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变频器知识日常维护与常见故障处理方法
变频器基础知识、
日常维护与常见故障处理方法
2009年11月
目录
1.1异步电动机变频调速系统……………………………………………………1
1.1.1交流异步电动机变频调速基本原理…………………………………1
1.1.2变频与变压的实现---SPWM调制波…………………………………4
1.2变频调速的控制方式…………………………………………………………8
1.2.1保持V/f比恒定………………………………………………………8
1.2.2保持输出转矩为常数（恒转矩调速）…………………………………8
1.2.3保持输出功率转矩为常数（恒功率调速）……………………………8
1.2.4矢量控制………………………………………………………………9
1.3变频器常见故障，故障原因及处理方法……………………………………9
1.3.1过电流保护（OC）……………………………………………………9
1.3.2过电压保护（OV）……………………………………………………10
1.3.3过载保护（OLT）……………………………………………………10
1.3.4散热片过热（OH）……………………………………………………10
1.3.5电子热量（ETH）……………………………………………………11
1.3.6低电压保护（LO）……………………………………………………11
1.3.7输出缺相（OPO）……………………………………………………11
1.4变频器的参数设定…………………………………………………………12
1.5变频器的日常维护…………………………………………………………12
1.6变频器维修要点及无显示维修实例………………………………………14
1.7变频调速系统常见故障与处理方法………………………………………15
1.8变频器实物剖析………………………………………………………………16
附录：
1，SAMCO-VR05变频器说明书（电子文档，PDF文件）
2，台达变频器参数一览表（电子文档，PDF文件）
3，台达变频器技术资料（电子文档，各种文件）
1.1.1交流异步电动机变频调速基本原理
交流异步电动机的转速可由式（1-1）表示：
（1-s）（1-1）
式中：
n—电动机的转速（r/min）;
f—电源频率（Hz）;
p—电动机磁极对数；
s—电动机转差率。
由式（11-1）可见，影响电动机转速的因素有：
电动机磁极对数p,转差率s和电源频率f。
其中，若能连续地改变异步电动机的电源频率f,就可以平滑地改变电动机的同步转速和相应的电动机转速，从而实现交流异步电动机的无级调速，这就是变频调速的基本原理。
（2）变频与变压
在异步电动机调速时，一个重要因素是希望保持每极磁通Φ不变。
因为，任何电动机中，电磁转矩的大小都与转子电流和磁通的乘积成正比，电动机允许电流的大小要受到发热的限制，是不能增大的，如果磁通减小，必将使电磁转矩减小，电动机的带负载能力也就减小，所以，磁通不能减小；另外，磁通增大，将使电动机的磁路饱和，励磁电流急剧增加，导致绕组过分发热，功率因数降低。
根据电动机学理论，三相异步电动机的定子绕组的感应电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果，其有效值计算如下：
E=KfΦ（1-2）
式中：
K—与电动机结构有关的常数；
Φ—磁通。
由式（11-2）可见，保持Φ不变的准确方法就是使反电动势E与频率f同步升、降。
即满足
Φ=常数（1-3）
由于E的大小无法从外部加以控制，所以，根据电源电压与反电动势相平衡（U≈Ef）的特点，作为一种变通手段，保持主磁通φ不变的方法是：
