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變頻器常見故障分析

變頻器由主回路、電源回路、IPM驅動及保護回路、冷卻風扇等幾部分組成。其結構多為單元化或模塊化形式。由于使用方法不正確或設置環境不合理,將容易造成變頻器誤動作及發生故障,或者無法滿足預期的運行效果。為防患于未然,事先對故障原因進行認真分析尤為重要。
 
1.主回路常見故障分析
 
主回路主要由三相或單相整流橋、平滑電容器、濾波電容器、IPM逆變橋、限流電阻、接觸器等元件組成。其中許多常見故障是由電解電容引起。電解電容的壽命主要由加在其兩端的直流電壓和內部溫度所決定,在回路設計時已經選定了電容器的型號,所以內部的溫度對電解電容器的壽命起決定作用。電解電容器會直接影響到變頻器的使用壽命,一般溫度每上升10℃,壽命減半。因此一方面在安裝時要考慮適當的環境溫度,另一方面可以采取措施減少脈動電流。采用改善功率因數的交流或直流電抗器可以減少脈動電流,從而延長電解電容器的壽命。
 
在電容器維護時,通常以比較容易測量的靜電容量來判斷電解電容器的劣化情況,當靜電容量低于額定值的80%,絕緣阻抗在5MΩ以下時,應考慮更換電解電容器。
 
2.主回路典型故障分析
 
故障現象:變頻器在加速、減速或正常運行時出現過電流跳閘。
 
首先應區分是由于負載原因,還是變頻器的原因引起的。如果是變頻器的故障,可通過歷史記錄查詢在跳閘時的電流,超過了變頻器的額定電流或電子熱繼電器的設定值,而三相電壓和電流是平衡的,則應考慮是否有過載或突變,如電機堵轉等。在負載慣性較大時,可適當延長加速時間,此過程對變頻器本身并無損壞。若跳閘時的電流,在變頻器的額定電流或在電子熱繼電器的設定范圍內,可判斷是IPM模塊或相關部分發生故障。首先可以通過測量變頻器的主回路輸出端子U、V、W,分別與直流側的P、N端子之間的正反向電阻,來判斷IPM模塊是否損壞。如模塊未損壞,則是驅動電路出了故障。如果減速時IPM模塊過流或變頻器對地短路跳閘,一般是逆變器的上半橋的模塊或其驅動電路故障;而加速時IPM模塊過流,則是下半橋的模塊或其驅動電路部分故障,發生這些故障的原因,多是由于外部灰塵進入變頻器內部或環境潮濕引起。
 
3.控制回路故障分析
 
控制回路影響變頻器壽命的是電源部分,是平滑電容器和IPM電路板中的緩沖電容器,其原理與前述相同,但這里的電容器中通過的脈動電流,是基本不受主回路負載影響的定值,故其壽命主要由溫度和通電時間決定。由于電容器都焊接在電路板上,通過測量靜電容量來判斷劣化情況比較困難,一般根據電容器環境溫度以及使用時間,來推算是否接近其使用壽命。
 
電源電路板給控制回路、IPM驅動電路和表面操作顯示板以及風扇等提供電源,這些電源一般都是從主電路輸出的直流電壓,通過開關電源再分別整流而得到的。因此,某一路電源短路,除了本路的整流電路受損外,還可能影響其他部分的電源,如由于誤操作而使控制電源與公共接地短接,致使電源電路板上開關電源部分損壞,風扇電源的短路導致其他電源斷電等。一般通過觀察電源電路板就比較容易發現。
 
邏輯控制電路板是變頻器的核心,它集中了CPU、MPU、RAM、EEPROM等大規模集成電路,具有很高的可靠性,本身出現故障的概率很小,但有時會因開機而使全部控制端子同時閉合,導致變頻器出現EEPROM故障,這只要對EEPROM重新復位就可以了。
 
IPM電路板包含驅動和緩沖電路,以及過電壓、缺相等保護電路。從邏輯控制板來的PWM信號,通過光耦合將電壓驅動信號輸入IPM模塊,因而在檢測模快的同時,還應測量IPM模塊上的光耦。
 
