变频器原理使用维护故障.docx

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变频器原理使用维护故障

变频器原理、使用、维护、故障、预防

  近年来，随着微电子技术及IGBT功率期间的迅速发展，作为交流电机主要调速方式的变频调速技术也获得了前所未有的发展。

尤其是矢量控制变频器，以其优异的控制性能在调速领域独树一帜，在港口机械、冶金、造纸、电梯等多个领域得到迅速推广。

日本，欧美等变频技术发达国家，均承认以进入AC（交流）时代。

我国港口机械设备中的场桥（RTG）、门座式起重机、装卸桥（C/C）也广泛使用了变频调速器，从37kW到440kW均有应用实例。

随着使用数量的不断增加，也遇到了故障维修问题。

我公司对4台门机的变幅及旋转机构进行了变频调速改造，经过一年多的实际运行，下面就变频器的常见故障及预防措施进行分析及探讨。

      一、变频器的主要故障原因及预防措施

      由于使用方法不正确或设置环境不合理，将容易造成变频器误动作及发生故障，或者无法满足预期的运行效果，为防患于未然，事先对故障原因进行认真分析显得尤为重要。

图1所示为变频器硬件回路框图。

图1变频器硬件回路框图

   1.外部的电磁感应干扰

      如果变频器周围存在干扰源，它们将通过辐射或电源线侵入变频器的内部，引起控制回路误动作，造成工作不正常或停机，严重时甚至损坏变频器。

提高变频器自身的抗干扰能力固然重要，但由于受装置成本限制，在外部采取噪声抑制措施，消除干扰源显得更合理，更必要。

以下几项措施是对噪声干扰实行“三不”原则的具体方法。

∙变频器周围所有继电器、接触器的控制线圈上需加装防止冲击电压的吸收装置，如RC吸收器。

∙尽量缩短控制回路的配线距离，并使其与主线路分离。

∙指定采用屏蔽线的回路，必须按规定进行，若线路较长，应采用合理的中继方式。

∙变频器接地端子应按规定进行，不能同电焊，动力接地混用。

∙变频器输入端安装噪声滤波器，避免由电源进线引入干扰。

   以上即为不输出干扰、不传送干扰、不接受干扰的“三不”原则。

      2.安装环境

      变频器属于电子器件装置，在其规格书中有详细安装使用环境的要求。

在特殊情况下，若确实无法满足这些要求，必须尽量采用相应抑制措施。

∙振动；是对电子器件造成机械损伤的主要原因。

对于振动冲击较大的场合，应采用橡胶等避振措施。

∙潮湿、腐蚀性气体及尘埃等；将造成电子器件生锈、接触不良、绝缘降低而形成短路。

作为防范措施，应对控制板进行防腐防尘处理，并尽量采用封闭式结构。

∙温度；是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素，特别是半导体器件，若结温超过规定值将立刻造成器件损坏，因此应根据装置要求的环境条件安装空调或避免日光直射。

   除上述3点外，定期检查变频器的空气滤请器及冷却风扇也是非常必要的。

       对于特殊的高寒场合，为防止微处理器因温度过低而不能正常工作，应采取设置空间加热器等必要措施。

      3.电源异常

      电源异常表现为各种形式，但大致分以下三种，即：

缺相、低电压、停电。

有时也出现它们的混合形式。

这些异常现象的主要原因多半是输电线路因风、雪、雷击造成的，有时也因为同一供电系统内出现对地短路及相间短路。

而雷击因地域和季节有很大差异。

除电压波动外，有些电网或自行发电单位，也会出现频率波动，并且这些现象有时在短时间内重复出现，为保证设备的正常运行，对变频器供电电源也提出相应要求。

∙如果附近有直接起动电动机和电磁炉等设备，为防止这些设备投入时造成的电压降低，应是变频器供电系统分离，减小相互影响。

∙对于要求瞬时停电后仍能继续运行的场合，除选择合适规格的变频器外，还应预先考虑负载电机的降速比例。

变频器和外部控制回路采用瞬停补偿方式，当电压回复后，通过速度追踪和测速电机的检测来防止在加速中的过电流。

∙对于要求必须一直运行的设备，要对变频器加装自动切换的不停电电源装置。

   二极管输入及使用单相控制电源的变频器，虽然在缺相状态也能继续工作，但整流器中个别器件电流过大及电容器的脉冲电流过大，若长期运行将对变频器的寿命及可靠性造成不良影响，应及早检查处理。

