變頻器使用中存在的問題及對策

張友平

（林德氣體（廈門）有限公司，福建 廈門 361022）

0 引言

隨著自動化技術的發展，變頻器在各個領域中的應用率越來越高，變頻器技術也在持續推陳出新，擁有越來越強的功能性和可靠性。但是，相關領域針對工業變頻器的使用，存在一定的問題，設備的應用價值沒有被充分發揮，甚至造成經濟損失。因此，在工業變頻器的使用過程中，需要對該特性進行研究，做好日常維護檢修工作。

1 變頻器的組成

變頻器是當今社會中一種重要的電子控制技術，該技術繼承了高壓大功率晶體管，可以實現對系統電壓、電流的靈活控制。變頻器主要是由整流單元、逆變器、控制器等組成的，各部分的正常運轉與配合是實現變頻功能的關鍵。整流單元是將系統運行過程中相對固定的交流電轉換為直流電的核心裝置；逆變器是方波轉化裝置，其是由大功率開關晶體管陣列組成的，根據不同元件及系統的需求，對直流電進行轉化；控制器的功能是根據相關功能設定的要求，對系統輸出方波的脈寬、幅度進行控制，將其處理成為近似正弦波的交流電，然后驅動交流電動機開始工作。在變頻器中，主電路包括整流器、濾波器和逆變器等，逆變器的電路維護需要遵循其基本構造特點，在保證安全的基礎上，做好電路檢修和維護。

2 變頻器維護中存在的問題

針對變頻器的檢修與維護，是維護系統運行狀態、發揮變頻器功能價值、提高系統運行效率的關鍵。但是在實際的檢測維護工作當中，受到內外多種因素的影響，變頻器維護中依然存在一些問題，需要針對性地進行解決。

首先是安裝問題，部分技術人員將變頻器安裝在有振動的設備上，或者在安裝時沒有考慮變頻器冷卻散熱需求，導致散熱空間過小，無法有效維持其運行溫度。因此，技術人員在安裝時應當充分考慮散熱需求，在既定的空間條件下，盡量采取縱向位進行安裝。

其次是低速運行和短路問題，前者是指變頻器長期處于低于15 Hz 的低速運行狀態，后者是指系統由于各種原因出現短路的現象。長期低速運行，會導致變頻器的運行溫度增高，系統現有的散熱系統無法滿足實際需求。因此，要針對性地加裝散熱風扇或相關裝置。針對系統的短路問題，技術人員要在日常檢修維護中做好除塵、防水的工作，并且要避免因為周邊溫度溫差過大而在變頻器周圍出現露水凝結的情況[3]。如果變頻器在很長一段時間內沒有運行，在開機使用之前要先檢查電路板，做好清理工作，再通電試運行。

再次是電壓不穩、系統異常振動的問題，導致變頻器電壓不穩的原因很多，通常情況下可以在發電機系統中加裝穩壓器或過壓保護裝置。如果系統容易出現異常振動的現象，要及時查明振動源。如果是外部裝置的原因，要采用合適的方法減少其與變頻器核心元件的接觸面積。如果是內部原因，就要檢查各部件的安裝準確度，擰緊螺栓，對有故障問題的元器件進行處理。

另外是雷擊或干擾問題。針對雷擊問題要在安裝變頻器時就做好防范措施，定期巡檢時要全面檢查防雷接地裝置是否處于正常狀態。雷雨天氣要檢查變頻器所在房間內外情況，關好門窗，降低系統被雷擊的概率。針對干擾問題，要避免變頻器周邊有大電流或經常高負荷運行的設備。如果變頻器所在系統中的各類干擾問題在所難免，則需要將變頻器的控制電纜更換為屏蔽線，主電纜使用變頻器專用電纜，再加裝濾波器。另外，要定期對變頻器工作環境中的電磁干擾因素以及系統內部電流電壓穩定性進行檢測，如果發現干擾因素則采取必要方法進行處理，為變頻器創造更好的運行環境。

最后是變頻器檢測工作問題，主要表現為相關人員對檢測工作不重視，沒有掌握專業的檢測維修技術工藝，在檢測工作當中表現得隨意、馬虎、不嚴謹。顯然，這種情況會導致變頻器系統中的各類問題及故障隱患長期存在，較難被發現，不僅不利于系統的高效穩定運行，還可能造成巨大的安全事故或經濟損失。對此，相關單位需要提高工業變頻器檢修維護人員的準入門檻，并在相關人員入職之后做好培訓工作，確保相關人員在掌握扎實知識技能的基礎上，具有良好的職業素養和責任感。在此基礎上，再針對檢修維護工作制定完善、嚴謹、可行的管理監督機制，做好權責劃分，并且執行獎懲制度，全面提高相關部門的工作水平。

