采煤機變頻器的控制電路及集中常見故障分析

摘要：熟悉變頻器構造，了解其主要器件的功能特點和常用參數的配置，并掌握一定的設備故障檢修技能，是技術人員都應具備的專業素質。文章就變頻器的電路構造及其常見故障檢修作詳細說明。

關鍵詞：變頻器 控制電路 干擾

0 引言

近幾年來，變頻器在煤炭開采行業中的應用開始受到業界的普遍關注。熟悉變頻器構造，了解其主要器件的功能特點和常用參數的配置，并掌握一定的設備故障檢修技能，是每一位技術人員應具備的基本從業素質。

1 變頻器控制電路

依據行業慣例，我們把控制回路定義為一種網絡。通過這個網絡，可以為采煤機牽引電動機供電的主電路提供控制信號。主電路的“電壓、電流檢測電路”，頻率、電壓的“運算電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的驅動電路，以及逆變器、電動機的保護電路，就是整個控制回路所涵蓋的電路元件。開環控制回路不具有速度檢測裝置；已裝設速度檢測裝置的回路就是閉環控制回路，它通過反饋環節可以更為精確的掌握異步電動機的運轉情況。

1.1 逆變器輸出電壓和頻率主要通過運算電路得出的。具體來說，就是經過運算電路中外部的速度、轉矩等指令在與檢測電路中的電流、電壓信號進行比較運算后得出。

1.2 電壓、電流檢測電路為與主回路電位隔離檢測電流、電壓等。

1.3 隔離設置驅動電路和控制電路。關斷或導通電路元件的操作由驅動電路來完成。

1.4 變頻器通過I/0輸入輸出電路可以進行高質量的人機交互。它能夠接收運行、多段速度運行等多種輸入信號的輸入。另外，各類內部參數的輸出也通過I/0輸入輸出電路來完成。

1.5 運算回路接收到裝設在異步電動機軸上的速度檢測器發出的速度信號，并將其轉換為速度指令，指揮電動機正常運轉。

1.6 主電路中的電流和電壓等通過保護電路來檢測。如主電路的電流電壓情況發生異變，為避免損壞逆變器和異步電動機，要將逆變器的電壓和電流調節到額定數值范圍以內，或直接執行斷電操作，中止設備運行。

逆變器控制電路中設置了異步電動機保護電路和逆變器保護電路：

1.6.1 逆變器保護。①瞬時過電流保護。因為逆變電流負載側短路等原因，電流從逆變電路回件中流過時一旦超出限定值，逆變器就迅速斷電，停止工作。變流器的輸出電流超出額定范圍，逆變器也要執行同樣的操作。②過載保護。若逆變器輸出電流和電流持續流通的時長大于限定值，將不可避免的對電線、逆變器器件造成破壞。為避免這種問題的發生，應該立即停止設備運轉，適時保護需要反時限特性，可實施熱繼電器或電子熱保護。當電動機因超過限定值的負載而發生堵轉，或負載的GD2（慣性）超過限定范圍，一般會都出現過載問題。③再生過電壓保護。電動機在逆變器的作用下運轉速度急速下降，在降速過程中，直流電路電壓基于再生功能而增大，甚至使其超出限定范圍，為避免電壓過高而引發設備故障，可采取措施延緩電動機減速，或使逆變器應立即停止工作。④瞬時停電保護。瞬時停電可以在控制電路正常運作的前提下精確至毫秒的范圍。若停電的時間已大于數十毫秒，我們除采取措施防止電路誤動作以外，還要果斷切斷主電路的工作電流。所以發現故障后必須對逆變器進行斷電。⑤接地過電流保護。對于逆變器負載接地，可以將漏電保護斷路裝置和接地過電流保護功能加設在逆變器上，一是為了防止逆變器遭到破壞，二是對操作人員的生命安全負責。⑥冷卻風機異常。有冷卻風機的裝置，如果風機運轉發生故障，裝置內會快速升溫，所以采用風機熱繼電器或器件散熱片溫度傳感器，一旦查出故障，就可以及時切斷逆變器工作電流，使其停止運行。

1.6.2 異步電動機的保護。①過載保護。逆變器保護裝置和過載檢測裝置共同使用。基于其低速運轉過熱的情況，通過安裝在逆變器內的電子熱保護裝置對過熱的問題進行檢測，或將溫度檢測器埋設在異步電動機內進行實測。若動作過于頻繁，可適當減小電動機負荷，擴大逆變器和電動機的容量。②超速保護。如果異步電動機和逆變器的運轉情況異常，也就是說一旦電動機的運轉速度或逆變器的工作頻率超越了既定的范圍，逆變器就要執行斷電操作。