      4.雷击、感应雷电

      雷击或感应雷击形成的冲击电压有时也能造成变频器的损坏。

此外，当电源系统一次侧带有真空断路器时，断路器的开，闭也能产生较高的冲击电压。

如图2所示。

图2电源电压冲击示意图

   变压器一次侧真空断路器断开时，通过耦合在二次侧形成很高的电压冲击尖峰。

∙为防止因冲击电压造成过电压损坏，通常需要在变频器的输入端加压敏电阻等吸收器件，保证输入电压不高于变频器主回路期间所允许的最大电压。

如图3所示。

∙当使用真空断路器时，应尽量采用冲击形成追加RC浪涌吸收器。

∙若变压器一次侧有真空断路器，应在控制时序上保证真空断路器动作前先将变频器断开。

图3变频器主回路

   二、变频器本身的故障自诊断及预防功能

       过去的晶体管变频器主要有以下缺点：

容易跳闸，不容易再起动，过负载能力低。

由于IGBT及CPU的迅速发展，变频器内部增加了完善的自诊断及故障防范功能，大幅度提高了变频器的可靠性。

图4变频器故障解析图

   由图4变频器故障解析示意图可知，如果使用矢量控制变频器中的“全领域自动转矩补偿功能”，其中“起动转矩不足”，“环境条件变化造成出力下降”等故障原因，将得到很好的克服。

该功能是利用变频器内部的微型计算机的高速运算，计算出当前时刻所需要的转矩，迅速对输出电压进行修正和补偿，以抵消因外部条件变化而造成的变频器输出转矩变化。

      此外，由于变频器的软件开发更加完善，可以预先在变频器的内部设置各种故障防止措施，并使故障化解后仍能保持继续运行，例如：

∙对自由停车过程中的电机进行再起动；

∙对内部故障自动复位并保持连续运行；

∙负载转矩过大时能自动调整运行曲线，避免Trip；

∙能够对机械系统的异常转矩进行检测。

   三、变频器对周边设备的影响及故障防范

      变频器的安装使用也将对其他设备产生影响，有时甚至导致其他设备故障。

因此，对这些影响因素进行分析探讨，并研究应该采取哪些措施时非常必要的。

      1.电源高次谐波

      由于目前的变频器几乎都采用PWM控制方式，这样的脉冲调制形式使得变频器运行时在电源侧产生高次谐波电流，并造成电压波形畸变，对电源系统产生严重影响，通常采用以下处理措施。

