變頻器故障綜合分析與處理方法

黃一鈁

1 引言
隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，新型大功率電力電子元器件的誕生,，集成電路和 微機(jī)技術(shù)的應(yīng)用,，交流變頻調(diào)速技術(shù)已日趨完善和成熟,。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)以調(diào) 速范圍寬,、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,、調(diào)速精度高,、保護(hù)功能完善和操作簡單等優(yōu)點(diǎn),，已在冶 金、石化,、電力,、機(jī)械、民用電器等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用,。 變頻器在正常使用6-10年后,，就進(jìn)入故障的高發(fā)期，經(jīng)常會出現(xiàn)元器件燒壞,、失 效,、保護(hù)功能頻繁動(dòng)作等故障現(xiàn)象，嚴(yán)重影響其正常運(yùn)行,。在長期從事設(shè)備維修 工作中,，本人遇到過許多不同的變頻器故障，在對其處理過程中,，發(fā)現(xiàn)其故障類 別有一定的共性和規(guī)律,。在實(shí)際維修中，只要抓住其特征,，掌握故障處理的規(guī)律 ,，就能做好變頻器的維修工作，使變頻器在實(shí)際中出現(xiàn)的各種故障得到及時(shí)處理 和解決,，并延長其使用壽命,。首先，要根據(jù)變頻器的使用技術(shù)規(guī)范要求,，制定完 善的日常維護(hù)措施和檢修周期,，使故障隱患在初期得到解決，尤其是在惡劣環(huán)境 條件下使用的變頻器，這項(xiàng)措施更為重要,。其次,，專業(yè)維修人員必須全面了解其 原理、結(jié)構(gòu)和控制方式等常識,。此外,，還要有豐富的實(shí)踐維修經(jīng)驗(yàn)和扎實(shí)的電氣 理論知識。
2 變頻器應(yīng)用現(xiàn)狀
在實(shí)際設(shè)備維修中,，遇到最多的是進(jìn)口變頻器,。如富士、三墾,、ABB,、AB、西門子 等廠家,。特別是在大,、中型企業(yè)舊設(shè)備技術(shù)改造中，應(yīng)用最為廣泛,。其原因是由 于十多年前國內(nèi)生產(chǎn)變頻器的廠家很少,，其產(chǎn)品功能簡單、性能低,、質(zhì)量不高,。 而進(jìn)口變頻器機(jī)型多、技術(shù)成熟,、功能齊全,、性能優(yōu)越、質(zhì)量高,、耐用的特點(diǎn),， 并且適合不同設(shè)備拖動(dòng)需求，故占據(jù)著國內(nèi)變頻器市場的主要部分,。在多年的實(shí) 際使用中,，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口變頻器也存在著一個(gè)很大的問題，就是國內(nèi)多數(shù)代理商和經(jīng) 銷商在推銷進(jìn)口變頻器時(shí),，一般是以國外已開始淘汰的機(jī)型為主,，由于這類產(chǎn)品 的價(jià)格不高，國內(nèi)企業(yè)普遍能夠接受,。另外,，國企在設(shè)備技術(shù)改造中，因改造資 金不足,、對方案設(shè)計(jì)不重視,、審批專業(yè)性不強(qiáng)等其它原因,，會自然選擇這種機(jī)型 ,。故設(shè)備技術(shù)改造完成2-3年后,，就出現(xiàn)變頻器維修配件或整機(jī)購買不到現(xiàn)象。代 理商以這種產(chǎn)品淘汰,，又推銷另外一種機(jī)型,，結(jié)果出現(xiàn)了同一個(gè)設(shè)備改造項(xiàng)目， 卻采用多種機(jī)型控制的情況,。