光伏發(fā)電系統(tǒng)用逆變器的基本知識(shí)

?逆變器的概念
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????? 通常，把將交流電能變換成直流電能的過(guò)程稱(chēng)為整流，把完成整流功能的電路稱(chēng)為整流電路，把實(shí)現(xiàn)整流過(guò)程的裝置稱(chēng)為整流設(shè)備或整流器。與之相對(duì)應(yīng)，把將直流電能變換成交流電能的過(guò)程稱(chēng)為逆變，把完成逆變功能的電路稱(chēng)為逆變電路，把實(shí)現(xiàn)逆變過(guò)程的裝置稱(chēng)為逆變?cè)O(shè)備或逆變器。
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????? 現(xiàn)代逆變技術(shù)是研究逆變電路理論和應(yīng)用的一門(mén)科學(xué)技術(shù)。它是建立在工業(yè)電子技術(shù)、半導(dǎo)體器件技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、半導(dǎo)體變流技術(shù)、脈寬調(diào)制（ＰＷＭ）技術(shù)等學(xué)科基礎(chǔ)之上的一門(mén)實(shí)用技術(shù)。它主要包括半導(dǎo)體功率集成器件及其應(yīng)用、逆變電路和逆變控制技術(shù)３大部分。
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????? 逆變器的分類(lèi)
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????? 逆變器的種類(lèi)很多，可按照不同的方法進(jìn)行分類(lèi)。
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????? １．按逆變器輸出交流電能的頻率分，可分為工頻逆變器、中頻逆器和高頻逆變器。工頻逆變器的頻率為５０～６０Ｈｚ的逆變器；中頻逆變器的頻率一般為４００Ｈｚ到十幾ｋＨｚ；高頻逆變器的頻率一般為十幾ｋＨｚ到ＭＨｚ。
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????? ２．按逆變器輸出的相數(shù)分，可分為單相逆變器、三相逆變器和多相逆變器。
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????? ３．按照逆變器輸出電能的去向分，可分為有源逆變器和無(wú)源逆變器。凡將逆變器輸出的電能向工業(yè)電網(wǎng)輸送的逆變器，稱(chēng)為有源逆變器；凡將逆變器輸出的電能輸向某種用電負(fù)載的逆變器稱(chēng)為無(wú)源逆變器。
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????? ４．按逆變器主電路的形式分，可分為單端式逆變器，推挽式逆變器、半橋式逆變器和全橋式逆變器。
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????? ５．按逆變器主開(kāi)關(guān)器件的類(lèi)型分，可分為晶閘管逆變器、晶體管逆變器、場(chǎng)效應(yīng)逆變器和絕緣柵雙極晶體管（ＩＧＢＴ）逆變器等。又可將其歸納為“半控型”逆變器和“全控制”逆變器兩大類(lèi)。前者，不具備自關(guān)斷能力，元器件在導(dǎo)通后即失去控制作用，故稱(chēng)之為“半控型”普通晶閘管即屬于這一類(lèi)；后者，則具有自關(guān)斷能力，即無(wú)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷均可由控制極加以控制，故稱(chēng)之為“全控型”，電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙權(quán)晶體管（ＩＧＢＴ）等均屬于這一類(lèi)。
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????? ６．按直流電源分，可分為電壓源型逆變器（ＶＳＩ）和電流源型逆變器（ＣＳＩ）。前者，直流電壓近于恒定，輸出電壓為交變方波；后者，直流電流近于恒定，輸也電流為交變方波。
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????? ７．按逆變器輸出電壓或電流的波形分，可分為正弦波輸出逆變器和非正弦波輸出逆變器。