∙采用专用变压器对变频器供电，与其他供电系统分离。

∙在变频器输入侧加装滤波电抗器（a）或多种整流桥回路（b），降低高次谐波分量，如图5所示。

图5输入侧接线图

   对于有进相电容器的场合，因高次谐波电流将电容电流增加造成发热严重，必须在电容前串接电抗器，以减小谐波分量。

如图6所示，对电抗器的电感应合理分析计算，避免形成LC振荡。

图6串接电抗器示意图

   2.电动机温度过高及运行范围

      对于现有电机进行变频调速改造时，由于自冷电机在低速运行时冷却能力下降造成电机过热。

此外，因为变频器输出波形中所含有的高次谐波势必增加电机的铁损和铜损，因此在确认电机的负载状态和运行范围之后，采取以下的相应措施。

∙对电机进行强冷通风或提高电机规格等级。

∙更换变频专用电机。

∙限定运行范围，避开低速区。

   3.振动、噪声

      振动通常是由于电机的脉动转矩及机械系统的共振引起的，特别是当脉动转矩与机械共振恰好一致时更为严重。

噪声通常分为变频装置噪声和电动机噪声，对于不同的安装场所应采取不同的处理措施。

∙变频器在调试过程中，在保证控制精度的前提下，应尽量减小脉冲转矩成分。

∙调试确认机械共振点，利用变频器的频率屏蔽功能，使这些共振点排除在运行范围之外。

∙由于变频器噪声主要有冷却风扇机电抗器产生，因选用低噪声器件。

∙在电动机与变频器之间合理设置交流电抗器，减小因PWM调制方式造成的高次谐波。

   4.高频开关形成的尖峰电压对电机绝缘不利

   在变频器的输出电压中，含有高贫贱风浪用电压。

这些高次谐波冲击电压将时电动机绕组的绝缘强度降低，尤其以PWM控制型变频器更为明显，应采取以下措施。

∙尽量缩短变频器到电机的配线距离。

∙采用阻断二极管的浪涌电压吸收装置，对变频器输出电压进行处理。

∙对PWM型变频器应尽量在电机输入侧加装图7所使得滤波器。

图7滤波器

   图7b中无滤波器是输出电压上升沿有明显冲击电压，容易造成电机绝缘损伤。

   以上时本人在变频器使用中的经验总结，希望能给其他用户提供参考，使变频器能在我国更好地推广使用。

变频器故障综合分析与处理方法

1引言

随着科学技术水平的不断提高，新型大功率电力电子元器件的诞生，集成电路和微机技术的应用，交流变频调速技术已日趋完善和成熟。

交流变频调速系统以调速范围宽、动态响应快、调速精度高、保护功能完善和操作简单等优点，已在冶金、石化、电力、机械、民用电器等行业得到广泛应用。

变频器在正常使用6-10年后，就进入故障的高发期，经常会出现元器件烧坏、失效、保护功能频繁动作等故障现象，严重影响其正常运行。

在长期从事设备维修工作中，本人遇到过许多不同的变频器故障，在对其处理过程中，发现其故障类别有一定的共性和规律。

在实际维修中，只要抓住其特征，掌握故障处理的规律，就能做好变频器的维修工作，使变频器在实际中出现的各种故障得到及时处理和解决，并延长其使用寿命。

首先，要根据变频器的使用技术规范要求，制定完善的日常维护措施和检修周期，使故障隐患在初期得到解决，尤其是在恶劣环境条件下使用的变频器，这项措施更为重要。

其次，专业维修人员必须全面了解其原理、结构和控制方式等常识。

此外，还要有丰富的实践维修经验和扎实的电气理论知识。

2变频器应用现状

在实际设备维修中，遇到最多的是进口变频器。

如富士、三垦、ABB、AB、西门子等厂家。

特别是在大、中型企业旧设备技术改造中，应用最为广泛。

其原因是由于十多年前国内生产变频器的厂家很少，其产品功能简单、性能低、质量不高。

而进口变频器机型多、技术成熟、功能齐全、性能优越、质量高、耐用的特点，并且适合不同设备拖动需求，故占据着国内变频器市场的主要部分。

在多年的实际使用中，发现进口变频器也存在着一个很大的问题，就是国内多数代理商和经销商在推销进口变频器时，一般是以国外已开始淘汰的机型为主，由于这类产品的价格不高，国内企业普遍能够接受。

另外，国企在设备技术改造中，因改造资金不足、对方案设计不重视、审批专业性不强等其它原因，会自然选择这种机型。

故设备技术改造完成2-3年后，就出现变频器维修配件或整机购买不到现象。

代理商以这种产品淘汰，又推销另外一种机型，结果出现了同一个设备改造项目，却采用多种机型控制的情况。

如我厂炭素一、二期焙烧4台多功能天车变频器改造，分别采用AB公司AC800-01、AC800-02两种变频器（2台是2002年实施的改造；另2台是2003年完成的）。

又如我厂炭素净化系统4台200kW的排烟机2001年选用ABB公司ASC600（250kW）机型实施变频器改造后，运行3年多，就有2台变频器因无备件停用（因这种机型淘汰，已不生产，无备件供应）。

随着经济和技术的迅速发展和进步，近几年国内众多厂家在变频器研制和开发方面，已开始了大规模资金和人力的投入。

目前国产变频器在控制技术和功能上，已取得了显著的进步和成就。

但由于过去的遗留的旧观念和态度，人们在实际应用中，仍然对国产变频器的性能和质量有较深的怀疑和偏见，故目前制约着国产变频器推广和应用。

但国产变频器以其低价格，维修方便、配件供应及时等优点，正在逐渐被国内企业技术人员认可和接纳。

3变频器的常见故障及维修对策目前，大多数国内企业中，由于维修人员素质、能力、实践经验及设备管理不到位等原因，在设备维修工作上，主要采取设备元部件整体更换的维修工作方式。