使电压U与频率f同步下降来近似地代替反电动势E与频率f的同步下降，则得
Φ=常数（1-4）
所以，变频的同时也必须变压。
这就是VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）。
（3）变频后的机械特性及其补偿
1）变频后的机械特性
满足U/f=常数时，变频后电动机的机械特性如同11.1所示。
图1.1调速后的机械特性
从图1.1中可以看到，当电动机向低于额定转速方向调速时，如同（a）所示，曲线近似平行地下降。
这说明，减速后的电动机仍然保持原来较硬的机械特性，但是电动机的临界转矩却随着电动机转速的下降而逐渐减小，这就造成电动机带负载能力的下降。
这样的机械特性难以和直流调速系统相比。
低频时临界转矩减小的原因是：
从根本上说，这是用U/f=常数近似代替E/f=常数的结果。
从能量传递的角度看，因为f下降引起U成正比下降，输入功率P1也成正比下降。
但I1等于额定电流不变，所以I2R1（铜损）也不变；定子侧铁损变化不大，故损耗功率几乎不变。
于是，传递到转子的电磁功率Pm的下降比率大于输入功率P1的下降比率，临界转矩Tc也随之减小。
从电动势平衡的角度看，f下降引起U成正比率下降，因为I1不变，所以阻抗压降ΔU基本不变，而反电动势E所占比例则逐渐减小。
从而，当U/f=常数时，比值E/f实际上是随f的下降而减小的，主磁通Φ也随之减小。
所以，电动机的临界转矩Tc也随之减小。
当电动机向高于额定转速方向调速时，如同图1.1（b）所示，不仅临界转矩曲线下降，而且其工作段的斜率开始增大，使机械特性变软。
造成这种现象的原因是：
当频率f升高时，电源电压不能相应地升高。
这是因为电动的绝缘强度限制了电源电压不能超过电动机的额定电压，所以磁通Φ将随着频率f的升高反比例下降，而磁通的下降使电动机的转矩下降,造成电动机的机械特性变软。
2）V/F转矩补偿法
变频后机械特性的下降使电动机带负载能力减弱，影响交流电动机变频调速的使用。
一种简单的解决方法是采用V/F转矩补偿法。
V/F转矩补偿法的原理是：
当频率下降时，适当提高U/f的比值，以补偿∆U所占比例增大的影响，从而保持磁通Φ恒定，使电动机转矩回升。
这种方法称为转矩补偿法，也叫转矩提升法，这种调整临界转矩的方法称V/F转矩补偿法。
注意，V/F转矩补偿法只能补偿向低于额定转速方向调速时的机械特性，而对高于额定转速方向调速时的机械特性不能补偿。
通常，变频器提供多种比值不同的V/F线，供用户根据不同机械的具体情况进行选择，如图1.2所示。
图1.2通用变频器提供的V/F线图
（1）变频调速系统中变频器的类型
变频调速实质上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电流，能实现这一功能的装置称为变频器。
变频调速系统中的变频器一般可分为交-交变频器与交-直-交变频器两种。
交-交变频器又称直接变频器或周波变换器，它直接将电网的交流变成电压和频率都可调的交流电输出。
交-直-交的变频器又称间接变频器，它是将交流电先经可控整流器变成幅值可变的直流电压（整流），然后再将此直流电压经逆变器变成频率可调的交流输出（逆变）。
变频器由两部分组成：
主电路和控制电路。
其中主电路通常采用交-直=交方式，包括整流器和逆变器；控制电路是向主电路提供多种控制信号的回路，包括决定V/F特性的频率电压运算回路、主回路的电压/电流检测回路、电动机的转速检测回路、根据运算回路的结果生成相应脉冲并进行隔离和放大的PWM生成及驱动回路、变频器和电动机的保护回路。
1.1.2变频与变压的实现---SPWM调制波
要实现VVVF，可以考虑的方法有PAM脉幅调制）和PWM脉宽调制）。
PAM控制的原理是在频率下降的同时，使直流电压也随之下降。