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????? ８．按逆變器控制方式分，可分為調(diào)頻式（ＰＦＭ）逆變器和調(diào)脈寬式（ＰＷＭ）逆變器。
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????? ９．按逆變器開(kāi)關(guān)電路工作方式分，可分為諧振式逆變器，定頻硬開(kāi)關(guān)式逆變器和定頻軟開(kāi)關(guān)式逆變器。
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????? １０．按逆變器換流方式分，可分為負(fù)載換流式逆變器和自換流式逆變器。
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????? 逆變器的基本結(jié)構(gòu)
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????? 逆變器的直接功能是將直流電能變換成為交流電能，其示意圖如圖１所示。
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????? 逆變裝置的核心，是逆變開(kāi)關(guān)電路，簡(jiǎn)稱(chēng)為逆變電路。該電路通過(guò)電力電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，來(lái)完成逆變的功能。電力電子開(kāi)關(guān)器件的通斷，需要一定的驅(qū)動(dòng)脈沖，這些脈沖可能通過(guò)改變一個(gè)電壓信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)。產(chǎn)生和調(diào)節(jié)脈沖的電路。通常稱(chēng)為控制電路或控制回路。逆變裝置的基本結(jié)構(gòu)，除上述的逆變電路和控制電路外，還有保護(hù)電路、輸出電路、輸入電路、輸出電路等，如圖２所示。
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????? 逆變器的工作原理
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????? １．全控型逆變器工作原理：圖３所示，為通常使用的單相輸出的全橋逆變主電路，圖中，交流元件采用ＩＧＢＴ管Ｑ１１、Ｑ１２、Ｑ１３、Ｑ１４。并由ＰＷＭ脈寬調(diào)制控制ＩＧＢＴ管的導(dǎo)通或截止。
????? 當(dāng)逆變器電路接上直流電源后，先由Ｑ１１、Ｑ１４導(dǎo)通，Ｑ１、Ｑ１３截止，則電流由直流電源正極輸出，經(jīng)Ｑ１１、Ｌ或感、變壓器初級(jí)線圈圖１－２，到Ｑ１４回到電源負(fù)極。當(dāng)Ｑ１１、Ｑ１４截止后，Ｑ１２、Ｑ１３導(dǎo)通，電流從電源正極經(jīng)Ｑ１３、變壓器初級(jí)線圈２－１電感到Ｑ１２回到電源負(fù)極。此時(shí)，在變壓器初級(jí)線圈上，已形成正負(fù)交變方波，利用高頻ＰＷＭ控制，兩對(duì)ＩＧＢＴ管交替重復(fù)，在變壓器上產(chǎn)生交流電壓。由于ＬＣ交流濾波器作用，使輸出端形成正弦波交流電壓。
????? 當(dāng)Ｑ１１、Ｑ１４關(guān)斷時(shí)，為了釋放儲(chǔ)存能量，在ＩＧＢＴ處并聯(lián)二級(jí)管Ｄ１１、Ｄ１２，使能量返回到直流電源中去。
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????? ２．半控型逆變器工作原理：半控型逆變器采用晶閘管元件。改進(jìn)型并聯(lián)逆變器的主電路如圖４所示。圖中，Ｔｈ１、Ｔｈ２為交替工作的晶閘管，設(shè)Ｔｈ１先觸發(fā)導(dǎo)通，則電流通過(guò)變壓器流經(jīng)Ｔｈ１，同時(shí)由于變壓器的感應(yīng)作用，換向電容器Ｃ被充電到大的２倍的電源電壓。按著Ｔｈ２被觸發(fā)導(dǎo)通，因Ｔｈ２的陽(yáng)極加反向偏壓，Ｔｈ１截止，返回阻斷狀態(tài)。這樣，Ｔｈ１與Ｔｈ２換流，然后電容器Ｃ又反極性充電。如此交替觸發(fā)晶閘管，電流交替流向變壓器的初級(jí)，在變壓器的次級(jí)得到交流電。
????? 在電路中，電感Ｌ可以限制換向電容Ｃ的放電電流，延長(zhǎng)放電時(shí)間，保證電路關(guān)斷時(shí)間大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間，而不需容量很大的電容器。Ｄ１和Ｄ２是２只反饋二極管，可將電感Ｌ中的能量釋放，將換向剩余的能量送回電源，完成能量的反饋?zhàn)饔谩?br>?????