对于设备中变频器维修，也普遍采取整机报废、更换（或更新）维修方式。

故企业内废旧整机变频器数量很多，每年要花费大量资金购置新的变频器，以维持实际设备运行需要。

另外，由于变频器在使用中故障频繁，从维修人员到管理层普遍认为只有进口机型，才有高质量、低故障的保障。

对变频器使用环境、维护不重视，将各类异常故障归结于质量问题，故出现了设备完成变频器技术改造的几年后，又提出了新的设备变频器技改项目（这种技改其实是变频器更新工作），使一台设备多次实施技改，浪费了大量资金，影响着企业生产成本降低和效益的提高。

3.1变频器故障分类

根据变频器发生故障或损坏的特征，一般可分为两类；一种是在运行中频繁出现的自动停机现象，并伴随着一定的故障显示代码，其处理措施可根据随机说明书上提供的指导方法，进行处理和解决。

这类故障一般是由于变频器运行参数设定不合适，或外部工况、条件不满足变频器使用要求所产生的一种保护动作现象；另一类是由于使用环境恶劣，高温、导电粉尘引起的短路、潮湿引起的绝缘降低或击穿等突发故障（严重时，会出现打火、爆炸等异常现象）。

这类故障发生后，一般会使变频器无任何显示，其处理方法是先对变频器解体检查，重点查找损坏件，根据故障发生区，进行清理、测量、更换，然后全面测试，再恢复系统，空载试运行，观察触发回路输出侧的波形，当6组波形大小、相位差相等后，再加载运行，达到解决故障的目的。

本文主要阐述第二类故障的分析和处理方法。

3.1.1主电路故障

根据对变频器实际故障发生次数和停机时间统计，主电路的故障率占60%以上；运行参数设定不当，导致的故障占20%左右；控制电路板出现的故障占15%；操作失误和外部异常引起的故障占5%。

从故障程度和处理困难性统计，此类故障发生必然造成元器件的损坏和报废。

是变频器维修费用的主要消耗部分。

（1）整流块的损坏

变频器整流桥的损坏也是变频器的常见故障之一，早期生产的变频器整流块均以二极管整流为主，目前部分整流块采用晶闸管的整流方式（调压调频型变频器）。

中、大功率普通变频器整流模块一般为三相全波整流，承担着变频器所有输出电能的整流，易过热，也易击穿，其损坏后一般会出现变频器不能送电、保险熔断等现象，三相输入或输出端呈低阻值（正常时其阻值达到兆欧以上）或短路。

在更换整流块时，要求其在与散热片接触面上均匀地涂上一层传热性能良好的硅导热膏，再紧固螺丝。

如果没有同型号整流块时，可用同容量的其它类型的整流块替代，其固定螺丝孔，必须重新钻孔、攻丝，再安装、接线。

例如，一台80年代中期西门子生产的变频器（7.5kVA）整流模块（椭圆形）击穿后，因无同类整流块配件，采用三垦生产的同容量整流块（矩形）替代后，已运行多年，目前仍然能正常使用。

（2）充电电阻易损坏

导致变频器充电电阻损坏原因一般是：

如主回路接触器吸合不好时，造成通流时间过长而烧坏；或充电电流太大而烧坏电阻；或由于重载启动时，主回路通电和RUN信号同时接通，使充电电阻既要通过充电电流，同时又要通过负载逆变电流，故易被烧坏。

其损坏的特征，一般表现为烧毁、外壳变黑、炸裂等损坏痕迹。

也可根据万用表测量其电阻（不同容量的机器，其阻值不同，可参考同一种机型的阻值大小确定）判断。

（3）逆变器模块烧坏

中、小型变频器一般用三组IGTR（大功率晶体管模块）；大容量的机种均采用多组IGTR并联，故测量检查时应分别逐一进行检测。

IGTR的损坏也可引起变频器OC（+pA或+pd或+pn）保护功能动作。

逆变器模块的损坏原因很多:

如输出负载发生短路；负载过大，大电流持续运行；负载波动很大，导致浪涌电流过大；冷却风扇效果差；致使模块温度过高，导致模块烧坏、性能变差、参数变化等问题，引起逆变器输出异常。