如我廠炭素一,、二期焙燒4臺多功能天車變頻器改造 ，分別采用AB公司AC800-01,、AC800-02兩種變頻器（2臺是2002年實(shí)施的改造,；另 2臺是2003年完成的）。又如我廠炭素凈化系統(tǒng)4臺200kW的排煙機(jī)2001年選用ABB 公司ASC600（250kW）機(jī)型實(shí)施變頻器改造后,，運(yùn)行3年多,，就有2臺變頻器因無備 件停用（因這種機(jī)型淘汰，已不生產(chǎn),，無備件供應(yīng)）,。 隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的迅速發(fā)展和進(jìn)步，近幾年國內(nèi)眾多廠家在變頻器研制和開發(fā)方 面,，已開始了大規(guī)模資金和人力的投入,。目前國產(chǎn)變頻器在控制技術(shù)和功能上， 已取得了顯著的進(jìn)步和成就,。但由于過去的遺留的舊觀念和態(tài)度,，人們在實(shí)際應(yīng) 用中，仍然對國產(chǎn)變頻器的性能和質(zhì)量有較深的懷疑和偏見,，故目前制約著國產(chǎn) 變頻器推廣和應(yīng)用,。但國產(chǎn)變頻器以其低價(jià)格，維修方便,、配件供應(yīng)及時(shí)等優(yōu)點(diǎn) ,，正在逐漸被國內(nèi)企業(yè)技術(shù)人員認(rèn)可和接納。 3 變頻器的常見故障及維修對策 目前,，大多數(shù)國內(nèi)企業(yè)中,，由于維修人員素質(zhì)、能力,、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及設(shè)備管理不到 位等原因,，在設(shè)備維修工作上，主要采取設(shè)備元部件整體更換的維修工作方式,。 對于設(shè)備中變頻器維修,，也普遍采取整機(jī)報(bào)廢,、更換（或更新）維修方式。故企 業(yè)內(nèi)廢舊整機(jī)變頻器數(shù)量很多,，每年要花費(fèi)大量資金購置新的變頻器,，以維持實(shí) 際設(shè)備運(yùn)行需要。另外,，由于變頻器在使用中故障頻繁,，從維修人員到管理層普 遍認(rèn)為只有進(jìn)口機(jī)型，才有高質(zhì)量,、低故障的保障,。對變頻器使用環(huán)境、維護(hù)不 重視,，將各類異常故障歸結(jié)于質(zhì)量問題,，故出現(xiàn)了設(shè)備完成變頻器技術(shù)改造的幾 年后，又提出了新的設(shè)備變頻器技改項(xiàng)目（這種技改其實(shí)是變頻器更新工作）,， 使一臺設(shè)備多次實(shí)施技改,，浪費(fèi)了大量資金，影響著企業(yè)生產(chǎn)成本降低和效益的 提高,。
3.1 變頻器故障分類
根據(jù)變頻器發(fā)生故障或損壞的特征,，一般可分為兩類；一種是在運(yùn)行中頻繁出現(xiàn) 的自動(dòng)停機(jī)現(xiàn)象,，并伴隨著一定的故障顯示代碼,，其處理措施可根據(jù)隨機(jī)說明書 上提供的指導(dǎo)方法，進(jìn)行處理和解決,。這類故障一般是由于變頻器運(yùn)行參數(shù)設(shè)定 不合適,，或外部工況、條件不滿足變頻器使用要求所產(chǎn)生的一種保護(hù)動(dòng)作現(xiàn)象,； 另一類是由于使用環(huán)境惡劣,，高溫、導(dǎo)電粉塵引起的短路,、潮濕引起的絕緣降低 或擊穿等突發(fā)故障（嚴(yán)重時(shí),，會出現(xiàn)打火、爆炸等異�,，F(xiàn)象）,。這類故障發(fā)生后 ，一般會使變頻器無任何顯示,，其處理方法是先對變頻器解體檢查,，重點(diǎn)查找損 壞件，根據(jù)故障發(fā)生區(qū),，進(jìn)行清理,、測量,、更換，然后全面測試,，再恢復(fù)系統(tǒng),， 空載試運(yùn)行，觀察觸發(fā)回路輸出側(cè)的波形,，當(dāng)6組波形大小,、相位差相等后,，再加 載運(yùn)行,，達(dá)到解決故障的目的。本文主要闡述第二類故障的分析和處理方法,。
