變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的重要發(fā)展方向，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，變頻交流調(diào)速已經(jīng)逐漸取代了過(guò)去的滑差調(diào)速、變極調(diào)速、直流調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)。變頻器作為交流調(diào)速的主要裝置，不僅調(diào)速平滑，調(diào)速范圍大，啟動(dòng)電流小，而且節(jié)能效果明顯，在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。因此，對(duì)于變頻器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的研究，確證設(shè)備的正常運(yùn)行對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

2 變頻器基本結(jié)構(gòu)

通用型變頻器大致包括幾個(gè)部分：a整流電路；b直流中間電路；c逆變電路；d控制電路。其中產(chǎn)生可調(diào)電壓和可調(diào)頻率的逆變電路是變頻器的核心技術(shù)。變頻器從結(jié)構(gòu)上分為交-交變頻器與交-直-交變頻器，從變頻性質(zhì)上主要分為電壓源型變頻器與電流源型變頻器。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的變頻器主要以電壓源型交-直-交變頻器為主，其主電路結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。

圖2-1 變頻器主電路圖

其中IGBT構(gòu)成了變頻器主要硬件，圖2-1中主電路功能有整流電路、濾波電路、逆變電路、限流電路、制動(dòng)電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路七個(gè)部分。

2.1整流電路

由 ～ 組成三相橋式全波整流電路，將三相交流電整流為直流電。

2.2濾波電路

整流電路輸出的直流電壓為脈動(dòng)的直流電壓，因而需濾波電路濾去電壓波紋，同時(shí)它還在整流電路與逆變電路中起到儲(chǔ)能作用。

2.3逆變電路

由開(kāi)關(guān)管 ～ 構(gòu)成逆變電路將直流電壓逆變成三相頻率、電壓可調(diào)的交流電以驅(qū)動(dòng)三相電動(dòng)機(jī)，是變頻器實(shí)現(xiàn)變頻的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.4限流電路

由限流電阻R及開(kāi)關(guān) 構(gòu)成，由于上電瞬間濾波電容端電壓為零，上電瞬間電容充電電流較大，過(guò)大的電流可能損壞整流電路，為保護(hù)整流電路在變頻器上電瞬間限流電阻串聯(lián)到直流回路中，當(dāng)電容充電到一定時(shí)間后通過(guò)開(kāi)關(guān) 將電阻短路。

2.5制動(dòng)電路

由制動(dòng)電阻 及開(kāi)關(guān)管 構(gòu)成，主要作用是用于消耗電動(dòng)機(jī)反饋回來(lái)的能量，避免過(guò)高的泵升電壓損壞變頻器；變頻器功率在18.5 kW以下的機(jī)型，主電路主要采用集整流、逆變、制動(dòng)電路和溫度檢測(cè)為一體的七單元模塊構(gòu)成，22 kW及以上的機(jī)型采用整流模塊和三路兩單元逆變模塊構(gòu)成。

2.6驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路是將主控電路中CPU產(chǎn)生的六個(gè)PWM信號(hào)，經(jīng)光電隔離和放大后，作為逆變電路的換流器件提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路因換流器件的不同而異。目前，一些開(kāi)發(fā)商開(kāi)發(fā)了許多適宜各種換流器件的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)模塊。大部分的變頻器采用驅(qū)動(dòng)電路。圖2-2是較常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)電路，從修理的角度考慮，驅(qū)動(dòng)電路由隔離放大電路、驅(qū)動(dòng)放大電路和驅(qū)動(dòng)電路電源組成。三個(gè)上橋臂驅(qū)動(dòng)電路是三個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電源電路，三個(gè)下橋臂驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)公共的驅(qū)動(dòng)電源電路。

圖2-2  驅(qū)動(dòng)電路

2.7保護(hù)電路

每個(gè)品牌的變頻器都有保護(hù)功能，有常規(guī)的檢測(cè)保護(hù)電路，軟件綜合保護(hù)功能。有些變頻器的驅(qū)動(dòng)電路模塊、智能功率模塊、整流逆變組合模塊等都具有保護(hù)功能。圖2-3所示的電路是較典型的過(guò)流檢測(cè)保護(hù)電路。由電流取樣、信號(hào)隔離放大、信號(hào)放大輸出三部分組成。