实施PAM要同时控制整流和逆变两部分，两部分之间的协调比较困难，故线路比较复杂。
PWM控制是通过调节脉冲宽度和各脉冲间的“占空比”来调节平均电压。
PWM的优点是不必控制直流侧，因而大大简化了电路。
但是，电流的谐波分量将是很大的。
如果脉冲宽度和占空比的大小按正弦规律分布的话，便是正弦脉宽调制（SPWM），如图1.3所示。
这样的波称为正弦脉宽调制波。
SPWM的显著优点是：
由于电动机的绕组具有电感性，因此，尽管电压是由一系列脉冲构成的。
但通入电动机的电流却十分逼近于正弦波，谐波成分大为减小，可以得到基本满意的驱动效果。
图1.3SPWM波形
图1.4SPWM波形
（1）SPWM的产生原理
产生SPWM波的原理是：
用一组等腰三角形波与一个正弦波进行比较，如图1.4所示，其相交的时刻（即交点）作为开关管“开”或“关”的时刻。
图1.4SPWM波生成方法
将这组三角形波称为载波；而正弦波则称为调制波。
调制波的频率和幅值是可控制的。
如图1.4所示，改变调制波的频率，就可以改变输出电源的频率，从而改变电动机的转速；改变调制波的幅值，也就改变调制波与载波的交点，是输出脉冲系统的宽度发生变化，从而改变了输出电压。
对三相逆变开关管生成SPWM波的控制可以有两种方式，一种是单极性控制，另一种是双极性控制。
采用单极性控制时，每半个周期内，逆变桥的同一桥臂的上、下两只逆变开关管中，只有一只逆变开关管按图1.4的规律反复通/断，而另一只逆变开关管始终关断；在另外半个周期内，两只逆变开关管的工作状态正好相反。
图1.4为单极性PWM控制方式（单相桥逆变）波形，在Ur和Uc的交点时刻控制IGBT的通/断。
采用双极性控制时，每全部周期内，逆变桥同一桥臂的上、下两只逆变开关管交替开通与关断，形成互补的工作方式。
图1.5为SPWM变频器电路原理图，其逆变器为三相桥式PWM逆变电路。
图1.6为三相桥式PWM逆变电路输出双极性波形。
图1.5中，1V-6V是6个功率开关器件（GTO、GTR、MOSFET或IGBT0）。
此处以IGBT为例，1VD-6VD为用于处理无功功率反馈的二极管。
其功能是：
为电动机绕组的无功电流返回直流通路时提供通路；在降速过程中，为电动机的再生电能反馈至直流电路提供通路；为电路的寄生电感在逆变过程中释放能量提供通路。
C为滤波电容。
整个逆变器由三相整流器提供的恒值直流电压UD供电。
一组三相对称的正弦参考电压信号urU、urV、urW通过调制电路产生三相SPWM脉冲序列波，uUN、uVN、uWN，如图1.6所示。
它们分别是各桥臂按对应的调制波与载波交点所决定的时间，进行“开”与“关”所产生的输出波形。
其波值正、负交替，这就是所谓双极性，其中上臂开关管产生正脉冲，下臂开关管产生负脉冲。
它们的最大幅值是±UD/2。
同样三相相电压波形的相位也互差120o。
图1.5SPWM变频器电路原理图
图1.6三相桥式PWM逆变电路输出双极性波形。
（2）SPWM波的调制方式
在SPWM逆变器中，载波电压频率ft与参考波电压频率（及逆变器的输出频率）fR之比N=ft/fR称为载波比，也称调制比。
根据载波比的变化与否，SPWM调制方式可分为同步调制方式、异步调制方式和分段同步调制方式。
1）同步调制方式
载波比N=常数时称为同步调制方式。
同步调制方式在逆变器输出电压每个周期内所采用的载波电压数目是固定的，因而所产生的SPWM脉冲数是一定的。
其优点是在逆变器输出频率变化的整个范围内，皆可保持输出波形的正、负半波完全对称，只有奇次谐波存在。
而且能严格保证逆变器输出三相波形之间具有120o的相位移的对称关系。
缺点是：
当逆变器输出频率很低时，每个周期内的SPWM脉冲数很少，低频谐波分量较大，使负载电动机产生转矩脉动和噪声。
2）异步调制方式
