变频器故障分析及处理

摘要：借助于工业领域内自动化程度的不断发展，变频器凭借其调速覆盖面广，准确度高和高效的特点赢得了更为广阔的应用空间。本文就从变频器的组成原理出发，对其故障和处理进行分析，并对日常维护提供一些参考。
关键词：变频器 故障 检修测试
1.选题背景和意义
统称的“变频器”一般是指交流电动机变频调速器，它是通过改变电动机工作电压和工作频率来实现调速的一种电力电子控制设备。变频器的调速控制系统广泛应用于机械工程、冶金、矿产、化工、石油、纺织、印染、水泥、船舶电力、铁路系统等行业领域内。变频器对于整个电网来说，可以通过人工调节的方式减少对其的冲击，并且电机和设备停止方式可控，使整个设备和系统更加安全可靠，寿命也会相应的增加。对于用户来说，变频器可以控制降低电机的启动电流，使电机的维护成本降低，,同时可以提高系统的稳定性。但是由于变频器本身会受到周遭环境的影响，所以对于其可能产生的故障需做到及时的排除处理，以免防止永久性的损坏出现。
2.1变频器的分类及组成
我们根据变频器的开关方式，可以把它分为PAM（脉冲幅度调制）控制变频器和PWM（脉冲宽度调制）控制变频器。PAM控制变频器通过对电压源或电流源电源输出方式的改变来进行输出控制，相对于PWM控制变频器来说应用的范围更广，更加通用。PWM控制变频器是改变脉冲宽度来控制输出电压的一种方式，主要用于高频变频领域。变频器由主回路和控制回路组成，主回路包括整流部分，直流部分，滤波部分，逆变部分，制动或回馈单元，控制回路包括开关电源，DSP数字信号处理器，输入输出端子，SCI口，操控面板部分，其中开关电源和驱动电路最容易发生故障。
整流部分：其功能是把交流电源转换成直流电源。这部分可以分为自成一体的整流模块或者与逆变电路合二为一的模块。电网电压或内部短路会对整流部分造成影响，若整流模块损坏，可以通过万用表电阻档正反向的测量来判断整流模块是否已经损坏，也可以在附于控制极10伏左右的直流电压，再通过其正向导通的情况来判断是否已经发生故障。所以在工作前，要仔细排查工作电网内是否存在可能污染电网的设备。
滤波部分：变频器的滤波部分主要是由电感，电容，电阻组成的无源器件，安装于电机和变频器及电源与变频器之间，属于低通滤波器的一种，是用来抑制传导干扰的有效工具。根据使用场景和现场干扰源情况的不同，又可以分为LC滤波器，谐波滤波器和正弦波滤波器。
控制电路：是变频器输出电压和调节频率的调速装置，由频率电

压的“运算电路”，主电路的“电压，电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”三种电路组成。基本上采用16位或32位的单片机，有的也会采用DSP为检测核心，是实现全数字化控制的关键设备。
2.2变频器的工作原理
要想解决好变频器的故障，了解变频器的工作原理是相当重要的。变频器的工作原理是通过控制电路来控制主电路，主电路中的整流器将交流转变为直流电，直流中间电路将直流电进行平滑滤波，逆变器最后将直流电再转换为所需要的频率和电压的交流电，在某些工作场景需要涉及到转矩运算时，还会在变频器内部安装CPU等部件。
3.1关于变频器的常见故障
如果变频器的工作环境过于潮湿闷热，并且没有做到定期的维护保养，相关人员又缺乏专业的操作手法，那么在实际的运行中，变频器很难做到安全稳定地工作，还会使变频器的寿命大打折扣。虽然变频器自身具有自我保护功能，如短路保护功能，侧接地保护功能，自诊断功能，报警警告功能等等，但是如果工作人员不能充分了解变频器所具备的这些特性，再加上遇上软硬件上的意外故障，很容易给生产造成损失。因此，日常的检修维护和故障的及时排除对于保护变频器的安全使用就显得至关重要。
3.2变频器故障检修方法
在对变频器系统地测试排除故障过程中，我们可以将其分为通电前检查和通电时检查两个主要阶段。在通电前检查阶段，需要对变频器，电动机和负载有一个大体的直观的检查判断，并且用万用表或者用钳表对接线情况做一个基本的检查。在通电时检查阶段，一般按照空载，轻载和正常负载的顺序进行测试。在启动变频器通电检查中，在卸下电动机负载的情况下，观察变频器显示屏上的数值变换，通过操作面板上的操作按钮来确认输出频率，电流，电压等是否正常。观察变频器风扇口是否出风正常，是否存在异响。空载检查阶段，目的是测试电动机的运转情况，所以是将变频器的输出端与电动机相连接，通过操作面板对电动机进行升速降速，点动停止等操作来检查电动机空转状态下的参数运作正常。轻载和正常负载测试是为了确保正常工作生产中变频器能够有效运行，在启动过程中观察启动电流是否过大，将u/f比调至合适的范围，观察启动过程是否平稳；在高速运行时，观察机械运转是否存在较大的振动。对于控制电路的测量，不能直接使用兆欧表，否则会损坏电路的零部件，可以使用高阻量程万用表进行对地之间的电路测试，测量值在一兆欧姆以上就代表控制电路可以正常运行。此外，对于接触器和继电器一类的控制电路，也可以使用万用表来

