如何提高变频调速系统的可靠性 点击：6372 | 回复：24
发表于：2005-12-04 19:23:00
楼主
下面将从三个方面来讨论如何提高变频调速系统的可靠性。
(1) 提高变频器本身质量和可靠性。
变频器生产厂商如何根据用户高可靠性的要求制造出性能稳定，运行可靠，价格合理的产品满足市场需求也是这个产品或这个产业能否持续发展的关键。
具体要求有下列几项:
① 变频器的电路结构应力求简单可靠
a.首选采用真正的高一高(交-直-交)直接变频主电路。
b.功率单元愈少愈好，尽量避免功率单元和电力电子器件的串联。因为串联系统的可靠度减小(N次幂)、而串联系统的失效率增大(N倍)。虽然并联系统有利于可靠性的提高，减少失效率，增长装置的平均寿命，但是目前电力电子器件的电流可达3KA--4KA水平，所以不并联也可以使用了，目前主要问题是电力电子器件的耐压水平进一步提高后，电力电子器件就可以不串不并，便会大大提高变频器的可靠性。
② 变频器中电力电子模块的选用--耐压和电流额定值必须具有充分的裕度。外国某变频器制造商曾说:“功率模块充分降额使用可以换来装置的可靠性”。反之，所选功率模块参数接近计算值，没有一定的余量，存在侥幸心理，结果会造成变频器功率模块烧毁。
究其原因不外两方面:
(1)功率模块所选耐压和电流额定太小。
(2)所购进的功率模块是否正品？是否名牌厂商产品？目前国内IGBT功率模块还无法满足高压变频器的要求，但从国外购进IGBT，其质量又不尽如人意。其一，根本不可能购到军需品(军品)和一等品(正品)，大多属于有某1-2个指标不合格而被筛选下来的产品。其二，国内一般不具备严格的动态测试设备。那些未经挑选的功率模块，没有通过电热老化处理。不合格的功率模块装到整机上，发生故障甚至烧毁也在情理之中。
③ 变频器中电力电子模块应有充分的通风量和冷却措施。保证在允许结温下运行，离允许结温愈低，变流装置的可靠性愈高。
功率模块冷却方式可以风冷，水冷以及先进的热管技术。不论何种方式，需将整流变压器和变流装置损耗产生的热量带走，保持允许的结温。
根据装置的容量，损耗大小，制造商提出必须的通风量。
[注] 1)、新鲜冷空气，从变频器柜底部送入，由箱体顶部排出。空气逆方向流过(自上而下)是不允许的。
2)、变频器柜下部进风处应设置过滤网，防灰尘和油雾等杂质进入柜内。
保证变频器必需的通风量(米3/分或CFM)目的是为了散热冷却，使功率模块正常工作，不致于超过允许结温。另外有些工矿地处沿海、江和湖泊或是盐雾，潮湿和腐蚀气体环境，还应有防潮，防腐措施，例如，为了防止停役几天或几周后，变频器柜内受潮，绝缘下降，影响顺利开车，变频器柜内设有低压电加热器(电热丝加热，红外线电加热或远红外线电加热装置)。当变频器停役时，自动地将电加热器投入工作，确保箱内去湿和干燥。
④ 变频器必须制作精良，连接牢靠
具体要求:
a.连接件要少，尽量避免插件方式(易松动，不牢靠)，以焊接代替接线端子，尽量少用电位器。
b.采用大面积整块印刷电路板。
c.采用无接线独特结构的电力电子功率模块，提高产品的可靠性。
d.合理布局。例如:整流变压器与变流装置之间的隔热以及防电磁干扰措施;高压与低压之间的光电隔离和采用光缆传输。
⑤ 变频器出厂前应进行严格地带载试验和48-72小时性能考核。一台变频器由大量电气元器件组装而成。除了选用名牌和正品的符合技术要求的器件，并经过测试筛选，清除不可靠的元器件外，出厂前必须使变频器带电运行考验。一般要进行48-72小时连续运行考验，要求特别可靠的场合进行7昼夜(24*7=168小时)考验，其考核条件为:
a.带负载试验(不是空载或轻载)
b.具备实际应用场合的温度和相对湿度。
凡经试验检测符合技术规范，并通过长时间考核的变频器出厂投运以后，都会有很高的可靠性。
2 根据生产机器负荷要求和电动机规格参数，正确选择变频器形式及容量匹配