如一台FRN22G11S-4CX变频器，输出电压三相差为106V，解体在线检查逆变模块（6MBP100RS-120）外观，没发现异常，测量6路驱动电路也没发现故障，将逆变模块拆下测量发现有一组模块不能正常导通，该模块参数变化很大（与其它两组比较），更换之后，通电运行正常。

又如MF-30K-380变频器在启动时出现直流回路过压跳闸故障。

这台变频器并不是每次启动时，都会过压跳闸。

检查时发现变频器在通电（控制面板上无通电显示信号）后，测得直流回路电压达到500V以上，由于该型变频器直流回路的正极串接1只SK-25接触器。

在有合闸信号时经过预充电过程后吸合，故怀疑预充电回路性能不良，断开预充电回路，情况依旧。

用电容表检查滤波电容发现已失效，更换电容后，变频器工作正常。

3.1.2辅助控制电路故障

变频器驱动电路、保护信号检测及处理电路、脉冲发生及信号处理电路等控制电路称为辅助电路。

辅助电路发生故障后，其故障原因较为复杂，除固化程序丢失或集成块损坏（这类故障处理方法一般只能采用控制板整块更换或集成块更换）外，其他故障较易判断和处理。

（1）驱动电路故障

驱动电路用于驱动逆变器IGTR，也易发生故障。

一般有明显的损坏痕迹，诸如器件（电容、电阻、三极管及印刷板等）爆裂、变色、断线等异常现象，但不会出现驱动电路全部损坏情况。

处理方法一般是按照原理图，每组驱动电路逐级逆向检查、测量、替代、比较等方法；或与另一块正品（新的）驱动板对照检查、逐级寻找故障点。

处理故障步骤：

首先对整块电路板清灰除污。

如发现印刷电路断线，则补线处理；查出损坏器件即更换；根据笔者实践经验分析，对怀疑的元器件，进行测量、对比、替代等方法判断，有的器件需要离线测定。

驱动电路修复后，还要应用示波器观察各组驱动电路信号的输出波形，如果三相脉冲大小、相位不相等，则驱动电路仍然有异常处（更换的元器件参数不匹配，也会引起这类现象），应重复检查、处理。

大功率晶体管工作的驱动电路的损坏也是导致过流保护功能动作的原因之一。

驱动电路损坏表现出来最常见的现象是缺相，或三相输出电压不相等，三相电流不平衡等特征。

（2）开关电源损坏

开关电源损坏的一个比较明显的特征就是变频器通电后无显示。

如：

富士G5S变频器采用了两级开关电源，其原理是主直流回路的直流电压由500V以上降为300V左右，然后再经过一级开关降压，电源输出5V，24V等多路电源。

开关电源的损坏常见的有开关管击穿，脉冲变压器烧坏，以及次级输出整流二极管损坏，滤波电容使用时间过长，导致电容特性变化（容量降低或漏电电流较大），稳压能力下降，也容易引起开关电源的损坏。

富士G9S则使用了一片开关电源专用的波形发生芯片，由于受到主回路高电压的窜入，经常会导致此芯片的损坏，由于此芯片市场很少能买到，引起的损坏较难修复。

另外，变频器通电后无显示，也是较常见的故障现象之一，引起这类故障原因，多数也是由于开关电源的损坏所致。

如MF系列变频器的开关电源采用的是较常见的反激式开关电源控制方式，开关电源的输出级电路发生短路也会引起开关电源损坏，从而导致变频器无显示。

（3）反馈、检测电路故障

在使用变频器过程中，经常会碰到变频器无输出现象。

驱动电路损坏、逆变模块损坏都有可能引起变频器无输出，此外输出反馈电路出现故障也能引起此类故障现象。

有时在实际中遇到变频器有输出频率，没有输出电压（实际输出电压非常小，可认为无输出），这时则应考虑一下是否是反馈电路出现了故障所致。

在反馈电路中用于降压的反馈电阻是较容易出现故障的元件之一；检测电路的损坏也是导致变频器显示OC（+pA或+pd或+pn）保护功能动作的原因，检测电流的霍尔传感器由于受温度，湿度等环境因素的影响，工作点容易发生飘移，导致OC报警。