为消除上述同步调制方式的缺点，可以采用异步调制方式，即在逆变器的整个变频范围内，载波比N不是一个常数。
一般在改变参考频率fr时，保持三角波载波频率ft不变，因而提高了低频时的载波比，这样逆变器输出电压在每个周期内SPWM脉冲数可随输出频率的降低而增加，相应地可减少负载电动机的转矩脉冲与噪声，改善了调速系统的低频工作特性。
但异步调制方式在改善低频工作性能的同时，又失去了同步调制的优点。
当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3的倍数，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电动机工作不平稳。
3）分段同步调制方式
实际应用中，多采用分段调制方式，它集中同步和异步调制方式之所长，而克服了两者的不足。
在一定频率范围内采用同步调制，以保持输出波形对称的优点，而在低频运行时，使载波比有级地增大，以采纳异步调制的长处，这就是分段同步调制方式。
具体地说，把整个变频范围内划分为若干频段，在每个频段内都维持N恒定，而对不同的频段取不同的N值，频率低时，N值取大些。
采用分段的同步调制方式，需要增加调制脉冲切换电路，从而增加了控制电路的复杂性。
1.2变频调速的控制方式
1.2.1保持V/f比恒定
保持V/f比恒定控制室异步电动机变频调速的最基本控制方式。
它在控制电动机电源频率的同时控制变频器的输出电压，并使二者之比V/f保持恒定，从而使电动机的磁通基本保持恒定。
当电动机的电源频率变化时，若电动机电压不随着改变，那么电动机的磁通将会出现饱和或欠励磁。
磁通出现饱和后会造成电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铜损耗和铁损耗；当电动机出现欠励磁时，将会影响电动机的输出转矩。
V/f比恒定控制常用在通用变频器上。
这类变频器主要用于风机、水泵的调速节能，以及对调速范围要求不高的场合。
V/f比恒定控制的突出优点是可以进行电动机的开环速度控制。
V/f比恒定控制存在的主要问题是低速性能较差。
其原因是低速时异步电动机定子电阻压降所占比重增大，已不能忽略，不能认为定子电压和感应电动势近似相等。
仍按V/f比恒定控制以不能保持电动机磁通恒定。
电动机磁通的减小，势必造成电动机的电磁转矩的减小。
对磁通进行闭环控制是改善V/f比恒定控制性能十分有效的方法。
采用磁通控制后电动机的电流波形得到了明显的改善。
1.2.2保持输出转矩为常数（恒转矩调速）
所谓恒转矩调速有两种含义：
（1）负载具有恒转矩特性。
例如起重机械之类的位能性夫在需要电动机提供与速度基本无关的恒定转矩—转速特性，即在不同转速时负载转矩不变。
对于恒转矩负载进行调速时，即使电动机的转速下降或上升，电动机仍可输出恒定转矩。
像这种转矩不随转速变化的调速方式称之为恒转矩调速。
（2）电动机在速度变化的动态过程中，具有输出恒定转矩的能力。
在电动机加速或减速的过程中，为了缩短过渡过程的时间，在电动机机械强度和电动机温升等条件容许范围内使电动机产生足够大的加速或制动转距。
即使电动机保持输出恒定的最大转矩。
1.2.3保持输出功率转矩为常数（恒功率调速）
与恒转矩调速相类似，恒功率调速亦包含两种含义：
（1）负载具有恒功率的转矩-转速特性。
恒功率的转矩-转速特性质的是负载在速度变化时，需要电动机提供的功率恒定，下述类型的负载需要电动机具有此特性：
1）对同一台轧钢机，在轧制小件时用高速轧制，轧制大件时用低速轧制。
因低速时轧制量大，故需较大转矩。
2）当车床以同一圆周速度加工不同直径的工件时，假定切刀的切削力相等，则工件直径小的时候转速高、转矩小，工件直径大的时候转速低、转矩大；