检测连接的准确性。
3.3变频器参数的测量
变频器主电路的测量：变频器输入电源使用的是交流电流，但是输入和输出侧的电压和电流中含有谐波分量，所以应该选择不同的测量工具和方法，同时还要注意校正误差防止测量数值不客观。
输出电流的测量：变频器的输出电流中含有较大的谐波，因此应该选用能够测量畸变电流波形有效值的仪表，比如0.5级的电磁式或电热式电流表。当输出电流不平衡时，应该测量三相电流的值并取算术平均值。
输入和输出电压的测量：因为变频器的电压平均值与电压基波有效值成正比，而整流或电压表测出的电压值是基波电压均方根值，与频率呈线性关系，再加以考虑较大谐波的因素，所以测量输出电压和输入电压通常都采用整流式的电压表。
直流母线电压的测量：在过电压故障排除，日常维护保养等场景下，需要经常测量直流母线的电压。测量该电压时，需要在变频器带负载运行的情况下进行，在滤波电容器或滤波电容器两端进行测量，实际的直流母线电压是用万用表测得的直流电压正负两端的1.35倍。
压频比的测量：测量变频器的压频比有助于查找故障。测量时将万用表交流电压的量程调至最大，在变频器输出50赫兹的情况下，测量输出端子处的线电压，观察读数是否同铭牌上的额定电压相同，再如法炮制，测量观察25赫兹运行下的线电压读数是否是原来的一半，最终计算可以得到压频比。
4.1过载故障
过载故障是使变频器频繁跳闸的故障之一，主要体现在设备运行时，运行电流小幅度超过额定电流，并且持续了一段时间，当过载累积到一定量时，变频器就会过载故障报错。其主要表现形式分为两种，一种是电机过载，另一种是变频器自身过载。两种过载都会使变频器内部电流增大，进而造成内部元器件的发热。发生过载故障时，显示屏上显示“OL”。造成过载故障的原因可以分为以下几点
1） 机械负载过重，当用电负载的用电电流超过变频器的额定值时，就会引起电动机发热。
2） 变频器内部的电流检测传感器发生故障，导致检测的电流超过额定值，进而过载跳闸。
3） 三相电压不平衡导致某相的运行电流过大，变频器过载报错。
处理该故障的方法
1） 解决过载问题实际上就是解决电子元件的非常规发热问题。在变频器工作前，工作人员应该根据电网工作压力，适当调整电子元件的热保护预置值。如果在实际工作中电动机的负载过重，则应加大传动比或者增加电动机容量来减轻负荷。
2） 检查变频器内部和电动机输出端三相电压是否平衡，检查所有的接线端口是否接触良好。
3） 长时间未通