总之，变频器常见故障有过流、过压、欠压以及过热保护，并有相应的故障代码，不同的机型有不同的代码，其代码含义可查阅随机使用说明书，参考处理措施进行解决。

过流经常是由于GTR（或IGBT）功率模块的损坏而导致的，在更换功率模块的同时，应先检查驱动电路的工作状态，以免由于驱动电路的损坏，导致GTR（或IGBT）功率模块的重复损坏；欠压故障发生的主要原因是快速熔断器或整流模块的损坏，以及电压检测电路的损坏，电压检测采样信号是从主直流回路直接取样，经高阻值电阻降压，并通过光耦隔离后送到CPU处理，由高低电平判断是欠压还是过压；过热停机，多数原因是由冷却风扇散热不足引起的。

如我厂铝电解车间环境恶劣，高粉尘、高温（夏季厂房上部气温高达56℃）、高氧化铝粉尘、氟化氢腐蚀气体使多功能天车上变频器内电路板易积尘、风扇粘死、电子器件老化迅速、GTR（或IGBT模块过热烧坏，故经常出现过热保护，特别是在夏季，这种现象更加频繁，而且模块烧坏率很高，即使进口机型（如Siemens、senken、fuji等）情况也是如此。

为解决这个问题，我们通过加大天车上使用变频器容量，才初步降低了变频器的故障率和报废率，但效果并不理想。

4降低变频器故障和延长使用寿命的措施根据实验证明，变频器的使用环境温度每升高10℃，则其使用寿命减少一半。

为此在日常使用中，应根据变频器的实际使用环境状况和负载特点，制定出合理的检修周期和制度，在每个使用周期后，将变频器整体解体、检查、测量等全面维护一次，使故障隐患在初期被发现和处理。

4.1作好检修工作

（1）定期（根据实际环境确定其周期间隔长短）对变频器进行全面检查维护，必要时可将整流模块、逆变模块和控制柜内的线路板进行解体、检查、测量、除尘和紧固。

由于变频器下进风口、上出风口常会因积尘或因积尘过多而堵塞，其本身散热量高，要求通风量大，故运行一定时间后，其电路板上（因静电作用）有积尘，须清洁和检查。

（2）对线路板、母排等维修后，要进行必要的防腐处理，涂刷绝缘漆，对已出现局部放电、拉弧的母排须取除其毛刺，并进行绝缘处理。

对已绝缘击穿的绝缘柱，须清除炭化或更换。

（3）对所有接线端检查、紧固，防止松动引起严重发热现象的发生。

（4）对输入（包括输出）端、整流模块、逆变模块、直流电容和快熔等器件进行全面检查、参数测定，发现烧毁或参数变化大的器件应及时更换。

（5）对变频器内风扇转动状况、要经常仔细检查，断电后，用手转动风叶，观察轴承有无卡死或转动不灵活现象，必要时更换处理。

（6）仔细检查控制电路板上电子元器件，检查和处理脱焊、变色、鼓肚、开裂、断线（印刷板线路）等异常现象，必要时对外表异常的元器件，可从电路板上脱焊测量检查或更换。

（7）由于变频器在设计时其电子元器件考虑了使用老化引起的容量降低问题，故在维修中，不必对容量降低小的电容立即更换。

在实际中，电容容量降低高低与变频器使用环境、负载大小、工作制等状况有直接的关系，恶劣环境、负载越大、停启频繁等运行状况，会加速直流主电容老化。

另外，定期维护时，要详细检查主直流回路电容器有无漏液、外壳有无膨胀、鼓泡或变形，安全阀是否冲开，并对电容容量、漏电流（漏电流大，会使电容器过热，引起安全阀冲开，甚至电容爆炸）、耐压等进行测试，对容量降低30%以上、漏电流超过70mA、耐压低于650V的电容应及时更换。

对新电容或长期闲置未使用的电容，应进行性能测试，满足使用要求后才可替换使用。

（8）对整流块、逆变GTR（或IGBT）等大载流量的器件要用万用表、电桥等仪器、工具进行检测和耐压实验，测定其正向、反向电阻值，并做表格记录，对参数相差较大的模块要更换。

（9）对主接触器及其它辅助继电器进行检查，仔细观察各接触器动静触头有无拉弧、毛刺或表面氧化、凹凸不平，发现此类问题应对其相应的动静触头进行更换