3.1.1 主電路故障
根據(jù)對變頻器實(shí)際故障發(fā)生次數(shù)和停機(jī)時(shí)間統(tǒng)計(jì),，主電路的故障率占60%以上；運(yùn) 行參數(shù)設(shè)定不當(dāng),，導(dǎo)致的故障占20%左右,；控制電路板出現(xiàn)的故障占15%；操作失 誤和外部異常引起的故障占5%,。從故障程度和處理困難性統(tǒng)計(jì),，此類故障發(fā)生必 然造成元器件的損壞和報(bào)廢。是變頻器維修費(fèi)用的主要消耗部分,。
（1）整流塊的損壞
變頻器整流橋的損壞也是變頻器的常見故障之一,，早期生產(chǎn)的變頻器整流塊均以 二極管整流為主，目前部分整流塊采用晶閘管的整流方式（調(diào)壓調(diào)頻型變頻器） ,。中,、大功率普通變頻器整流模塊一般為三相全波整流，承擔(dān)著變頻器所有輸出 電能的整流,，易過熱,，也易擊穿，其損壞后一般會出現(xiàn)變頻器不能送電,、保險(xiǎn)熔 斷等現(xiàn)象,，三相輸入或輸出端呈低阻值（正常時(shí)其阻值達(dá)到兆歐以上）或短路。 在更換整流塊時(shí),，要求其在與散熱片接觸面上均勻地涂上一層傳熱性能良好的硅 導(dǎo)熱膏,，再緊固螺絲。如果沒有同型號整流塊時(shí),，可用同容量的其它類型的整流 塊替代,，其固定螺絲孔，必須重新鉆孔,、攻絲,，再安裝,、接線。例如,，一臺80年 代中期西門子生產(chǎn)的變頻器（7.5kVA）整流模塊（橢圓形）擊穿后,，因無同類整 流塊配件，采用三墾生產(chǎn)的同容量整流塊（矩形）替代后,，已運(yùn)行多年,，目前仍 然能正常使用。
（2）充電電阻易損壞
導(dǎo)致變頻器充電電阻損壞原因一般是：如主回路接觸器吸合不好時(shí),，造成通流時(shí) 間過長而燒壞,；或充電電流太大而燒壞電阻；或由于重載啟動(dòng)時(shí),，主回路通電和 RUN信號同時(shí)接通,，使充電電阻既要通過充電電流，同時(shí)又要通過負(fù)載逆變電流,， 故易被燒壞,。其損壞的特征，一般表現(xiàn)為燒毀,、外殼變黑,、炸裂等損壞痕跡。也 可根據(jù)萬用表測量其電阻（不同容量的機(jī)器,，其阻值不同,，可參考同一種機(jī)型的 阻值大小確定）判斷。
（3）逆變器模塊燒壞
中,、小型變頻器一般用三組IGTR（大功率晶體管模塊）,；大容量的機(jī)種均采用多 組IGTR并聯(lián)，故測量檢查時(shí)應(yīng)分別逐一進(jìn)行檢測,。IGTR的損壞也可引起變頻器OC （+pA或+pd或+pn）保護(hù)功能動(dòng)作,。逆變器模塊的損壞原因很多:如輸出負(fù)載發(fā)生 短路；負(fù)載過大,，大電流持續(xù)運(yùn)行,；負(fù)載波動(dòng)很大，導(dǎo)致浪涌電流過大,；冷卻風(fēng) 扇效果差,；致使模塊溫度過高，導(dǎo)致模塊燒壞,、性能變差,、參數(shù)變化等問題，引 起逆變器輸出異常,。如一臺FRN22G11S-4CX變頻器,，輸出電壓三相差為106V,，解體 在線檢查逆變模塊（6MBP100RS-120）外觀，沒發(fā)現(xiàn)異常,，測量6路驅(qū)動(dòng)電路也沒 發(fā)現(xiàn)故障,，將逆變模塊拆下測量發(fā)現(xiàn)有一組模塊不能正常導(dǎo)通，該模塊參數(shù)變化 很大（與其它兩組比較）,，更換之后,，通電運(yùn)行正常。