变频器使用寿命与维护保养

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随着工厂自动化技术的发展,变频器具有调速方便、性能可靠、节能显著等优点,日益成为重要的驱动和控制设备,广泛应用于纺织、石化、冶金、起重、拉丝、啤酒饮料、楼宇控制等行业。由于变频器使用的电子元件是有使用寿命的,同时安装环境、电网电压等因素影响变频器的使用寿命。要确保变频器可靠连续地运行,延长使用寿命,关键在于日常维护保养。
 
一、变频器的基本结构:
 

上图为变频器的结构图,变频器主要有以下四个部分组成:
1. 整流器
整流器的功能就是将输入三相交流电整流为直流电。整流器有两种基本类型:可控的和不可控的。不可控整流器由二极管组成,可控整流器含氧的
2.  逆变器
逆变器是变频器的输出环节,逆变器能将直流电变换为任意频率的交流电,当前逆变器几乎全部由绝缘门极场效应晶体管(IGBT)组成,早期的逆变器大多是用大功率晶体管组成的。
3.  中间电路
中间电路的功能是滤波和储能,主要由高压大容量电解电容和电抗器构成,电容近似为理想电压源,为逆变器提供输入电源。
4.  控制电路
控制电路负责采集主回路信号、接收控制命令、控制逆变器IGBT门极触发、提供人机接口等全部控制工作。
 
二、影响变频器使用寿命的主要因素:
 
根据变频器的结构,变频器内部的元器件主要有电阻、电容、电感、半导体器件、PCB板和散热风机等。合理设计的电感、电阻和PCB板服务寿命很长,但是环境对电阻或PCB板等部件的使用寿命还是有很大影响。半导体器件本身的平均寿命长达10000年(晶体管的封装和引线焊接寿命要比这短得多),所以一般不讨论半导体器件的主动失效问题;主回路大功率晶体管和二极管的损坏通常是由于过压、过流和过热这三个极端因素造成的。
冷却风机是有使用寿命的,主要因为冷却风机的轴承有使用寿命,目前最好的能做到50000小时,大概相当于满转速连续使用5年。因此丹佛斯的风机控制要采用智能控制,当散热片的温度低于40℃时,冷却风机是不运转的;然后随着散热片的温度增加,转速也逐步增加,直到满转速为止。这样可以尽量延长风机使用寿命。
    大容量铝电解电容是有使用寿命的,寿命长短与产品选型、环境温度和充电电流的有效值有关。丹佛斯变频器使用温度最高寿命最长的电解电容,再加上主回路采用LC滤波,大大抑制了充电电流有效值,因此丹佛斯变频器电解电容的使用寿命与整机相当。
 
三、使用中容易造成变频器损坏或缩短变频器使用寿命的主要原因:
 
1.    运行环境不良
环境不良包括环境湿度太大,环境中含腐蚀性气体,环境太脏或太油,运行环境温度过高等状况。其中环境湿度太大会降低变频器内部的绝缘引起放电击穿,导致PCB板发霉进而发生导线霉断或接插件接触不良,还会加速铜排和金属结构件氧化,导致主回路或动力端子排接触不良。环境中含腐蚀性气体,环境太脏或太油对PCB板和小型电子元器件的损害较大,会显著降低变频器的使用寿命。丹佛斯为应对环境腐蚀问题,采取了对所有PCB加喷增强型涂层的措施,但是市场上还有许多变频器是不采取任何PCB板防护措施的。环境太脏还会破环风机叶轮的动平衡,引起风机额外的振动,这会大大缩短风机轴承的使用寿命。运行环境温度过高会影响电阻、半导体器件、电解电容和风机等许多部件的使用寿命,而且这些部件的寿命通常与环境温度是指数相关的,如工作温度每降低10℃,电解电容的使用寿命就延长1倍。因此维护好变频器的散热通道,保证散热风机可靠正常工作对于延长变频器的使用寿命有着非常重要意义。
 
2.    变频器输出短路或对地短路
短路可能是电机相间短路,电机对地短路,电机电缆线绝缘不良或表皮磨破对地短路造成的。变频器的逆变模块IGBT对短路过流的耐受时间非常之短,通常不允许短路时间超过10μS,因此变频器都有非常快速的过流检测和保护电路,但是尽管如此,由于短路时的电流值很大(约为额定值的10倍),会令半导体器件承受巨大应力,一般半导体厂商都认为短路过流是不能周期性重复的,而且短路过流保护具有概率特性,即短路过流保护不是100%成功的。频繁输出短路尤其是输出对地短路对变频器会造成非常致命的损害,所以需要日常检查电机和电机电缆线的绝缘状况,才能保障设备正常可靠地运行。
 
3.    输入电网突波或浪涌电压太高
输入电压突波的主要成因有雷电直接击中电网,电网中大感性负载分断,大型功率因数补偿器分合闸,同一段电网中有大的直流电机负载,负载短路电源跳闸,电源线绝缘不良打火等诸种。输入突波电压或浪涌电压会造成变频器输入整流模块的致命损坏。由于电网电压突波来自于外部,变频器本身无法作主动性保护,只能作被动保护,保护的主要办法为在变频器电源进线侧加装金属氧化物压敏电阻和高频吸收电容,在整流模块上加装吸收电容或静电放电管。变频器的输入突波电压保护通常总是按照某固定的标准的,能满足绝大多数应用场合的需求,但是并不适合少数极端应用环境。如果在日常检查中发现变频器压敏电阻有损坏情况,或调查发现以前发生过前级自动开关跳脱事件,则需要考虑外部加装浪涌吸收器和快速熔断器。
 
四、结论:延长变频器的使用寿命,关键在于日常维护保养
综上所述,为确保变频器可靠连续地运行,延长变频器的使用寿命,关键在于日常维护保养。同时应当从维护保养中发现的问题出发,针对外部使用环境、电网质量等方面改进实际应用中的不良影响进行及时准确地处理。
 
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