如果单有变频器本体的高可靠性，而变频器选型和容量匹配不适当，组成的变频调速系统也不可能达到很高的可靠性，甚至无法运转，为此，我们必须:
首先根据负荷性质，正确选用变频器类型。总的原则就是什么性质负载特性配什么特性的变频器。
(1) 恒转矩生产设备--在调速范围内，负载力矩基本恒定不变。应选具有恒转矩性能的变频器。其过载能力为150%额定电流维持1分钟。
(2) 平方转矩生产设备--在调速范围内，负荷力矩与转速的平方成正比，即M∝n2，离心式风机，水泵为它的典型代表。具有M∝n2特性的变频器其过载能力较小，110%-120%额定电流过载1分钟，
(3) 恒功率负荷生产设备-在调速范围内，转速低力矩大;转速高力矩小，即M•N C(常数)。典型设备如机床及卷绕机构。
当然有些变频器厂商的产品不分恒转矩和平方转矩负载，是通用型的。两种负荷都可选用。恒功率负荷特性是依靠V/F比来实现，并没有恒功率性能的变频器。
归纳起来，选用变频器型号应与负载力矩相适应。恒转矩特性的变频器可以用于风机水泵负载，反过来，平方转矩特性的变频器绝不能用于恒转矩特性的负载。
其次根据电动机名牌额定参数来匹配变频器容量
通常匹配原则:PEINV≥PEmotor(kW)
IEINV≥1.1-1.2IEmotor(A)
重视电流这个参数，因为电力电子模块的功耗是IX△U(电流与管压降之积)，与变频器的输出电压大小并没有直接关系。而变频器的输出功率是它与输出电压、输出电流之积成正比。实践中往往发生输出电流已超过，但输出功率并未超过，结果造成电力电子功率模块烧毁的故障。因此，应主要考虑电流指标。
变频调速主电路结构应用形式多种多样，如何选用匹配呢？
(1) 一对一单电动机变频调速方式。
因为变频器具有软起动(低压低频起动--逐步升压升频升速)，不存在冲击电流现象。
因此选用IEINV≥(1.1-1.2)IE motor
按确定的IEINV电流值，查产品目录，可找到合适的变频器
(2) 多电动机变频调速方式(多电机共用一台大变频器)
比如，有N台相同参数的电动机，同期起动电动机为K台，最大电流状况是当(N-K)台电机已起动完毕，处于高频高压运行之下，最后K台电机直接起动(直接起动电流很大，异步电机5-7倍，永磁同步电机10-14倍，设为IQ motor)。
选用变频器的充分且必要的条件是:
a)IEINV a≥(1.1-1.2)[N•IE motor]
b)IEINV b≥(1.1-1.2)[(N-K)•IE motor +K•IQ motor]
在IEINV和IE INV选择电流大的数值，再查产品目录，确定变频器的规格。
(3) 共用直流电源的多逆变器多电机变频调速方式(逆变器与电机仍属于1对1方式)
随着变频技术的进步，出现了小变频器多电机方案(实质类同1对1变频调速)和共用直流电源方案(多个逆变器共用一套直流电源，一个逆变器驱动一台电机。)
共用直流电源电流计算公式:
IE con≥(1.1-1.2)[IE motor1+ ……+IE motorn]或(1.1-1.2)•N•IE motor
3 变频器应有良好的运行环境和维护保养
尽管选用了高质量的变频器，并且变频驱动系统匹配也正确，如果希望获得长周期安全稳定运行，还应有一个良好运行环境以及做好设备维护保养。
(1) 变频器应有的运行环境
几乎所有的变频器制造厂商都说，可以在0-40℃温度，相对湿度RH≤95%(不结露)环境下工作。但是，为了变频器更有利的运行，希望变频器置于空气调节的环境里，温度控制在25±3℃，相对湿度RH≤70%-75%。实践证明，置于空调环境下变频器的故障机率要比没有空调环境变频器少得多，系统的可靠性增加很多。
另外，变频器的空调最好采用独立专用空调，避免使用车间空调或中央空调，因为中央空调、车间空间会把空气中的油污，灰尘和腐蚀性气体进入变频器柜内，引起变频器电力电子、微电子(IC集成电路)元器件的损坏。