又如MF-30K-380變頻器在 啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)直流回路過壓跳閘故障,。這臺變頻器并不是每次啟動(dòng)時(shí),，都會過壓跳 閘。檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)變頻器在通電（控制面板上無通電顯示信號）后,，測得直流回路 電壓達(dá)到500V以上,，由于該型變頻器直流回路的正極串接1只SK-25接觸器。在有 合閘信號時(shí)經(jīng)過預(yù)充電過程后吸合,，故懷疑預(yù)充電回路性能不良，斷開預(yù)充電回 路,，情況依舊,。用電容表檢查濾波電容發(fā)現(xiàn)已失效，更換電容后,，變頻器工作正 常,。
3.1.2 輔助控制電路故障
變頻器驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)信號檢測及處理電路,、脈沖發(fā)生及信號處理電路等控制電 路稱為輔助電路,。輔助電路發(fā)生故障后，其故障原因較為復(fù)雜,，除固化程序丟失 或集成塊損壞（這類故障處理方法一般只能采用控制板整塊更換或集成塊更換） 外,，其他故障較易判斷和處理。
（1）驅(qū)動(dòng)電路故障
驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)逆變器IGTR,，也易發(fā)生故障,。一般有明顯的損壞痕跡，諸如器 件（電容,、電阻,、三極管及印刷板等）爆裂、變色,、斷線等異�,，F(xiàn)象，但不會出 現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路全部損壞情況,。處理方法一般是按照原理圖,，每組驅(qū)動(dòng)電路逐級逆向 檢查,、測量、替代,、比較等方法,；或與另一塊正品（新的）驅(qū)動(dòng)板對照檢查、逐 級尋找故障點(diǎn),。處理故障步驟：首先對整塊電路板清灰除污,。如發(fā)現(xiàn)印刷電路斷 線，則補(bǔ)線處理,；查出損壞器件即更換,；根據(jù)筆者實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析，對懷疑的元器 件,，進(jìn)行測量,、對比、替代等方法判斷,，有的器件需要離線測定,。驅(qū)動(dòng)電路修復(fù) 后，還要應(yīng)用示波器觀察各組驅(qū)動(dòng)電路信號的輸出波形,，如果三相脈沖大小,、相 位不相等，則驅(qū)動(dòng)電路仍然有異常處（更換的元器件參數(shù)不匹配,，也會引起這類 現(xiàn)象）,，應(yīng)重復(fù)檢查、處理,。大功率晶體管工作的驅(qū)動(dòng)電路的損壞也是導(dǎo)致過流 保護(hù)功能動(dòng)作的原因之一,。驅(qū)動(dòng)電路損壞表現(xiàn)出來最常見的現(xiàn)象是缺相，或三相 輸出電壓不相等,，三相電流不平衡等特征,。
（2）開關(guān)電源損壞