圖2-3  電流檢測(cè)保護(hù)電路(U相)

3 變頻器故障類(lèi)型及產(chǎn)生原因

3.1故障類(lèi)型

盡管變頻器已采用多種新型部件和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，但從目前的元件技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)性考慮，仍不可避免的采用了壽命相對(duì)較短的零部件。與此同時(shí)，還不排除零部件受到安裝環(huán)境的影響，其壽命可能要比預(yù)期的時(shí)間要短。變頻器的故障率與使用時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖3-1所示。

圖3-1  變頻器故障率與使用時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)

在圖3-1中，初期故障是指變頻器在安裝調(diào)試和初期運(yùn)行階段，由于元器件的某種缺陷或某種外部原因而發(fā)生故障。元器件經(jīng)過(guò)器件制造廠(chǎng)家出廠(chǎng)檢測(cè)，變頻器生產(chǎn)廠(chǎng)家進(jìn)廠(chǎng)入庫(kù)前的抽樣檢測(cè)，以及變頻器出廠(chǎng)前經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的整機(jī)檢測(cè)，能使變頻器故障率降低到比較低程度。由于個(gè)別器件存在隱患和現(xiàn)場(chǎng)安裝及初期運(yùn)行時(shí)誤操作，致使這一期間變頻器故障率較高。

　  當(dāng)變頻器投入正常使用后，在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)故障的情況明顯減少，這時(shí)的故障可能有變頻器內(nèi)部某個(gè)器件發(fā)生突發(fā)性故障，也可能是由于使用環(huán)境差，使變頻器內(nèi)部引起的故障。由于這種故障偶然性強(qiáng)、較難預(yù)料，故稱(chēng)為偶發(fā)故障。一般來(lái)說(shuō)，在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段有針對(duì)性地增加零部件的額定余量，在使用階段加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)是解決偶發(fā)故障的主要手段。

磨損故障是臨近使用壽命后期而發(fā)生的故障，主要特征是隨著時(shí)間的推移故障率明顯的增加。為了延長(zhǎng)變頻器的使用壽命，需要對(duì)變頻器進(jìn)行定期的檢查和保護(hù)，在預(yù)計(jì)零部件即將到達(dá)使用壽命時(shí)進(jìn)行更換，做到有備無(wú)患。

3.2故障原因

（1）外部原因。如操作錯(cuò)誤、參數(shù)設(shè)定不正確、負(fù)載過(guò)重、外部冷卻風(fēng)扇損壞、溫度過(guò)高、外界干擾、電網(wǎng)本身有問(wèn)題等。

（2）內(nèi)部原因。如電路短路、接地元件損壞、絕緣破壞、接插件接觸不良、模塊損壞等。

4 變頻器的故障診斷與維修

由于使用方法的不正確或設(shè)置環(huán)境的不合理，將容易造成變頻器誤動(dòng)作及發(fā)生故障，常用的故障診斷方法有：（1）故障樹(shù)診斷法；（2）人工與自診斷結(jié)合法；（3）對(duì)比診斷法。但是在實(shí)際的故障中，應(yīng)當(dāng)對(duì)故障原因進(jìn)行認(rèn)真分析，排除變頻器外圍電路和機(jī)械部分故障后，針對(duì)變頻器的電路結(jié)構(gòu)，結(jié)合故障現(xiàn)象和變頻器主電路結(jié)構(gòu)框圖，對(duì)實(shí)際電路故障進(jìn)行分析和診斷。

4.1主回路跳閘

該故障表現(xiàn)為變頻器運(yùn)行過(guò)程中有大的響聲，或開(kāi)機(jī)時(shí)送不上電，變頻器控制用的斷路器或空氣開(kāi)關(guān)跳閘。這種情況一般是由于主電路(包括整流模塊、電解電容或逆變橋)直接擊穿短路所致，在擊穿的瞬間強(qiáng)烈的大電流造成模塊炸裂而產(chǎn)生巨大響聲。引起這類(lèi)故障的主要原因有以下幾種情況：