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????? 逆變器的主要技術(shù)性能及評(píng)價(jià)選用
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????? 技術(shù)性能
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????? 表征逆變器性能的基本參數(shù)與技術(shù)條件內(nèi)容很多，下面僅就評(píng)價(jià)時(shí)常用的參數(shù)做一簡(jiǎn)要說(shuō)明。
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????? １．額定輸出電壓
????? 在規(guī)定的輸入直流電壓允許的波動(dòng)范圍內(nèi)，它表示逆變器應(yīng)能輸出的額定電壓值。對(duì)輸出額定電壓值的穩(wěn)定準(zhǔn)確度一般有如下規(guī)定：
????? （１）在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電壓波動(dòng)范圍應(yīng)有一個(gè)限定，例如其偏差不超過(guò)額定值的±３％或±５％。
????? （２）在負(fù)載突變（額定負(fù)載０％→５０％→１００％）或有其他干擾因素影響的動(dòng)態(tài)情況下，其輸出電壓偏差不應(yīng)超過(guò)額定值的±８％或±１０％。
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????? ２．輸出電壓的不平衡度
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????? 在正常工作條件下，逆變器輸出的三相電壓不平衡度（逆序分量對(duì)正序分量之比）應(yīng)不超過(guò)一個(gè)規(guī)定值，一般以％表示，如５％或８％。
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????? ３．輸出電壓的波形失真度
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????? 當(dāng)逆變器輸出電壓為正弦度時(shí)，應(yīng)規(guī)定允許的最大波形失真度（或諧波含量）。通常以輸出電壓的總波形失真度表示，其值不應(yīng)超過(guò)５％（單相輸出允許１０％）。
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????? ４．額定輸出頻率
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????? 逆變器輸出交流電壓的頻率應(yīng)是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，通常為工頻５０Ｈｚ。正常工作條件下其偏差應(yīng)在±１％以?xún)?nèi)。
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????? ５．負(fù)載功率因數(shù)
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????? 表征逆變器帶感性負(fù)載或容性負(fù)載的能力。在正弦波條件下，負(fù)載功率因數(shù)為０．７～０．９（滯后），額定值為０．９。
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????? ６．額定輸出電流（或額定輸出容量）
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????? 表示在規(guī)定的負(fù)載功率因數(shù)范圍內(nèi)逆變器的額定輸出電流。有些逆變器產(chǎn)品給出的是額定輸出容量，其單位以ＶＡ或ｋＶＡ表示。逆變器的額定容量是當(dāng)輸出功率因數(shù)為１（即純阻性負(fù)載）時(shí)，額定輸出電壓為額定輸出電流的乘積。
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????? ７．額定輸出效率
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????? 逆變器的效率是在規(guī)定的工作條件下，其輸出功率對(duì)輸入功率之比，以％表示。逆變器在額定輸出容量下的效率為滿(mǎn)負(fù)荷效率，在１０％額定輸出容量的效率為低負(fù)荷效率。
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????? ８．保護(hù)
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????? （１）過(guò)電壓保護(hù)：對(duì)于沒(méi)電壓穩(wěn)定措施的逆變器，應(yīng)有輸出過(guò)電壓防護(hù)措施，以使負(fù)截免受輸出過(guò)電壓的損害。
????? （２）過(guò)電流保護(hù)：逆變器的過(guò)電流保護(hù)，應(yīng)能保證在負(fù)載發(fā)生短路或電流超過(guò)允許值時(shí)及時(shí)動(dòng)作，使其免受浪涌電流的損傷。
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????? ９．起動(dòng)特性
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????? 表征逆變器帶負(fù)載起動(dòng)的能力和動(dòng)態(tài)工作時(shí)的性能。逆變器應(yīng)保證在額定負(fù)載下可靠起動(dòng)。