開關(guān)電源損壞的一個(gè)比較明顯的特征就是變頻器通電后無顯示。如：富士G5S變頻 器采用了兩級開關(guān)電源,，其原理是主直流回路的直流電壓由500V以上降為300V左 右,，然后再經(jīng)過一級開關(guān)降壓，電源輸出5V,，24V等多路電源,。開關(guān)電源的損壞常 見的有開關(guān)管擊穿，脈沖變壓器燒壞,，以及次級輸出整流二極管損壞,，濾波電容 使用時(shí)間過長，導(dǎo)致電容特性變化（容量降低或漏電電流較大），穩(wěn)壓能力下降 ,，也容易引起開關(guān)電源的損壞,。富士G9S則使用了一片開關(guān)電源專用的波形發(fā)生芯 片，由于受到主回路高電壓的竄入,，經(jīng)常會導(dǎo)致此芯片的損壞,，由于此芯片市場 很少能買到，引起的損壞較難修復(fù),。 另外,，變頻器通電后無顯示，也是較常見的故障現(xiàn)象之一,，引起這類故障原因,， 多數(shù)也是由于開關(guān)電源的損壞所致。如MF系列變頻器的開關(guān)電源采用的是較常見 的反激式開關(guān)電源控制方式,，開關(guān)電源的輸出級電路發(fā)生短路也會引起開關(guān)電源 損壞,，從而導(dǎo)致變頻器無顯示。
（3）反饋,、檢測電路故障
在使用變頻器過程中,，經(jīng)常會碰到變頻器無輸出現(xiàn)象。驅(qū)動(dòng)電路損壞,、逆變模塊 損壞都有可能引起變頻器無輸出,，此外輸出反饋電路出現(xiàn)故障也能引起此類故障 現(xiàn)象。有時(shí)在實(shí)際中遇到變頻器有輸出頻率,，沒有輸出電壓（實(shí)際輸出電壓非常 小，可認(rèn)為無輸出）,，這時(shí)則應(yīng)考慮一下是否是反饋電路出現(xiàn)了故障所致,。在反 饋電路中用于降壓的反饋電阻是較容易出現(xiàn)故障的元件之一；檢測電路的損壞也 是導(dǎo)致變頻器顯示OC（+pA或+pd或+pn）保護(hù)功能動(dòng)作的原因,，檢測電流的霍爾傳 感器由于受溫度,，濕度等環(huán)境因素的影響，工作點(diǎn)容易發(fā)生飄移,，導(dǎo)致OC報(bào)警,。 總之，變頻器常見故障有過流,、過壓,、欠壓以及過熱保護(hù)，并有相應(yīng)的故障代碼 ,，不同的機(jī)型有不同的代碼,，其代碼含義可查閱隨機(jī)使用說明書，參考處理措施 進(jìn)行解決,。過流經(jīng)常是由于GTR（或IGBT）功率模塊的損壞而導(dǎo)致的,，在更換功率 模塊的同時(shí),，應(yīng)先檢查驅(qū)動(dòng)電路的工作狀態(tài)，以免由于驅(qū)動(dòng)電路的損壞,，導(dǎo)致GTR （或IGBT）功率模塊的重復(fù)損壞,；欠壓故障發(fā)生的主要原因是快速熔斷器或整流 模塊的損壞，以及電壓檢測電路的損壞,，電壓檢測采樣信號是從主直流回路直接 取樣,，經(jīng)高阻值電阻降壓，并通過光耦隔離后送到CPU處理,，由高低電平判斷是欠 壓還是過壓,；過熱停機(jī)，多數(shù)原因是由冷卻風(fēng)扇散熱不足引起的,。如我廠鋁電解 車間環(huán)境惡劣,，高粉塵、高溫（夏季廠房上部氣溫高達(dá)56℃）,、高氧化鋁粉塵,、 氟化氫腐蝕氣體使多功能天車上變頻器內(nèi)電路板易積塵、風(fēng)扇粘死,、電子器件老 化迅速,、GTR(或IGBT模塊過熱燒壞，故經(jīng)常出現(xiàn)過熱保護(hù),，特別是在夏季,，這種 現(xiàn)象更加頻繁，而且模塊燒壞率很高,，即使進(jìn)口機(jī)型（如Siemens,、senken、fuji 等）情況也是如此,。為解決這個(gè)問題,，我們通過加大天車上使用變頻器容量，才 初步降低了變頻器的故障率和報(bào)廢率,，但效果并不理想,。 4 降低變頻器故障和延長使用壽命的措施 根據(jù)實(shí)驗(yàn)證明，變頻器的使用環(huán)境溫度每升高10℃,，則其使用壽命減少一半,。為 此在日常使用中，應(yīng)根據(jù)變頻器的實(shí)際使用環(huán)境狀況和負(fù)載特點(diǎn),，制定出合理的 檢修周期和制度,，在每個(gè)使用周期后，將變頻器整體解體、檢查,、測量等全面維 護(hù)一次,，使故障隱患在初期被發(fā)現(xiàn)和處理。