除此之外，變頻器還會受到電磁干擾的影響，干擾產生的主要原因在于外部組件與變頻器之間的相互干擾。具體表現主要為2 個方面。首先，外部組件產生的對變頻器的干擾。這主要是由于變頻器中的交直流設備、整流設備以及電子電壓相關設備等對于局域網來講均為非線性負載，產生的諧波能夠影響其他電氣與電子設備，甚至對電網電源質量產生干擾。其次，變頻器對外部組件產生的干擾。變頻器和整個局域網相比屬于非線性負載，因此在使用過程中也會對其他組件造成干擾。同時變頻器當中的逆變器多數使用PWM 技術，處于開關模式狀態下，并且進行高速切換時，會有耦合性噪聲產生。因此變頻器對于其他電器、電子設備來講屬于電磁干擾源。

3 變頻器常見問題的解決思路和方法

3.1 加強電磁抗干擾管理

首先，可以運用空間隔離措施。空間隔離將容易出現干擾的兩個設備進行分開放置，使其在空間位置上留有一定距離，進而在電磁干擾產生和傳輸時便會有所削弱或者是完全消失，進而對其他設備的干擾減少。但是在空間面積的影響下，要想完全實現空間隔離并不現實，也會使空間被大量占用。在此情況下，可以將容易被干擾的變頻器以及弱電控制設施進行分開放置，在條件允許的情況下盡量保持一定距離，中間位置可以放置不容易被干擾的設備。變頻器在實際運行過程中，會產生高次諧波，引發磁場對部分機械部件形成電磁策動力。策動力如果在頻率上與機械當中部件的頻率相等或者相似，都會造成電磁影響下震動的發生。將震動減少的主要方式為將交流電抗器在電動機與變頻器之間接入，促進變頻器中產生高次諧波的減弱。在此情況下，抗電器需要安裝在和變頻器距離較近的地方，進而將引線距離減少。

3.2 制定定期檢修機制

針對變頻器常見的各種故障問題，最好的方法是針對變頻器做好日常的檢修工作。相關單位人員需要根據實際情況，制定一套完善的檢修維護工作機制。該機制應當由定期巡檢和針對性檢查兩部分組成，前者重點在于對變頻器乃至整個系統各部分運行狀態進行檢查，后者重點在于對變頻器容易發生故障的地方進行針對性、深入性的檢查。在定期檢修環節中，操作人員需要確保電源被切斷，待變頻器的面板電源指示燈完全熄滅之后，還要再等待4 min～15 min，該等待過程的目的在于讓主電流直流濾波電容器能夠充分放電，而等待時長則與變頻器容量成正比[2]。在操作之前，還要使用萬用表確認電容器是否完全放電。在檢查完成之后，需要保證所有裝置歸位，然后讓設備帶電機空載試運行一段時間，觀察其電機運轉方向、變頻器運行狀態是否穩定。

例如，筆者依據變頻器使用手冊和自己的工作經驗，制定了一套變頻器3 年期維護檢查的機制，具體流程如下。1）拆下變頻器控制主板，然后使用除塵器及毛刷，將變頻器內部IGBT 模塊、線路板等位置清理干凈，降低灰塵對其工作及散熱的影響。對于線路板臟污的位置，針對性的使用棉布沾適量酒精進行擦除。然后要檢查變頻器裝置內各條導線絕緣層的完整度和狀態，如果發現破損要及時更換。2）在變頻器的工作過程當中，會因為外部溫度變化或振動問題而出現螺絲、元件松動的情況。因此，在日常檢修保養的過程中，要檢查各個螺栓、緊固件、元件是否足夠緊固。然后要檢查系統散熱風扇是否完好，尤其要檢查散熱風扇的軸承，通常按照2 年更換一次風扇軸承的頻率，確保系統散熱正常。3）針對系統變壓器以及輸入輸出電抗器的檢查，筆者采用專業的方法，評估其是否出現過熱的情況。同時，通過感官看外部是否有變色、異味情況。同時，要對變頻器系統中部回路濾波電解電容器的安全閥進行檢查，明確是否存在裂縫、變形等問題。通常情況下，濾波電容器使用壽命為五年，需要按照1 年的間隔時間進行檢查，最后2 年則按照半年1 次的頻率進行檢查，確保其處于正常工作狀態。4）要對變頻器絕緣電阻進行檢查，并且要嚴格杜絕使用兆歐表進行測量檢測，否則很容易導致系統電子元器件受到影響。在檢查時，要斷開變頻器電源，然后檢查系統各位置是否按照規范接地。

3.3 加強日常維護保養

工業變頻器應當按照規范要求安裝在室內，否則容易受到外部環境的不利影響。安裝環境的溫度應當控制在-10 ℃～40 ℃，相對濕度要控制在90%以下，且變頻器內外不能因環境原因凝結露水，否則可能導致短路問題的發生[1]。變頻器安裝位置不能被陽光長時間直射，要遠離腐蝕性、可燃性氣體，周邊不能有較強振動或電磁干擾因素。具體來講，變頻器因各種因素而出現的振動幅度要控制在3 mm 以內，否則會影響其正常功能。