4.1.1整流模塊損壞的原因

整流模塊損壞的主要原因有：（1）器件本身質(zhì)量不好；（2）后級(jí)電路，逆變功率開(kāi)關(guān)元件損壞，導(dǎo)致整流橋流過(guò)短路電流而損壞；（3）電網(wǎng)電壓太高，電網(wǎng)遇雷擊和過(guò)電壓浪涌。電網(wǎng)內(nèi)阻小，過(guò)壓保護(hù)的壓敏電阻已經(jīng)燒毀，不起作用，導(dǎo)致全部過(guò)壓加到整流橋上；（4）變頻器與電網(wǎng)的電源變壓器太近，中間的線(xiàn)路阻抗很小，變頻器沒(méi)有安裝直流電抗器和輸入側(cè)交流電抗器，使整流橋處于電容濾波的高幅度尖脈沖電流的沖擊狀態(tài)下，整流橋損壞；（5）三相輸入缺相，使整流橋負(fù)擔(dān)加重而損壞。

為保證整流模塊的正常作用，要解決這類(lèi)電網(wǎng)波形畸變的有效方法是：（1）在配電變壓器后面的變頻器的總負(fù)載容量不要太大，一般應(yīng)小于配電變壓器容量的1/10以下；（2）變頻器要配置直流電抗器和輸入側(cè)交流電抗器，而且選擇電抗器的電感數(shù)值應(yīng)當(dāng)大一些為好。直流電抗器電感量越大，電流連續(xù)性越好，對(duì)功率因數(shù)改善越有利。

4.1.2 IGBT損壞的原因

IGBT的損壞主要是由于均壓造成的，這包括動(dòng)態(tài)均壓和靜態(tài)均壓。具體包括：（1）在使用較久的變頻器中，由于某些電容的容量減少而導(dǎo)致整個(gè)電容組的不均壓，分擔(dān)電壓高的電容容易炸裂。IGBT的損壞主要是由于母線(xiàn)尖峰電壓過(guò)高而緩沖電路吸收不利造成的。在IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷過(guò)程當(dāng)中，存在著極高的電流變化率，當(dāng)母線(xiàn)設(shè)計(jì)不合理，造成母線(xiàn)電感過(guò)高時(shí)，就會(huì)使模塊承擔(dān)的電壓過(guò)高而被擊穿，擊穿的瞬間大電流造成模塊炸裂，所以減小母線(xiàn)電感是保護(hù)變頻器的關(guān)鍵；（2）在IGBT的前級(jí)光電隔離器件因擊穿導(dǎo)致功率器件也被擊穿，或印制板在隔離器件部位因塵埃、潮濕造成打火擊穿，導(dǎo)致IGBT損壞；（3）雷擊、房屋漏水人浸，異物進(jìn)入、檢查人員誤碰等意外，也會(huì)可能導(dǎo)致IGBT被擊穿。只有先查找損壞的根本原因，才能決定是否更換逆變模塊，消除再次損壞的可能。

為保證IGBT工作正常，相應(yīng)的解決辦法有：（1）使IGBT同絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管一樣避免靜電損壞，在裝配焊接中防止損壞的根本措施是：使要修理的機(jī)器、IGBT模塊、電烙鐵、人、操作工作臺(tái)墊板等全部處在同一電場(chǎng)電位下進(jìn)行操作。全部連接的公共點(diǎn)如果都能接地就更好，特別是電烙鐵頭上不能帶有示電高電位，示波器電源要用隔離良好的變壓器隔離。IGBT模塊在未使用前要保持控制極G與發(fā)射極E接通，不得隨意去掉該器件出廠(chǎng)前的防靜電保護(hù)GE連通措施；（2）功率模塊與散熱器之間涂導(dǎo)熱硅脂，保證涂層厚度為0.1mm～0.25 mm，接觸面80％以上，緊固力矩按緊固螺釘大小施加(M4 13 kg