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????? １０．噪聲
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????? 電力電子設(shè)備中的變壓器、濾波電感、電磁開(kāi)關(guān)及風(fēng)扇等部件均會(huì)產(chǎn)生噪聲。逆變器正常運(yùn)行時(shí)，其噪聲應(yīng)不超過(guò)８０ｄＢ，小型逆變器的噪聲應(yīng)不超過(guò)６５ｄＢ。
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????? 逆變器的主要技術(shù)性能及評(píng)價(jià)選用
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????? 評(píng)價(jià)
????? 為正確選用光伏發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器，應(yīng)對(duì)逆變器的技術(shù)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)逆變器對(duì)離網(wǎng)型主要光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響和光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器性能的要求，評(píng)價(jià)內(nèi)容有如下幾項(xiàng)：
????? １．額定輸出容量
????? 表征逆變器向負(fù)載供電的能力。額定輸出容量值高的逆變器可帶更多的用電負(fù)載。但當(dāng)逆變器的負(fù)載不是純阻性時(shí)，也就是輸出功率小于１時(shí)，逆變器的負(fù)載能力將小于所給出的額定輸出容量值。
????? ２．輸出電壓穩(wěn)定度
????? 表征逆變器輸出電壓的穩(wěn)壓能力。多數(shù)逆變器產(chǎn)品給出的是輸入直流電壓在允許波動(dòng)范圍內(nèi)該逆變器輸出電壓的偏差％，通常稱(chēng)為電壓調(diào)整率。高性能的逆變器應(yīng)同時(shí)給出當(dāng)負(fù)載由０％→１００％變化時(shí)，該逆變器輸出電壓的偏差％，通常稱(chēng)為負(fù)載調(diào)整率。性能良好的逆變器的電壓調(diào)整率應(yīng)≤±３％，負(fù)載調(diào)整率應(yīng)≤±６％。
????? ３．整機(jī)效率
????? 表征逆變器自身功率損耗的大小，通常以％表示。容量較大的逆變器還應(yīng)給出滿(mǎn)負(fù)荷效率值和低負(fù)荷效率值。ｋＷ級(jí)以下逆變器的效率應(yīng)為８０％～８５％，１０ｋＷ級(jí)逆變器的效率應(yīng)為８５％～９０％。逆變器效率的高低對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)提高有效發(fā)電量和降低發(fā)電成本有重要影響。
????? ４．保護(hù)功能
????? 過(guò)電壓、過(guò)電流及短路保護(hù)是保證逆變器安全運(yùn)行的最基本措施。功能完美的正弦波逆變器還具有欠電壓保護(hù)、缺相保護(hù)及溫度越限報(bào)警等功能。
????? ５．起動(dòng)性能
????? 逆變器應(yīng)保證在額定負(fù)載下可靠起動(dòng)。高性能的逆變器可做到連續(xù)多次滿(mǎn)負(fù)荷起動(dòng)而不損壞功率器件。小型逆變器為了自身安全，有時(shí)采用軟起動(dòng)或限流起動(dòng)。
????? 對(duì)于大功率光伏發(fā)電系統(tǒng)和聯(lián)網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的波形失真度和噪聲水平等技術(shù)性能也十分重要。
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????? 在選用離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器時(shí)，除依據(jù)上述５項(xiàng)基本評(píng)價(jià)內(nèi)容外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
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????? （１）應(yīng)具有足夠的額定輸出容量和負(fù)載能力。逆變器的選用，首先要考慮具有足夠的額定容量，以滿(mǎn)足最大負(fù)荷下設(shè)備對(duì)電功率的要求。對(duì)于以單一設(shè)備為負(fù)載的逆變器，其額定容量的選取較為簡(jiǎn)單，當(dāng)用電設(shè)備為純阻性負(fù)載或功率因數(shù)大于０．９時(shí)，選取逆變器的額定容量為電設(shè)備容量的１．１～１．１５倍即可。在逆變器以多個(gè)設(shè)備為負(fù)載時(shí)，逆變器容量的選取要考慮幾個(gè)用電設(shè)備同時(shí)工作的可能性，即“負(fù)載同時(shí)系數(shù)”。
????? （２）應(yīng)具有較高的電壓穩(wěn)定性能。在離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中均以蓄電池為儲(chǔ)能設(shè)備。當(dāng)標(biāo)稱(chēng)電壓為１２Ｖ的蓄電池處于浮充電狀態(tài)時(shí)，端電壓可達(dá)１３．５Ｖ，短時(shí)間過(guò)充電狀態(tài)可達(dá)１５Ｖ。蓄電池帶負(fù)荷放電終了時(shí)端電壓可降至１０．５Ｖ或更低。蓄電池端電壓的起伏可達(dá)標(biāo)稱(chēng)電壓的３０％左右。這就要求逆變器具有較好的調(diào)壓性能，才能保證光伏發(fā)電系統(tǒng)以穩(wěn)定的交流電壓供電。