电的变频器绝缘介质会发生变化，所以第一次通电应该缓慢升高电压，减缓加速时间以免产生过大的冲击电流引起过载。
4.2.过流故障
过流故障的具体症状现象有三，一是在设备重启阶段，电机一加速运转，就引发跳闸；二是设备重启时正常工作，加速运行时产生跳闸；三是通电后立即产生过流并且无法复位。过电流的实质是当电流峰值超过额定电流的百分之两百时（根据不同型号的变频器数值有所不同）,就会造成过流故障，此刻变频器的显示界面会显示“OC”或者“IOC”。通常的过流故障可以分为加速环节过流，减速环节过流和匀速环节过流三种，造成过流故障的原因可以分为以下几点
1） 电动机在工作中碰到冲击负载或者遇到“卡住”的现象导致电流剧增。
2） 接地不良，绝缘劣化导致的变频器输出端或者电动机内部形成短路。
3） 变频器硬件正常，但逆变器受到环境温度或老化程度的影响，改变了逆变器的参数，造成了同一桥臂的两个器件之间形成短路引发过流。
4） 变频器硬件损坏。主要是由于功率部分和控制部分的损坏，功率部分大多是其他部件故障引发电容无法正常工作，设备一启动就过流。控制部分包括各种电路板和与之相连的线路，故障瞬间出现，检查排除困难。
处理该故障的方法
1） 对变频器硬件进行检查，其中容易造成过流故障的有电流互感器（若变频器在未工作时，显示屏上就有电流显示在变化，则可以判断为电流互感器损坏），主电路接口板和电路板（受到物理或者环境问题导致检测通道损坏和接地不良），检查后针对损坏部件进行修复或替换。
2） 对负载侧进行检查，首先排除机械是否卡死的问题，再检查是否由于负载过大或者是负载分配不均匀造成的过流故障，如果是，则可以适当减轻负载或者改变负载的分配方案来解决。
3） 如果变频器硬件和负载侧都工作正常，则应该重新设置变频器的参数问题。主要检查加速时间的设置，通常是因为加速时间过短，短期内产生的电流过大，延长加速时间的设置即可。
4.3 过压故障
变频器的过电压保护是指变频器直流母线电压超过额定范围，为了保证元器件能够正常工作而采取的停机处理的一种保护机制，通常发生在变频器的启动或者停机的时候，变频器的显示界面会显示“OU”。过压故障的处理核心思路在于如何使中间直流回路的多余能量限定在可接受范围内。如下为造成过压故障的原因可以分为以下几点
1） 电源端过压，输入的三相电压过高，导致直流母线电压升高而过电压发生故障。同时，小概率发生的雷电现象也会使变频器内补偿电容器开关过电压。

2） 变频器由于在减速时间的参数设定上设置较小，导致变频器输出频率下降速度较快，一旦负载惯性较大，使负载拖动电动机的转速比变频器本身输出的转速还要高，就会形成电动机的回馈发电，造成直流母线电压升高。
3） 谐波干扰。变频器通常是由交-直-交组成，在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅里叶级数分解成基波和各次谐波。当所有谐波与基波电压相互叠加超过直流母线电压保护设定值800V时，变频器过电压跳闸。
处理该故障的方法
1） 可以在电源输入侧并联一个浪涌吸收装置或串联电抗器以此缓解由外界因素如雷电等引起的过电压，也可以吸收补偿电容闭合阶段产生的过电压。
2） 改变参数的设定。通常适当延长减速时间，让负载的剩余动能能够得到充分的释放；也可以设定在不过压并且保证运行正常的情况下尽可能小的频率值，以减缓频率减小的速度。
3） 因为大多数变频器的直流母线电压保护设定值为800V并且持续10秒内，所以可以延长直流回路门限电压的报警时间来避免由于谐波影响导致的瞬时电压增加的问题。、
4.4. 过热故障
变频器在工作中会产生一定量的功耗，同时，不同的变频器由于工作方式和控制方式的不同，产生的功耗也会存在差异。变频器一般在出厂前都会自带散热冷却系统，其主要是由散热片和冷却风扇组成，散热构造也会依据散热方式的不同分为自然散热、对流散热、液冷散热，其中水冷的方式相对于风冷来说更加有效。而对于电子产品来说，超过百分之八十的元器件都符合十度法则，即温度每升高10摄氏度，失效率增加一倍，因此对变频器的过热故障的及时排除来提高设备的可靠性和延长使用寿命就显得至关重要，一般过热故障变频器显示器显示“OH”。下面是造成变频器过热故障的几点原因。
1） 负荷过大，设备一直在超负荷的背景下进行工作，造成实际温度超过电机连续温度参数和瞬时温度参数的极限值，引发过热。
2） 外界温度过高或工作环境恶劣（如煤矿，油井）。电机运行时容易受到工作环境温度的影响，特别是在夏天，容易造成设备过热烧毁；变频器的散热口容易遭到如灰尘，风沙等微小杂物额定堵塞或者导致散热风扇的停转，导致散热不良。
处理该故障的方法：
1）对于采用自然散热和对流散热这类主要依靠风扇来冷却的变频器，需要将变频器安装在防尘防沙的工作环境下，尽量远离毛絮灰尘飞扬的场所以免卡住风扇。同时，还需要派工作人员依据变频器的使用情况，定期打开其内部清理线路板、风扇转片、进出口过滤网等上的灰尘来保障散热风扇