者应借助快速熔断器对晶闸管半导体元件等进行保护[4]。

(4) 增加故障诊断路径。第一, 操作者可利用故障树诊断法, 它属于一种定性因果模型, 可以将系统不愿出现的情况看成顶事件, 将不愿出现的原因看成底事件及中间事件, 根据逻辑门彰显相互间的关系。一般情况下, 操作者应先选取诊断对象, 以此充当相关事件, 接着对故障树开展科学的描述, 对变频器问题进行有效分析, 利用合理搜寻法找出故障的部位, 然后制定相应的方法及规划。基于故障树的运用, 可以全面展示变频器问题, 有着良好的适用性,能够快速找出现场操作问题。第二, 可根据神经网络以及信号处理法, 在神经网络控制器实际运行过程中, 无需使用对象数据模型。因为变频器自身有着一定的模糊性以及随机性, 在产生问题的情况下, 操作者无法凭借传统模式进行检验, 应参照神经网络开展诊断, 对故障信号间存在的关系进行描述。除此之外, 信号处理法逐渐受到人们的重视, 操作者可根据傅立叶分析, 计算三相全控制电流, 将时域信息变成频域范围, 根据变幅值特征开展故障诊断, 判断故障的种类, 根据相位特征明确故障的位置。在这一过程中, 沃尔什分析法可以促进三相全控制电流的合理分析, 利用沃尔什法对电路故障波形开展变换, 将周期时域波转换成频域波。

6 结束语

综上所述, 变频器故障分析以及检验是非常重要的工作, 有利于促进自动化系统安全运行, 是行之有效的措施, 是实现工业生产以及资源合理开发的重要手段。伴随电力行业的进步, 变频器被运用于多个领域, 由此, 产生了很多变频器维护和检修问题, 应提高对相关维护工作的重视, 要求操作者熟练使用变频器和维修技术, 做好维护及保养工作, 全面保证变频器高效率工作。