3）当卷绕机用同样的张力卷绕同一速度出来的板材或线材时，因开始卷绕的圆筒直径小，因此用较小的转矩即可，但转速较高。
随着不断的卷绕，卷筒直径变粗，转矩随之变大，转速相应变低。
4）运输机械在运输重物时速度慢，轻载时速度快。
无论是高速和低速，所需动力不变。
对上述负载进行调速时，随着速度的变化电动机应能满足负载的变转矩要求。
（2）电动机具有输出恒功率能力。
当电动机随着频率的增加而升高时，若电动机的电压已经达到电动机的额定电压，继续增加电压有可能破坏电动机的绝缘。
为此，在电动机达到额定电压后，即使频率增加仍维持电动机电压不变。
这样电动机的输出功率有电动机的额定电压和额定电流的乘积所决定，不随频率的变化而变化。
即具有恒定功率特性。
使用恒转矩调速的电机驱动变转矩负载，例如使用风机、水泵时，速度变化到低速时电动机的输出转矩仍有剩余，因此恒转矩调速电动机可以满足调速要求。
但是恒转矩调速的电动机驱动恒功率负载时，低速转矩可能不能满足负载要求。
异步电动机变压变频调速时，通常在基频以下采用恒转矩调速，基频以上采用恒功率调速。
1.2.4矢量控制
矢量控制是高性能异步电动机的控制方式。
它基于电动机的动态数学模型分别控制电动机的转矩电流和激励电流，具有与直流电动机类似的控制功能。
矢量控制与标量控制的主要区别是，前者不仅控制电流的大小，而且控制电流的相位。
而标量控制只控制电流的大小。
1.3变频器常见故障，故障原因及处理方法
1.3.1过电流保护（OC）：
a.故障说明：
当变频器的输出电流大于变频器的额定电流的200%时，变频器关断它的输出。
b、故障原因：
1）加速减速时间太短
2）负载大于变频器额定
3）当电机自由运行时，变频器有输出
4）输出短路或者接地故障
5）电机机械制动运行太快
6）由于冷却扇故障，
C、处理方法：
1）增加加速/减速时间
2）增加变频器容量
3）在电机停止后启动
4）检查输出配线
5）检查机械制动
6）检查冷却扇
注意：
校正错误后再运行变频器，否则会损坏IGBT
1.3.2过电压保护（OV）
A、故障说明：
如果主电路的DC电压高于额定值或者当电机减速或者由于再生负载引起的再生能量回流到变频器时，变频器关断他的输出。
这个故障也可以因为在电源供应系统中产生浪涌电压而出现。
B、故障原因
1）对负载来说减速时间比较短
2）输出侧有再生负载
3）输入电压太高
C、处理方法
1）增加减速时间
2）加制动电阻
3）检查输入电压
1.3.3过载保护（OLT）
A、故障说明：
当变频器的输出电流达到变频器的额定电流的180%超过电流限制时间（S/W）时，变频器关断他的输出。
B、故障原因
1）负载比变频器额定负载大
2）选择了不正确的变频器容量
3）设定了不正确的V/F方式
C、处理方法
1）增加电机和变频器的容量
2）选择正确的变频器容量
3）选择正确的V/F方式
1.3.4散热片过热（OH）
A、故障说明：
由于风扇损坏或者通过检测散热片的温度检查到有外物进入到冷却风扇引起散热片过热时，变频器关断他的输出。
B、故障原因
1）冷却扇损坏或者外物进入
2）冷却系统故障
3）周围环境温度过高
C、处理方法
1）更换冷却扇或者消除异物
2）检查散热片中其他异物
3）保持环境温度在40度以下
1.3.5电子热量（ETH）
A、故障说明：
如果电机超载，变频器的内部电子热量决定了电机过热。
此时，变频器关断他的输出。
当驱动的是多极电机或者是多个电机时，变频器不能保护电机。
因此，为每个电机考虑安装热继电器或者其他热保护设备。
超载容量：
150%（1分钟）
B、故障原因
1）电机过热
2）负载大于变频器的额定值
3）ETH等级过低
4）选择了不正确的变频器容量
5）设定了不正确的V/F方式
6）在低速的情况下运行过长
C、处理方法
1）减小负载或者运行任务
2）增加变频器容量