4.1 作好檢修工作
（1）定期（根據(jù)實(shí)際環(huán)境確定其周期間隔長短）對變頻器進(jìn)行全面檢查維護(hù),，必 要時(shí)可將整流模塊,、逆變模塊和控制柜內(nèi)的線路板進(jìn)行解體、檢查,、測量,、除塵 和緊固。由于變頻器下進(jìn)風(fēng)口,、上出風(fēng)口常會因積塵或因積塵過多而堵塞,，其本 身散熱量高，要求通風(fēng)量大,，故運(yùn)行一定時(shí)間后,，其電路板上（因靜電作用）有 積塵，須清潔和檢查,。
（2）對線路板,、母排等維修后，要進(jìn)行必要的防腐處理,，涂刷絕緣漆,，對已出現(xiàn) 局部放電、拉弧的母排須取除其毛刺,，并進(jìn)行絕緣處理,。對已絕緣擊穿的絕緣柱 ，須清除炭化或更換,。
（3）對所有接線端檢查,、緊固，防止松動(dòng)引起嚴(yán)重發(fā)熱現(xiàn)象的發(fā)生,。
（4）對輸入（包括輸出）端、整流模塊,、逆變模塊,、直流電容和快熔等器件進(jìn)行 全面檢查、參數(shù)測定,，發(fā)現(xiàn)燒毀或參數(shù)變化大的器件應(yīng)及時(shí)更換,。
（5）對變頻器內(nèi)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)狀況、要經(jīng)常仔細(xì)檢查,，斷電后,，用手轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)葉，觀察 軸承有無卡死或轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活現(xiàn)象，必要時(shí)更換處理,。
（6）仔細(xì)檢查控制電路板上電子元器件,，檢查和處理脫焊、變色,、鼓肚,、開裂、 斷線（印刷板線路）等異�,，F(xiàn)象,，必要時(shí)對外表異常的元器件，可從電路板上脫 焊測量檢查或更換,。
（7）由于變頻器在設(shè)計(jì)時(shí)其電子元器件考慮了使用老化引起的容量降低問題,，故 在維修中，不必對容量降低小的電容立即更換,。在實(shí)際中,，電容容量降低高低與 變頻器使用環(huán)境、負(fù)載大小,、工作制等狀況有直接的關(guān)系,，惡劣環(huán)境、負(fù)載越大 ,、停啟頻繁等運(yùn)行狀況,，會加速直流主電容老化。另外,，定期維護(hù)時(shí),，要詳細(xì)檢 查主直流回路電容器有無漏液、外殼有無膨脹,、鼓泡或變形,，安全閥是否沖開， 并對電容容量,、漏電流（漏電流大,，會使電容器過熱，引起安全閥沖開,，甚至電 容爆炸）,、耐壓等進(jìn)行測試，對容量降低30%以上,、漏電流超過70mA,、耐壓低于 650V的電容應(yīng)及時(shí)更換。對新電容或長期閑置未使用的電容,，應(yīng)進(jìn)行性能測試,， 滿足使用要求后才可替換使用,。
（8）對整流塊、逆變GTR（或IGBT）等大載流量的器件要用萬用表,、電橋等儀器 ,、工具進(jìn)行檢測和耐壓實(shí)驗(yàn)，測定其正向,、反向電阻值,，并做表格記錄，對參數(shù) 相差較大的模塊要更換,。
（9）對主接觸器及其它輔助繼電器進(jìn)行檢查,，仔細(xì)觀察各接觸器動(dòng)靜觸頭有無拉 弧、毛刺或表面氧化,、凹凸不平,，發(fā)現(xiàn)此類問題應(yīng)對其相應(yīng)的動(dòng)靜觸頭進(jìn)行更換 ，確保其接觸安全可靠,。
（10）經(jīng)常檢查電源電壓波動(dòng)程度,。改善變頻器使用環(huán)境和負(fù)載波動(dòng)大的現(xiàn)象， 避免大電流對變頻器沖擊的影響,。

我在飛

謝謝一鈁,，講的真詳細(xì)。