1.6.3 其它保護。①防止失速過電流。異步電動機的跟蹤速度在加速過程中如果達不到預期效果，就會使過電流保護電路動作，設備將無法正常工作。鑒于此，必須在負載電流還未減小時提前采取措施控制頻率變化，避免頻率過高損壞電路。在某些情況下，也能采用這種方法來控制恒速運轉中的過電流。②防止失速再生過電壓。在減速過程中，再生能量的產生會造成主電路中的直流電壓升高，促使再生過電壓電路保護動作。為避免這種問題的出現，應提前采取措施（最好在直流電壓下降前）對頻率的降幅進行控制。

2 變頻器控制回路的抗干擾措施

由于主回路的非線性（進行開關動作），變頻器的作用就好像一個諧波干擾源。而變頻器周圍一般是能量小且信號較弱控制回路，任何裝置的干擾都會導致這部分控制回路出現狀況而無法正常工作，進而影響變頻器及其周圍裝置的正常運轉。鑒于此，在裝設或使用變頻器的過程中，有必要將抗干擾裝置裝設在控制回路上，提高設備的抗干擾能力。

2.1 變頻器的基本控制回路。一般模擬回路和數字回路是與外部進行信號交流的基本回路。

①4-20MA電流信號回路（模擬）；1-5v/0-5v電壓信號回路（模擬）。②開關信號回路，變頻器的開停指令，正反轉指令（數字）。

模擬回路和數字回路將外部控制指令信號導入變頻器，干擾源產生的干擾電勢也通過控制電纜來干擾變頻器正常運轉。

2.2 干擾的基本類型及抗干擾措施。①靜電耦合干擾。在電纜中，控制電纜與其周邊的電氣回路所攜帶的靜電耦合產生的電勢，就是靜電耦合干擾。當其與干擾源電纜的間距至少為導體直徑的40倍，就能有效避免干擾。將接地屏蔽導體加設在電纜與電纜之間，也是抗干擾的方法之一。②靜電感應干擾。靜電感應干擾是周圍電氣回路產生的磁通變化在電纜中感應出的電勢。干擾源電纜的磁通大小、控制電纜形成的閉環面積、或其他動力電纜的分離鋪設，往往決定其干擾能力。一般分離距離為10cm～30cm，或超過30cm。如果不易于分離，可穿過鐵管鋪設控制電纜（電纜路線盡量短），或采取控制導體絞合的方法（絞合間距盡量小），來有效預防干擾。③電波干擾。控制電纜成為天線，由外來電波在電纜中產生的電勢，我們稱其為電波干擾。可采取上文提到的控制措施來避免干擾，或將變頻器放入接地鐵箱進行電波屏蔽。④接觸不良干擾。變頻器控制電纜的電接點及繼電器觸點接觸不良，電阻發生變化在電纜中產生的干擾叫做接觸不良干擾。提高電器件等級，或并聯觸點可有效避免此類干擾的發生。除此以外，還要定期檢查并緊固電纜連接點。⑤接地干擾。機體接地或信號接地，由弱電壓電流回路以及不合理的接地誘發的各類干擾，都屬于接地干擾。因篇幅有限，其范圍較廣，在此不再具體說明。

3 變頻器的常見故障分析

采煤作業常用的變頻器一般為交流電源輸入的電壓型變頻器。其交流電壓三相整流橋整流成直流電壓，由三相橋式逆變電路將其轉為可以頻率、電壓具有可調性的三相交流電輸送至負載。一般情況下，剛剛接通變頻器后，直流側的平波電容的容量和電流數值較大，因此，大多數情況下都由一個起動電阻來控制充電電流。控制電路在結束充電后，通過晶閘管和繼電器的觸點使起動電阻發生短路，電阻因短路被燒壞，引發直流母線電壓故障。根據設計經驗，設計者在對變頻器的起動電路進行設置的過程中，為縮小變頻器體積，多采用電阻值為10～50Ω、功率在10～50W之間的小型起動電阻。

如果變頻器旁路接觸器觸點出現接觸不良、旁路晶閘管導通阻值增大的情況，或交流輸入電源頻繁接通，電阻一般會發生短路而被燒毀。一旦出現此類故障，工作人員應該及時置換規格型號與原電阻相同的電阻進行替換，并且查明問題根源。若是由輸入側電源頻率開合引發的電路故障，首先要徹底解決這個問題才可以正常起動變頻器；若故障根源在于旁路晶閘管和旁路繼電器觸點，就應該及時更換損壞的器件再開始其他工序的操作。

4 結束語

采用變頻器作為異步電動機驅動器，設備的確可以穩定運行，但是一旦發生誤操作，或某些偶然因素也難以避免變頻器遭到破壞。因此，對于變頻器的操作原理，技術人員要做到了然于心，并熟練掌握設備見故障檢修方法及處理措施，以確保采煤作業的有序開展。

參考文獻：

[1]吳智忠，吳加林編著.變頻器應用手冊.機械工業出版社，1995.

[2]張燕賓著.變頻器調速應用實踐.機械工業出版社.

[3]MG300/720-AWD交流電牽引采煤機使用說明.天地科技股份有限公司上海分公司.