4.冷卻系統
 
冷卻系統主要包括散熱片和冷卻風扇。其中冷卻風扇壽命較短,臨近使用壽命時,風扇產生震動,噪聲增大最后停轉,變頻器出現IPM過熱跳閘。冷卻風扇的壽命受陷于軸承,大約為10000~35000h。當變頻器連續運轉時,需要2~3年更換一次風扇或軸承。為了延長風扇的壽命,一些產品的風扇只在變頻器運轉時而不是電源開啟時運行。
 
5.外部的電磁感應干擾
 
如果變頻器周圍存在干擾源,它們將通過輻射或電源線侵入變頻器的內部,引起控制回路誤動作,造成工作不正常或停機,嚴重時甚至損壞變頻器。減少噪聲干擾的具體方法有:變頻器周圍所有繼電器、接觸器的控制線圈上,加裝防止沖擊電壓的吸收裝置,如RC浪涌吸收器,其接線不能超過20cm;盡量縮短控制回路的配線距離,并使其與主回路分離;變頻器控制回路配線絞合節距離應在15mm以上,與主回路保持10cm以上的間距;變頻器距離電動機很遠時(超過100m),這時一方面可加大導線截面面積,保證線路壓降在2%以內,同時應加裝變頻器輸出電抗器,用來補償因長距離導線產生的分布電容的充電電流。變頻器接地端子應按規定進行接地,必須在專用接地點可靠接地,不能同電焊、動力接地混用;變頻器輸入端安裝無線電噪聲濾波器,減少輸入高次諧波,從而可降低從電源線到電子設備的噪聲影響;同時在變頻器的輸出端也安裝無線電噪聲濾波器,以降低其輸出端的線路噪聲。
 
6.安裝環境
 
變頻器屬于電子器件裝置,在其說明書中有詳細安裝使用環境的要求。在特殊情況下,若確實無法滿足這些要求,必須盡量采用相應抑制措施:振動是對電子器件造成機械損傷的主要原因,對于振動沖擊較大的場合,應采用橡膠等避振措施;潮濕、腐蝕性氣體及塵埃等將造成電子器件銹蝕、接觸不良、絕緣降低而形成短路,作為防范措施,應對控制板進行防腐防塵處理,并采用封閉式結構;溫度是影響電子器件壽命及可靠性的重要因素,特別是半導體器件,應根據裝置要求的環境條件安裝空調或避免日光直射。
 
除上述幾點外,定期檢查變頻器的空氣濾清器及冷卻風扇也是非常必要的。對于特殊的高寒場合,為防止微處理器因溫度過低不能正常工作,應采取設置空氣加熱器等必要措施。
 
7.電源異常
 
電源異常大致分以下3種,即缺相、低電壓、停電,有時也出現它們的混合形式。這些異常現象的主要原因,多半是輸電線路因風、雪、雷擊造成的,有時也因為同一供電系統內出現對地短路及相間短路。而雷擊因地域和季節有很大差異。除電壓波動外,有些電網或自行發電的單位,也會出現頻率波動,并且這些現象有時在短時間內重復出現,為保證設備的正常運行,對變頻器供電電源也提出相應要求。
 
如果附近有直接啟動的電動機和電磁爐等設備,為防止這些設備投入時造成的電壓降低,其電源應和變頻器的電源分離,減小相互影響。
 
對于要求瞬時停電后仍能繼續運行的設備,除選擇合適價格的變頻器外,還應預先考慮電機負載的降速比例。當變頻器和外部控制回路都采用瞬間停電補償方式時,失壓回復后,通過測速電機測速來防止在加速中的過電流。
 
對于要求必須連續運行的設備,應對變頻器加裝自動切換的不停電電源裝置。像帶有二極管輸入及使用單相控制電源的變頻器,雖然在缺相狀態,但也能繼續工作,但整流器中個別器件電流過大,及電容器的脈沖電流過大,若長期運行將對變頻器的壽命及可靠性造成不良影響,應及早檢查處理。
 
8.雷擊、感應雷電
 
雷擊或感應雷擊形成的沖擊電壓,有時也會造成變頻器的損壞。此外,當電源系統一次側帶有真空斷路器時,短路開閉會產生較高的沖擊電壓。為防止因沖擊電壓造成過電壓損壞,通常需要在變頻器的輸入端加壓敏電阻等吸收器件。真空斷路器應增加RC浪涌吸收器。若變壓器一次側有真空斷路器,應在控制時序上,保證真空斷路器動作前先將變頻器斷開。
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