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摘要： 简述变频器的基本拓扑结构，从结构的特点出发分析变频器常见故障，及其产生故障的原因，并对变频器日常应用的维护提出指导措施。
关键词： 变频器；故障；维护
中图分类号：TN773文献标识码：A文章编号：1671－7597（2012）0110157－01
0 引言
随着工业农业发展的需求，变频技术的应用越来越广泛，以变频技术为核心的机电产品——变频器的应用也深入到各行各业，功能逐步完善、稳定性也有很大提高，但是使用不当、对故障的非正当手段的处理和使用的环境的复杂多变对变频器的的寿命造成很大的缩短，并造成非常大的经济损失。因此，本文对变频器的使用和常见故障进行分析，提出确实有效的处理方法和指导措施。
1 变频器的结构和工作原理
变频器是把恒压、恒频的交流电源变换成电压、频率变化的交流电电源，用以控制交流电机变速运行的机电设备。目前常见的拓扑结构有两种，交交变频器和交直交变频器。后则最见的通用变频器采用的拓扑结构，由整流环节，中间直流环节，逆变环节，控制电路和检测电路组成，再配以系统软件和应用软件。包含电力电子器件和检测信号电子线路，存在强电和弱电环节及高频器件，因此电磁环境复杂，而且容易受其他电磁辐射的干扰，也被自身产生的电磁所干扰。
2 变频器故障
2.1 变频器的故障形式
根据变频器的故障形式可分为两种类型，一种是可恢复性故障，一种是破坏性故障，前一种故障可以通过复位排除或是参数的设置修复，而后种故障则需要进行硬件或是软件的修复进行排除。
2.2 故障分析
依据变频器的结构我们来分析故障发生部分及引起故障的原因。
1）整流单元：整流单元常有整流二极管构成不可控整流单元，常见的故障就是整流模块的损坏，因为整流模块负担把交流电变换成直流的，起到功率传递的功能，而且负载是容性负载，电流呈不规则的脉冲型，如果该电流尖峰过高就会造成整流模块损坏，造成主要原因有：① 电网突变且持续时间比较长；② 直流滤波电容失效，导致直流环节电压跌落太多；③ 充电电阻短路，该类故障多发生在变频器上电时；④ 直流环节泵升电压过高，主要发生在电机停机阶段采用可控停车方式，电机处于再生制动状态，电能回馈直流环节；⑤ 温度过高，当温度升高电力电子器件的容量就需要降容使用，此时如果负载过重就会造成模块温度升高，如果不及时散掉热量，就会损坏模块。整流单元的故障多是不可恢复性故障，需要更换器件恢复设备。
2）中间直流环节：直流环节主要完成滤波，稳定直流电压和提供无功功率缓冲以及能耗制动，常见故障有：① 电解电容失效，电容设计寿命一般都是10年左右，极低温度、温升、过高电压。瞬时电压都对电容寿命有影响，其中温升对电容的寿命影响最大，所以要控制变频器使用环境的温度，不要超过40℃，不然电解电容寿命迅速缩短；② 平衡电阻的损坏，主要是起到平衡串联电解电容组的电压，如果损坏会导致电容击穿；③ 制动单元不能动作，主要原因是检测环节故障，致使制动单元不能开启，还有就是制动单元的功率器件损坏而成开路，不能正常工作。④ 过电压故障，由于很多变频器电压是采样直流环节的直流电压，经过计算得出输出电压，过电压一般会发生在输入过电压使得电容两端电压升高超过，再则就是电机停机方式采用可控制的，停机时间设置太短导致泵升电压过高造成的。
3）逆变单元：逆变单元是变频器的核心部件，主要承担把直流电变成变频变压的交流电，承载功率变化的环节，目前通用变频器的逆变单元多由IGBT构成。也是变频器故障最多的部件，常见的故障有：① 逆变单元过电流 主要原因是负载过重或是负载变动过大，因为变频器的过载能力很低。如果负载相对电机而言，变频器几乎没有过载能力，而且持续时间很短，一般规定十分钟之内以110%额定电流运行不能超过2分钟，而且该时间段内的平均电流不超过额定电流，十分钟之内以150%额定电流运行不能超过1分钟，而且该时间段内的平均电流不超过额定电流，否则会报过电流而停机，该类故障一般可以恢复。如果是在启动过程中出现过电流，主要是负载转矩过大，导致起动电流超出变频器内部的保护曲线，可以通过把参数启动时间设置的稍长一点，或是把负载转矩降低。但是在提升类设备中，不能降低转矩，可设置启动时间和自动转矩提升参数才完成变频器的正常工作。② IBGT饱和故障，该类故障不能复位，引起该故障的主要原因是IGBT的C、E两极之间的电压超过一定阀值造成的，如果出现这类故障复位再启动会造成IGBT短路出现炸裂，导致变频器更大的损坏。
4）辅助控制电路：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。常见故障有：① 驱动电路故障，驱动电路用于驱动逆变器IGBT，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，有条件的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 其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。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（过电流）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。
3 变频器的维护
3.1 日常维护
1）操作面板检查：外观、指示灯、显示有无异常；
2）各处电源检查：用整流型电压表检查各处电压情况；
3）三相应该平衡且各相电压值在正常范围内，直流电压值在正常范围内，否则停机检查；
4）线路检查：各处导线有无发热、变形及松动；
5）冷却风机检查：转速是否正常，灰尘及油垢清理；
6）散热器检查：温度是否正常，正常时不烫手；