(2) 加强每天的巡检及定期维修。
(1) 提高变频器本身质量和可靠性。
变频器生产厂商如何根据用户高可靠性的要求制造出性能稳定，运行可靠，价格合理的产品满足市场需求也是这个产品或这个产业能否持续发展的关键。
具体要求有下列几项:
① 变频器的电路结构应力求简单可靠
a.首选采用真正的高一高(交-直-交)直接变频主电路。
b.功率单元愈少愈好，尽量避免功率单元和电力电子器件的串联。因为串联系统的可靠度减小(N次幂)、而串联系统的失效率增大(N倍)。虽然并联系统有利于可靠性的提高，减少失效率，增长装置的平均寿命，但是目前电力电子器件的电流可达3KA--4KA水平，所以不并联也可以使用了，目前主要问题是电力电子器件的耐压水平进一步提高后，电力电子器件就可以不串不并，便会大大提高变频器的可靠性。
② 变频器中电力电子模块的选用--耐压和电流额定值必须具有充分的裕度。外国某变频器制造商曾说:“功率模块充分降额使用可以换来装置的可靠性”。反之，所选功率模块参数接近计算值，没有一定的余量，存在侥幸心理，结果会造成变频器功率模块烧毁。
究其原因不外两方面:
(1)功率模块所选耐压和电流额定太小。
(2)所购进的功率模块是否正品？是否名牌厂商产品？目前国内IGBT功率模块还无法满足高压变频器的要求，但从国外购进IGBT，其质量又不尽如人意。其一，根本不可能购到军需品(军品)和一等品(正品)，大多属于有某1-2个指标不合格而被筛选下来的产品。其二，国内一般不具备严格的动态测试设备。那些未经挑选的功率模块，没有通过电热老化处理。不合格的功率模块装到整机上，发生故障甚至烧毁也在情理之中。
③ 变频器中电力电子模块应有充分的通风量和冷却措施。保证在允许结温下运行，离允许结温愈低，变流装置的可靠性愈高。
功率模块冷却方式可以风冷，水冷以及先进的热管技术。不论何种方式，需将整流变压器和变流装置损耗产生的热量带走，保持允许的结温。
根据装置的容量，损耗大小，制造商提出必须的通风量。
[注] 1)、新鲜冷空气，从变频器柜底部送入，由箱体顶部排出。空气逆方向流过(自上而下)是不允许的。
2)、变频器柜下部进风处应设置过滤网，防灰尘和油雾等杂质进入柜内。
保证变频器必需的通风量(米3/分或CFM)目的是为了散热冷却，使功率模块正常工作，不致于超过允许结温。另外有些工矿地处沿海、江和湖泊或是盐雾，潮湿和腐蚀气体环境，还应有防潮，防腐措施，例如，为了防止停役几天或几周后，变频器柜内受潮，绝缘下降，影响顺利开车，变频器柜内设有低压电加热器(电热丝加热，红外线电加热或远红外线电加热装置)。当变频器停役时，自动地将电加热器投入工作，确保箱内去湿和干燥。
④ 变频器必须制作精良，连接牢靠
具体要求:
a.连接件要少，尽量避免插件方式(易松动，不牢靠)，以焊接代替接线端子，尽量少用电位器。
b.采用大面积整块印刷电路板。
c.采用无接线独特结构的电力电子功率模块，提高产品的可靠性。
d.合理布局。例如:整流变压器与变流装置之间的隔热以及防电磁干扰措施;高压与低压之间的光电隔离和采用光缆传输。
⑤ 变频器出厂前应进行严格地带载试验和48-72小时性能考核。一台变频器由大量电气元器件组装而成。除了选用名牌和正品的符合技术要求的器件，并经过测试筛选，清除不可靠的元器件外，出厂前必须使变频器带电运行考验。一般要进行48-72小时连续运行考验，要求特别可靠的场合进行7昼夜(24*7=168小时)考验，其考核条件为:
a.带负载试验(不是空载或轻载)
b.具备实际应用场合的温度和相对湿度。
凡经试验检测符合技术规范，并通过长时间考核的变频器出厂投运以后，都会有很高的可靠性。
2 根据生产机器负荷要求和电动机规格参数，正确选择变频器形式及容量匹配
如果单有变频器本体的高可靠性，而变频器选型和容量匹配不适当，组成的变频调速系统也不可能达到很高的可靠性，甚至无法运转，为此，我们必须:
首先根据负荷性质，正确选用变频器类型。总的原则就是什么性质负载特性配什么特性的变频器。
(1) 恒转矩生产设备--在调速范围内，负载力矩基本恒定不变。应选具有恒转矩性能的变频器。其过载能力为150%额定电流维持1分钟。
(2) 平方转矩生产设备--在调速范围内，负荷力矩与转速的平方成正比，即M∝n2，离心式风机，水泵为它的典型代表。具有M∝n2特性的变频器其过载能力较小，110%-120%额定电流过载1分钟，
(3) 恒功率负荷生产设备-在调速范围内，转速低力矩大;转速高力矩小，即M•N C(常数)。典型设备如机床及卷绕机构。
当然有些变频器厂商的产品不分恒转矩和平方转矩负载，是通用型的。两种负荷都可选用。恒功率负荷特性是依靠V/F比来实现，并没有恒功率性能的变频器。
归纳起来，选用变频器型号应与负载力矩相适应。恒转矩特性的变频器可以用于风机水泵负载，反过来，平方转矩特性的变频器绝不能用于恒转矩特性的负载。
其次根据电动机名牌额定参数来匹配变频器容量
通常匹配原则:PEINV≥PEmotor(kW)
IEINV≥1.1-1.2IEmotor(A)
重视电流这个参数，因为电力电子模块的功耗是IX△U(电流与管压降之积)，与变频器的输出电压大小并没有直接关系。而变频器的输出功率是它与输出电压、输出电流之积成正比。实践中往往发生输出电流已超过，但输出功率并未超过，结果造成电力电子功率模块烧毁的故障。因此，应主要考虑电流指标。
变频调速主电路结构应用形式多种多样，如何选用匹配呢？
(1) 一对一单电动机变频调速方式。
因为变频器具有软起动(低压低频起动--逐步升压升频升速)，不存在冲击电流现象。
因此选用IEINV≥(1.1-1.2)IE motor
按确定的IEINV电流值，查产品目录，可找到合适的变频器
(2) 多电动机变频调速方式(多电机共用一台大变频器)
比如，有N台相同参数的电动机，同期起动电动机为K台，最大电流状况是当(N-K)台电机已起动完毕，处于高频高压运行之下，最后K台电机直接起动(直接起动电流很大，异步电机5-7倍，永磁同步电机10-14倍，设为IQ motor)。
选用变频器的充分且必要的条件是:
a)IEINV a≥(1.1-1.2)[N•IE motor]
b)IEINV b≥(1.1-1.2)[(N-K)•IE motor +K•IQ motor]
在IEINV和IE INV选择电流大的数值，再查产品目录，确定变频器的规格。
(3) 共用直流电源的多逆变器多电机变频调速方式(逆变器与电机仍属于1对1方式)
随着变频技术的进步，出现了小变频器多电机方案(实质类同1对1变频调速)和共用直流电源方案(多个逆变器共用一套直流电源，一个逆变器驱动一台电机。)
共用直流电源电流计算公式:
IE con≥(1.1-1.2)[IE motor1+ ……+IE motorn]或(1.1-1.2)•N•IE motor
3 变频器应有良好的运行环境和维护保养
尽管选用了高质量的变频器，并且变频驱动系统匹配也正确，如果希望获得长周期安全稳定运行，还应有一个良好运行环境以及做好设备维护保养。
(1) 变频器应有的运行环境
几乎所有的变频器制造厂商都说，可以在0-40℃温度，相对湿度RH≤95%(不结露)环境下工作。但是，为了变频器更有利的运行，希望变频器置于空气调节的环境里，温度控制在25±3℃，相对湿度RH≤70%-75%。实践证明，置于空调环境下变频器的故障机率要比没有空调环境变频器少得多，系统的可靠性增加很多。
另外，变频器的空调最好采用独立专用空调，避免使用车间空调或中央空调，因为中央空调、车间空间会把空气中的油污，灰尘和腐蚀性气体进入变频器柜内，引起变频器电力电子、微电子(IC集成电路)元器件的损坏。
(2) 加强每天的巡检及定期维修。
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