高压变频器全生命周期分析

高压变频器全生命周期分析

目录

一、高压变频器概况 (3)

二、高压变频器使用寿命分析 (3)

三、高压变频器主要器件寿命分析 (5)

四、总结 (6)

附录：高压变频器日常维护指导 (7)

一、高压变频器概况

随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动的技术革命。交流调速取代直流调速，计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

以前的高压变频器，由可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，缺点很多，谐波大，对电网和电机都有影响。发展起来的一些新型器件将改变这一现状，如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它们构成的高压变频器，性能优异，可以实现PWM逆变，甚至是PWM 整流。不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提高。

高压变频器无可非议的电机控制优越性及节能，使得在工业上得到了飞速的发展与应用，而今国内工业据最早一批高压变频器已使用有8~10年，存在巨大的隐患，本文以专业角度对高压变频器全生命周期进行分析，给出合理阐述并提出有效的方案来解决客户在高压变频器使用中遇到的疑惑。

二、高压变频器使用寿命分析

首先需要说明一下，变频器的寿命不是说变频器的设计寿命，而是在不同的工业环境下使用的寿命，即实际的使用年限。并且此寿命并不是一个立即生效的时间而是随着故障率的大幅提高而判定的（寿命达到6~8年后故障率相比于平稳期的随机故障率在15倍左右，并且伴随着较多器件损坏的重大故障，极易造成设备的故障扩大及人员安全事故，且不可恢复）。

大量研究及实际考察表明，高压变频器的故障率随温度升高而成指数的上升，使用寿命随温度升高而成指数的下降，环境温度升高10℃，高压变频器使用寿命将减半。这也是设备在夏季运行时平均故障率要高于其它季节的原因。

但恰恰环境是用户所忽略的，通用高压变频器一般使用的工业环境，除粉尘、湿度等不良等的因素影响外，环境温度也是最主要的导致高压变频设备故障及减少寿命的原因。在使用环境及操作习惯的影响上，变频器根据所使用环境的不同一般的使用

寿命在6~10年。其中主要是在使用的过程中主器件的老化和绝缘水平的降低导致的。

注：数据曲线由有我司工程人员采集大量各品牌产品数据总结而出，仅代表一般规律趋势，实际情况以使用情况而定。

曲线分析：

在变频器使用中早期故障发生期（0-2年）故障率稍高于平稳随机故障期，早期故障原因主要是由人员操作及新建现场其它机械及电气设备造成，另外一部分原因由于现场前期设计阶段布置及散热考虑不合理造成。此阶段故障为可控型故障，在现场设计及操作方面适当的指导可降低其故障发生（常见故障为过温、通信）。

平稳偶发故障期，随着使用时间的加长现场配合改动及人员操作的熟悉，及定期的除尘处理，故障率进入平稳期。偶发性故障会发生，此阶段故障多集中在单元故障（由于设备结构为单元串联型个数较多，单元故障占有率较大），但故障不会造成重大影响，2-6年平稳期也为备件消耗期，偶发的故障可以及时维护（损坏件可维修性较高）或备件替换。

老化故障期，此阶段集中在6~8年及以后，由于器件的老化及绝缘程度的降低，故障率会有大幅的增高，备件替换频繁。且由于多为器件本身老化问题，导致的故障不可修复，并具有一定的危险性。易造成人员及其它设备的损坏。变频器使用寿命到达末期若为不含工频旁路的系统，需着重注意以免故障修复时间长或不可修复故障造成生产中断。给企业带来不必要的损失。

三、高压变频器主要器件寿命分析

机柜：无外力作用下一般使用年限远长于变频器的使用年限。无需分析。

柜顶风机：以德国某知名品牌为例，其风机轴承设计寿命正常为50000~60000小时，相当于连续使用5.7~6.8年，若粉尘及湿度较高的应用场所寿命会有所降低。虽然冷却风机为变频器重要的部分，但变频器均具有过热保护。故障后不会造成更大的问题，且其更换方便，价格占比低。前期及平稳期可考虑风机备件替换，易解决。

PCB板件、光纤：此类器件若非外力及强干扰及漏电流，在前期及平稳期故障率较低。但在老化期故障会凸显，因其为控制系统及通讯桥梁，故障后判断定为简单迅速，且更换方便。但由于PCB控制板及光纤为各品牌特定及设计器件，只能由原厂家替换。此类器件还需考虑，变频器厂家的平台实力及长期合作的可能，避免后续备件购买困难。

移相变压器：此设备寿命较长，若无人员操作失误及外力损伤，并定期检查一般故障率很低。影响变压器寿命的原因有如下：

1.海拔高度：高海拔情况下空气稀薄散热差导致温度高，降低绝缘能力。

2.超负荷运行：长期过负荷运行会严重影响寿命。

3.耐压试验：耐压试验为破坏性试验，严重影响寿命。

4.电网谐波：谐波会导致铁耗及铜耗的增加，加快绝缘老化。

功率部分：

电容：电压源型变频器（直流部分使用电容储能滤波）为市场主流机型，但其也是限制变频器寿命的重要因素。电容一般设计寿命大于50000小时，此寿命是在标准工况应用下设计的。电容的寿命与环境温度及工作电压有着密切的联系。需要注意的是因高压变频器直流部分为电容串联的结构，所以在电容故障后极易引发此单元内其它电容因过压而损坏。其常态使用寿命为6—8年。

IGBT及整流桥：此类器件为半导体器件，寿命与工作电压及电流有很大关系，大的冲击电压及电流会立即损害此器件。避免过温及潮湿可以保证其较长的使用寿命。

四、总结

以上几章说明变频器及器件的使用寿命，总结出了主要器件的寿命影响因素。高压变频器均为工业重要负载的驱动，需要定期的维护及检修。良好的运行环境会提高变频器的寿命，但老化是不可避免的。备件的替换适用于平稳期，但在老化后期功率部分出现问题后，备件替换只能将所有单元替换。且单元替换后其他老化部件的故障很可能扩大化对新单元造成影响。根据对行业的了解及数据的支撑，运行8年左右的机器强烈建议整机替换，避免产生重大事故并减少故障对生产的中断。