变频器的故障排除及维修

变频器的故障排除及维修
本文以风光牌变频调速器为例，介绍了变频器的故障排除及维修知识，为广大的风光牌变频器用户及维修人员提供一点使用常识，供大家参考。
引言：IGBT变频调速器，自研制开发投入市场以来，以其优越的调速性能，可观的节能量已为广大的电机用户所接受，正以每年大规模的销售量走向社会，为电力、建材、石油、化工、煤矿等各行业的发展提供了优质的服务，其用户群已遍布生产的各行各业，成为广大用户所喜爱的产品。
　
　　但是，任何事情都有一分为二的方面，产品的作用虽大，也有其缺憾的地方，特别在生产的运行中，因为一点点故障、一些不可欲知的问题，往往也给生产带来较大的损失，甚至于停产待修。这种情况在生产相对紧张、效益较高的场合，矛盾尤其突出。因此为了帮助客户正确地判断变频器运行当中的一些问题，迅速的进行一些相关的处理，对于企业的生产及运作无疑将是很有意处的。
　　这里笔者结合自己在长期的售后服务工作中经历的一些常见故障及处理方法，提出来与广大的用户及维修工作者进行探讨，以期把该产品使用得更好，更切实的为顾客服务。
一、变频器运行中有故障代码显示的故障
　　在变频器的使用说明书中，有一栏具体阐述了变频器有故障代码显示的故障，具体见表一。
　　　　表一：
保护结果及保护指示 保护类型 保护原因
立即停机，0 短路保护 线路短路
停机，1 过流保护 I>160％I。
停机，2 缺相保护 输出缺相
停机，3 输入过压保护 Vin>120％V。
停机，4 输入欠压保护 Vin<80％V。
停机，5 温升过高保护 T>75℃
停机，6 外部异常停机 外部系统有异常
停机，数码全灭，只有小数点亮 干扰保护 电磁干扰太强
不停机 限速保护，自动调整上升或下降的速度 I>120％I。
　　　　注： ◆ I。、V。分别是输出额定电流、输入额定电压,Vin是输入电压。
现就这几种情况作一下分析。
（一）、短路保护
　　若变频器运行当中出现短路保护，停机后显示“0”，说明是变频器内部或外部出现了短路因素。这有以下几方面的原因：

1、负载出现短路
　　这种情况下如果把负载甩开，即将变频器与负载断开，空开变频器，变频器应工作正常。这时我们用兆欧表（或称摇表）测量一下电机绝缘，电机绕组将对地短路，或电机线及接线端子板绝缘变差，此时应检查电机及附属设施。

2、变频器内部问题
　　如果上述检测后负载无问题，变频器空开仍出现短路保护，这是变频器内部出现问题，应予以排除。如下图1示。

图1
　　逆变桥的模块当中，若IGBT的某一个结击穿，都会形成短路保护，严重的若桥臂击穿，甚至于送不上电，前面的断路器将跳闸。这种情况一般只允许再送一次电，以免故障扩大，造成更大的损失，应联系厂家进行维修。

3、变频器内部干扰或检测电路有问题
　　有些机子内部干扰也易造成此类问题，此时变频器并无太大的问题，只是不间断的、无规律的出现短路保护，即所谓的误保护，这就是干扰造成的。
　　变频器的短路保护一般是从主回路的正负母线上分流取样，用电流传感器经主控板的检测传至主控芯片进行保护的，因此这些环节上任何一处出现问题，都可能造成故障停机。
对于干扰问题，现低压大功率的及中高压变频器都加了光电隔离，但也有出现干扰的，主要是电流传感器的控制线走线不合理，可将该线单独走线，远离电源线、强电压、大电流线及其他电磁辐射较强的线，或采用屏蔽线，以增强抗干扰能力，避免出现误保护。
　　对于检测电路出现的问题，一般是电流传感器、取样电阻或检测的门电路问题。电流传感器应用示波器检测，其正常波形应如图2示。

图2

　　若波形不好或出现杂乱波形甚至于无波形，即说明电流传感器有问题，可更换一只新的。对取样电阻问题，有的机子使用时间长了，其阻值会变大，甚至于断路，用万用表可检测出来，应予以更换成原来的阻值的或少小一些的。
　　对于检测的门电路，应检查在静态时的工作点，若状态不对应更换之。