在變頻器的安裝中，要預留足夠的拆裝、檢修維護空間以及散熱空間，并且還要安裝必要的通風換氣裝置。如果電力系統中存在高次諧波、無線電干擾設備，在安裝時應當與變頻器保持足以消除影響的距離。

針對系統中長期保持運行的變頻器，檢修人員首先可以通過目視的方式進行檢查，檢查重點是變頻器的運行狀態和外觀品質。定期的巡視檢查，可以第一時間發現變頻器比較嚴重的異常現象。其次，檢修人員要按照規范檢查變頻器周邊環境溫度。變頻器在長期運行狀態下，會有大量熱量產生，部分熱量在不能及時擴散的情況下會在設備當中殘留，進而使設備老化加快，影響其實際運行效率。通常情況下，如果變頻器工作環境溫度在合理范圍之外每升高10 ℃，設備的使用壽命將減少一半。變頻器工作的最佳環境溫度是25 ℃左右，最佳相對濕度為30%左右。檢查過程中要明確變頻器顯示面板上的相關數值是否在合理范圍之內，變頻器散熱風扇是否正常運轉，散熱口是否被遮擋等。設備中的風扇能使產生的熱量得以降低，并且可以在設備機房當中對循環通風系統進行安裝，進而使室內溫度得到保證，促進變頻器的降溫。另外，要針對變頻器的故障報警系統進行檢查，明確其是否處于正常運轉的狀態。變頻器工作過程中，其交流輸入電壓極限應當是418 V，如果主電路外加輸入電壓超過該最大幅度，很可能會導致變頻器無法運行，甚至損壞變頻器。變頻器屬于精細程度較高的電子設備，包括多種電子組件和電子元件，溫度高低與其實際使用壽命之間聯系緊密，通過變頻器實際運行環境溫度的降低，能夠延長使用壽命，并且使設備穩定性得到保證。一般來說，在較為重要設備放置機房當中會設置散熱冷卻相應系統，其中主要有加裝風道、空調移機冷水設備等。除此之外，變頻器在實際應用過程中，也會出現電源異常問題，故障主要體現在欠壓、過壓一級停電，有時會出現這幾種的混合形式，異常現象出現的主要原因在于輸電線路受到雪、風、大雨等的影響。部分情況下也會出現相同供電系統當中出現相間短路與對地短路問題，如在電弧爐、電焊機、軋鋼機等影響下，電壓會出現閃變問題。在一個車間中，多臺變頻器出現容性整流負載情況下，產生的諧波會對電網質量產生較大的影響，影響不嚴重的情況下會使其難以連續運用，在影響嚴重情況下將會使設備在輸入回路上有所損壞。為了使設備得以正常運用，供電電源應使用雙電源，在備用電源安裝過程中需要使用變頻器，確保變頻器電源能夠正常供電，電弧爐、電焊機、軋鋼機等需使用電容補償柜。

4 變頻器優化改造實踐分析

在現代社會生產力進一步提升、各項工業技術不斷進步的情況下，為了進一步滿足工業生產管理的新要求，對工廠設備的運行方式進行了改造升級。筆者針對公司某現場的8466C 水泵電機運行系統進行了變頻運行改造。在該過程中，首先設置水泵電機直接啟動方式為變頻運行方式，打開水泵所有的閥門，然后根據系統中冷卻水的流量及目標壓力，通過DCS 輸入4 mA～20 mA 的電流信號改變變頻器的頻率。通過這種方式，對水泵轉速進行控制，滿足了控制流量和系統壓力的需求。為了保證在變頻器發生故障時系統也能正常生產，筆者所在的技術團隊為系統設置了旁路接觸器，一旦變頻器發生故障，系統會自動將水泵轉為工頻運行。同時在變頻器回路設置了輸出接觸器，當變頻器出現故障時，將與主電路完全斷開，確保系統安全，同時為后續的維修、更換創造安全的條件。本次變頻器系統改造完成之后，經過3 個多月的運行觀察，如圖1 和表1中的數據所示，可以發現該變頻器柜內的溫升符合實際要求。

圖1 變頻器柜紅外成像圖

表1 變頻器改造后溫升數據示意

5 結語

綜上所述，在如今自動化技術飛速發展和大范圍應用的大環境下，工業變頻器的使用和維護管理至關重要。針對工業變頻器及相關系統的檢修和維護工作，技術團隊應當深入分析在工作過程中可能面臨的挑戰、問題及干擾因素，再在全面了解變頻器系統功能特性的基礎上，制定嚴謹、完善的檢修維護管理工作制度，結合定期檢修維護與重點檢修維護的工作機制，全面提高變頻器檢修維護工作水平；再通過具體的案例應用，來不斷加深對變頻器性能和結構的了解。這樣才能嫻熟地掌握變頻器的正常運行狀況和維護技能，充分發揮其功能價值。