????? （３）在各種負(fù)載下具有高效率或較高效率。整機(jī)效率高是光伏發(fā)電用逆變器區(qū)別于通用型逆變器的一個(gè)顯著特點(diǎn)。１０ｋＷ級(jí)的通用型逆變器實(shí)際效率只有７０％～８０％，將其用于光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)將帶來(lái)總發(fā)電量２０％～３０％的電能損耗。因此光伏發(fā)電系統(tǒng)專(zhuān)用逆變器在設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意減少自身功率損耗，提高整機(jī)效率。因此這是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的一項(xiàng)重要措施。在整機(jī)效率方面對(duì)光伏發(fā)電專(zhuān)用逆變器的要求是：ｋＷ級(jí)以下逆變器額定負(fù)荷效率 ≥８０％～８５％，低負(fù)荷效率≥６５％～７５％；１０ｋＷ級(jí)逆變器額定負(fù)荷效率≥８５％～９０％，低負(fù)荷效率≥７０％～８０％。
????? （４）應(yīng)具有良好的過(guò)電流保護(hù)與短路保護(hù)功能。光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)程中，因負(fù)載故障、人員誤操作及外界干擾等原因而引起的供電系統(tǒng)過(guò)電流或短路，是完全可能的。逆變器對(duì)外電路的過(guò)電電流及短路現(xiàn)象最為敏感，是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。因此，在選用逆變器時(shí)，必須要求具備有良好的對(duì)過(guò)電流及短路的自我保護(hù)功能。
????? （５）維護(hù)方便。高質(zhì)量的逆變器在運(yùn)行若干年后，因元器件失效而出現(xiàn)故障，應(yīng)屬于正?，F(xiàn)象。除生產(chǎn)廠家需有良好的售后服務(wù)系統(tǒng)外，還要求生產(chǎn)廠家在逆變器生產(chǎn)工藝、結(jié)構(gòu)及元器件選型方面具有良好的可維護(hù)性。例如，損壞元器件有充足的備件或容易買(mǎi)到，元器件的互換性好；在工藝結(jié)構(gòu)上，元器件容易拆裝，更換方便。這樣，即使逆變器出現(xiàn)故障，也可迅速恢復(fù)正常。
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????? 光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的操作使用與維護(hù)檢修
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????? 操作使用
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????? １．嚴(yán)格按照逆變器使用維護(hù)說(shuō)明書(shū)的要求進(jìn)行設(shè)備的連接和安裝。在安裝時(shí)，應(yīng)認(rèn)真檢查：線徑是否符合要求；各部件及端子在運(yùn)輸中有否松動(dòng)；應(yīng)絕緣處是否絕緣良好；系統(tǒng)的接地是否符合規(guī)定。
????? ２．應(yīng)嚴(yán)格按照逆變器使用維護(hù)說(shuō)明書(shū)的規(guī)定操作使用。尤其是：在開(kāi)機(jī)前要注意輸入電壓是否正常；在操作時(shí)要注意開(kāi)關(guān)機(jī)的順序是否正確，各表頭和指示燈的指示是否正常。
????? ３．逆變器一般均有斷路、過(guò)電流、過(guò)電壓、過(guò)熱等項(xiàng)目的自動(dòng)保護(hù)，因此在發(fā)生這些現(xiàn)象時(shí)，無(wú)需人工停機(jī)；自動(dòng)保護(hù)的保護(hù)點(diǎn)，一般在出廠時(shí)已設(shè)定好，無(wú)需再行調(diào)整。
????? ４．逆變器機(jī)柜內(nèi)有高壓，操作人員一般不得打開(kāi)柜門(mén)，柜門(mén)平時(shí)應(yīng)鎖死。
????? ５．在室溫超過(guò)３０℃時(shí)，應(yīng)采取散熱降溫措施，以防止設(shè)備發(fā)生故障，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。
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????? 維護(hù)檢修
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????? １．應(yīng)定期檢查逆變器各部分的接線是否牢固，有無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象，尤其應(yīng)認(rèn)真檢查風(fēng)扇、功率模塊、輸入端子、輸出端子以及接地等。
????? ２．一旦報(bào)警停機(jī)，不準(zhǔn)馬上開(kāi)機(jī)，應(yīng)查明原因并修復(fù)后再行開(kāi)機(jī)，檢查應(yīng)嚴(yán)格按逆變器維護(hù)手冊(cè)的規(guī)定步驟進(jìn)行。
????? ３．操作人員必須經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)，能夠判斷一般故障的產(chǎn)生原因，并能進(jìn)行排除，例如能熟練地更換保險(xiǎn)絲、組件以及損壞的電路板等。未經(jīng)培訓(xùn)的人員，不得上崗操作使用設(shè)備。
????? ４．如發(fā)生不易排除的事故或事故的原因不清，應(yīng)做好事故詳細(xì)記錄，并及時(shí)通知生產(chǎn)工廠給予解決。