4、参数设置问题
　　对于提升机类或其他（如拉丝机、潜油电泵等）重负荷负载，需要设置低频补偿。若低频补偿设置不合理，也容易出现短路保护。一般以低频下能启动负载为宜，且越小越好，若太高了，不但会引起短路保护，还会使启动后整个运行过程电流过大，引起相关的故障，如IGBT栅极烧断，变频器温升高等。因此应逐渐加补偿，使负荷刚能正常启动为最佳。如图3示，V1为启动电压，V0为额定输出电压。

图3

5、在多单元并联的变频器中，若某一单元出现问题。势必使其他单元承担的电流大，造成单元间的电流不平衡，而出现过流或短路保护。因此对于多单元并联的变频器，应首先测其均流情况，发现异常应查找原因，排除故障。各单元的均流系数应不大于5%。
（二）、过流保护
　　变频器出现过流保护，代码显示“1”，一般是由于负载过大引起，即负载电流超过额定电流的1.5倍即故障停机而保护。这一般对变频器危害不大，但长期的过负荷容易引起变频器内部温升高，元器件老化或其他相应的故障。
　　这种保护也有因变频器内部故障引起的，若负载正常，变频器仍出现过流保护，一般是检测电路所引起，类似于短路故障的排除，如电流传感器、取样电阻或检测电路等。该处传感器波形如图4示，其包络类似于正弦波，若波形不对或无波形，即为传感器损坏，应更换之。

图4

　　过流保护用的检测电路是模拟运放电路，如图5示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5

　　在静态下，测A点的工作电压应为2.4V，若电压不对即为该电路有问题，应查找原因予以排除。R4为取样电阻，若有问题也应更换之。
　　过流保护的另一个原因就是缺相。当变频器输入缺相时，势必引起母线电压降低，负载电流加大，引起保护。而当变频器输出端缺相时，势必使电机的另外两相电流加大而引起过流保护。所以对输入及输出都应进行检查，排除故障。
（三）、过、欠压保护
　　变频器出现过、欠压保护，大多是由于电网的波动引起的，在变频器的供电回路中，若存在大负荷电机的直接启动或停车，引起电网瞬间的大范围波动即会引起变频器过、欠压保护，而不能正常工作。这种情况一般不会持续太久，电网波动过后即可正常运行。这种情况的改善只有增大供电变压器容量，改善电网质量才能避免。
　　当电网工作正常时，即在允许波动范围（380Ｖ±20%）内时，若变频器仍出现这种保护，这就是变频器内部的检测电路出现故障了。一般过欠压保护的检测电路如图6示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图6

　　当W1调节不当时，即会使过、欠压保护范围变窄，出现误保护。此时可适当调节电位器，一般在网电380V时，使变频器面板显示值（运行中按住“〈”键〉与实际值相符即可。当检测回路损坏时，如图中的整流桥、滤波电容或R1、W1及R2中任一器件出现问题，也会使该电路工作不正常而失控。如有的机子R1损坏造成开路，使该电路P点得不到电压，芯片即认为该处检测不对而出现欠压保护。P点的工作点范围为1.９~2.１V，即对应其电压波动范围。
　　对于提升机变频器，因回馈电网污染，增加了隔离电路，如图7示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图7

　　有时调节不当也会出现误保护，此时应根据电网的波动仔细调节。因提升机负载在运行中电网是波动的，在提升重物时，电压下降（有的可降20V），在下放时回馈电网电压升高，可根据这种变化进行调节，一般是增大W3，减小W4，直至在稳态下适合为止。
（四）、温升过高保护
　　变频器的温升过高保护（面板显示“5”），一般是由于变频器工作环境温度太高引起的，此时应改善工作环境，增大周围的空气流动，使其在规定的温度范围内工作。
　　再一个原因就是变频器本身散热风道通风不畅造成的，有的工作环境恶劣，灰尘、粉尘太多，造成散热风道堵塞而使风机抽不进冷风，因此对变频器内部用户应经常进行清理（一般每周一次）。也有的因风机质量差运转过程中损坏，此时应更换风机。
　　还有一种情况就是在大功率的变频器（尤其是多单元或中高压变频器）中，因温度传感器走线太长，靠近主电路或电磁感应较强的地方，造成干扰，此时应采取抗干扰措施。如采用继电器隔离，或加滤波电容等。如图8示。