7）振动检查：手摸外壳，无剧烈振动感，否则，可加橡胶垫或利用变频器的回避频率设置功能避开共振点；
8）注意变频器周围的异味；
关键词： 变频器；故障；维护
中图分类号：TN773文献标识码：A文章编号：1671－7597（2012）0110157－01
0 引言
随着工业农业发展的需求，变频技术的应用越来越广泛，以变频技术为核心的机电产品——变频器的应用也深入到各行各业，功能逐步完善、稳定性也有很大提高，但是使用不当、对故障的非正当手段的处理和使用的环境的复杂多变对变频器的的寿命造成很大的缩短，并造成非常大的经济损失。因此，本文对变频器的使用和常见故障进行分析，提出确实有效的处理方法和指导措施。
1 变频器的结构和工作原理
变频器是把恒压、恒频的交流电源变换成电压、频率变化的交流电电源，用以控制交流电机变速运行的机电设备。目前常见的拓扑结构有两种，交交变频器和交直交变频器。后则最见的通用变频器采用的拓扑结构，由整流环节，中间直流环节，逆变环节，控制电路和检测电路组成，再配以系统软件和应用软件。包含电力电子器件和检测信号电子线路，存在强电和弱电环节及高频器件，因此电磁环境复杂，而且容易受其他电磁辐射的干扰，也被自身产生的电磁所干扰。
2 变频器故障
2.1 变频器的故障形式
根据变频器的故障形式可分为两种类型，一种是可恢复性故障，一种是破坏性故障，前一种故障可以通过复位排除或是参数的设置修复，而后种故障则需要进行硬件或是软件的修复进行排除。
2.2 故障分析
依据变频器的结构我们来分析故障发生部分及引起故障的原因。
1）整流单元：整流单元常有整流二极管构成不可控整流单元，常见的故障就是整流模块的损坏，因为整流模块负担把交流电变换成直流的，起到功率传递的功能，而且负载是容性负载，电流呈不规则的脉冲型，如果该电流尖峰过高就会造成整流模块损坏，造成主要原因有：① 电网突变且持续时间比较长；② 直流滤波电容失效，导致直流环节电压跌落太多；③ 充电电阻短路，该类故障多发生在变频器上电时；④ 直流环节泵升电压过高，主要发生在电机停机阶段采用可控停车方式，电机处于再生制动状态，电能回馈直流环节；⑤ 温度过高，当温度升高电力电子器件的容量就需要降容使用，此时如果负载过重就会造成模块温度升高，如果不及时散掉热量，就会损坏模块。整流单元的故障多是不可恢复性故障，需要更换器件恢复设备。
2）中间直流环节：直流环节主要完成滤波，稳定直流电压和提供无功功率缓冲以及能耗制动，常见故障有：① 电解电容失效，电容设计寿命一般都是10年左右，极低温度、温升、过高电压。瞬时电压都对电容寿命有影响，其中温升对电容的寿命影响最大，所以要控制变频器使用环境的温度，不要超过40℃，不然电解电容寿命迅速缩短；② 平衡电阻的损坏，主要是起到平衡串联电解电容组的电压，如果损坏会导致电容击穿；③ 制动单元不能动作，主要原因是检测环节故障，致使制动单元不能开启，还有就是制动单元的功率器件损坏而成开路，不能正常工作。④ 过电压故障，由于很多变频器电压是采样直流环节的直流电压，经过计算得出输出电压，过电压一般会发生在输入过电压使得电容两端电压升高超过，再则就是电机停机方式采用可控制的，停机时间设置太短导致泵升电压过高造成的。
3）逆变单元：逆变单元是变频器的核心部件，主要承担把直流电变成变频变压的交流电，承载功率变化的环节，目前通用变频器的逆变单元多由IGBT构成。也是变频器故障最多的部件，常见的故障有：① 逆变单元过电流 主要原因是负载过重或是负载变动过大，因为变频器的过载能力很低。如果负载相对电机而言，变频器几乎没有过载能力，而且持续时间很短，一般规定十分钟之内以110%额定电流运行不能超过2分钟，而且该时间段内的平均电流不超过额定电流，十分钟之内以150%额定电流运行不能超过1分钟，而且该时间段内的平均电流不超过额定电流，否则会报过电流而停机，该类故障一般可以恢复。如果是在启动过程中出现过电流，主要是负载转矩过大，导致起动电流超出变频器内部的保护曲线，可以通过把参数启动时间设置的稍长一点，或是把负载转矩降低。但是在提升类设备中，不能降低转矩，可设置启动时间和自动转矩提升参数才完成变频器的正常工作。② IBGT饱和故障，该类故障不能复位，引起该故障的主要原因是IGBT的C、E两极之间的电压超过一定阀值造成的，如果出现这类故障复位再启动会造成IGBT短路出现炸裂，导致变频器更大的损坏。
4）辅助控制电路：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。常见故障有：① 驱动电路故障，驱动电路用于驱动逆变器IGBT，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，有条件的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 其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。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（过电流）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。
3 变频器的维护
3.1 日常维护
1）操作面板检查：外观、指示灯、显示有无异常；
2）各处电源检查：用整流型电压表检查各处电压情况；
3）三相应该平衡且各相电压值在正常范围内，直流电压值在正常范围内，否则停机检查；
4）线路检查：各处导线有无发热、变形及松动；
5）冷却风机检查：转速是否正常，灰尘及油垢清理；
6）散热器检查：温度是否正常，正常时不烫手；
7）振动检查：手摸外壳，无剧烈振动感，否则，可加橡胶垫或利用变频器的回避频率设置功能避开共振点；
8）注意变频器周围的异味；