3）调整ETH等级至合适的等级
4）选择正确的变频器容量
5）设定正确的V/F方式
6）安装一个单独的冷却扇
1.3.6低电压保护（LO）
A、故障说明：
当变频器的输入电压下降时，因为出现扭矩不够或者电机过热，DC电压低于可以检测到的等级时，变频器关断他的输出。
B、故障原因：
1）线电压过低
2）连接至线的负载超过了线容量。
（焊接机，连接至民用线的具有启动大电流的电机）
3）变频器的输入端磁性开关损坏。
C、处理方法
1）检查线电压
2）增加线容量
3）更换磁性开关
1.3.7输出缺相（OPO）
A、故障说明：
当一个或者多个输出（U，V，W）缺相时，变频器关断输出。
变频器通过检测输出电流检测输出缺相状态。
B、故障原因：
1）在输出的磁性开关故障
2）错误的输出配线
C、处理方法：
:
1）在变频器的输出端检查电磁开关
2）检查输出配线
1.4变频器的参数设定
变频器的参数设定因变频器生产的厂家和变频器的型号而异。
下面以台达变频器为例加以简要说明。
台达变频器依参数的属性可分为12个参数群。
00：
用户参数
01：
基本参数
02：
操作方式参数
03：
输出功能参数
04：
输入功能参数
05：
多段速以及自动程序运转参数
06：
保护参数
07：
电机参数
08：
特殊参数
09：
通讯参数
10：
回受控制参数
11：
风机、水泵控制参数
在设定参数时，首先要认真阅读厂家的说明书，搞清每一项内容的设定要点，在没有掌握设定要点时不可盲目更改设定参数。
否则，可能会带来一项不到的后果。
设定参数可参考光盘中台达变频器的光盘文件。
1.5变频器的日常维护
表1-1变频器日常维护表
检查地点
监察项目
监察
周期
监察方法
标准
测量仪表
每天
1年
2年
全部
周围环境
有灰尘否？
环境温度和湿度足够否？
0
参考注意事项
温度：
-10~+40没有风
湿度：
50%以下没有露珠
温度计
湿度计
记录仪
设备
有异常振动或者噪声否？
0
看，听
无异常
输入电压
主电路输入电压正常否
0
测量在端子R，S，T之间的电压
数字万用表/测试仪
主电路
全部
高阻表检查（主电路和地之间）
有固定部件活动？
每个部件有过热的迹象
清洁
0
0
0
0
松开变频器，将端子R,S,T,U,V,W短路，在这些端子和地之间测量
紧固螺钉
肉眼检查
超过5MΩ
没有故障
DC500V
类型高阻表
导体配线
导体生锈？
配线外皮损坏
0
0
肉眼检查
没有故障
端子
有损坏？
0
肉眼检查
没有故障
IGBT模块/二极管
检查端子间阻抗
0
松开变频器的连接和测试仪测量R,S,T<->P,N何U,V,W<->P,N之间的电阻。
（参考下页）
数字万用表/模拟测量仪
滑动电阻器
是否有液体渗出
安全针是否突出？
有没有测量电容的膨胀
0
0
0
没有故障
超过额定容量的85%
电容测量设备
继电器
在运行时有没有抖动噪声？
触点有无损坏
0
0
没有故障
电阻
电阻的绝缘有无损坏
在电阻其中的配线有无损坏（开路）
0
0
没有故障
误差必须在显示电阻值的+_10%以内
数字万用表/模拟测试仪
控制电路
保护电路
运行检查
在输出电压的每相是否不平衡
在执行了顺序保护运行后在显示电路不能有错误
0
0
测量输出端子U,V,W之间的电压
短路和打开变频器保护电路输出
对于200V（800V）类型来说，每相电压差不能超过4V（8V）
根据次序，故障电路起作用
数字万用表/校正伏特计
冷却系统
冷却扇
是否有异常振动或噪声
是否连接区域松动
0
0
关断电源后用手旋转风扇
紧固连接
必须平滑旋转
没有故障
显示
表
显示的值正确否？
0
0
检查在面板外部的测量仪的读数
检查指定和管理值
伏特计/电表等
电机
全部
是否有异常振动或噪声
是否有异常气味？
0
0
听，
升级会员 