　　 图8

（五）、电磁干扰太强
　　这种情况变频器停机后不显示故障代码，只有小数点亮。这是一种比较难处理的故障。包括停机后显示错误，如乱显示，或运行中突然死机，频率显示正常而无输出，都是因变频器内外电磁干扰太强造成的。
这种故障的排除除了外界因素，将变频器远离强辐射的干扰源外，主要是应增强其自身的抗干扰能力。特别对于主控板，除了采取必要的屏蔽措施外，采取对外界隔离的方式尤为重要。
　　首先应尽量使主控板与外界的接口采用隔离措施。我们在高中压及低压大功率变频器及提升机变频器中采用了光纤传输隔离，在外界取样电路（包括短路保护、过流保护、温升保护及过、欠压保护）中采用了光电隔离，在提升机与外界接口电路中采用了PLC隔离，这些措施都有效避免了外界的电磁干扰，在实践应用中都得到了较好的效果。
　　再一点就是对变频器的控制电路（主控板、分信号板及显示板）中应用的数字电路，如74HC14、74HC00、74HC373及芯片89C51、87C196等，应特别强调每个集成块都应加退耦电容，即如图9示。

　　　　 图9

　　每个集成块的电源脚对控制地都应加10UF/50V的电解电容并接103（0.01UF）的瓷片电容，以减小电源走线的干扰。对于芯片，电源与控制地之间应加电解电容10UF/50V并接105（1UF）的独石电容，效果会更好些。笔者曾对一些干扰严重的机型进行过以上处理，效果较好。
　　对这类故障应逐渐积累经验，不断寻求解决途径。有些机子使用时间太久，线路板上的滤波电容容量不够造成滤波效果差，造成变频器死机或失控，这种情况不太好处理，可更换一块新线路板，一般可解决问题。
二、变频器的其他故障
　　除以上有变频器故障代码显示的故障外，变频器还有一些非显示的故障，现分析如下，供大家参考。
（一）、主回路跳闸
　　这种故障表现为变频器运行过程中有大的响声（俗称“放炮”），或开机时送不上电，变频器控制用的断路器或空气开关跳闸。这种情况一般是由于主电路（包括整流模块、电解电容或逆变桥）直接击穿短路所致，在击穿的瞬间强烈的大电流造成模块炸裂而产生巨大响声。
　　关于模块的损坏原因，是多方面的，不好一概而论。现仅就笔者所遇到的几类情况加以列举。
　　1、整流模块的损坏大多是由于电网的污染造成的。因变频器控制电路中使用可控整流器（如可控硅电焊机、机车充电瓶等），使电网的波形不再是规则的正弦波，使整流模块受电网的污染而损坏，这需要增强变频器输入端的电源吸收能力。在变频器内部一般也设计了该电路。但随着电网污染程度的加深，该电路也应不断改进，以增强吸收电网尖峰电压的能力。
　　2、电解电容及IGBT的损坏主要是由于不均压造成的，这包括动态均压及静态均压。在使用日久的变频器中，由于某些电容的容量减少而导致整个电容组的不均压，分担电压高的电容肯定要炸裂。IGBT的损坏主要是由于母线尖蜂电压过高而缓冲电路吸收不力造成的。在IGBT导通与关断过程中，存在着极高的电流变化率，即　　　
　　di/dt，而加在IGBT上的电压即为
　　U=L* di/dt

　　其中L即为母线电感，当母线设计不合理，造成母线电感过高时，即会使模块承担的电压过高而击穿，击穿的瞬间大电流造成模块炸裂，所以减小母线电感是作好变频器的关键。我们改进电路采用的宽铜排结构效果较好。国外采用的多层母线结构值得借鉴。
　　3、再一个就是参数设置不合理。尤其在大惯量负载下，如离心风机、离心搅拌机等，因变频器频率下降时间过短，造成停机过程电机发电而使母线电压升高，超过模块所能承受的界限而炸裂。这种情况应尽量使下降时间放长，一般不低于300秒，或在主电路中增加泄放回路，采用耗能电阻来释放掉该能量。如图10示。

　　 图10　　R即为耗能电阻。在母线电压过高时，使A管导通，使母线电压下降，正常后关断。使母线电压趋于稳定，保证主器件的安全。
　　4、当然模块炸裂的原因还有很多。如主控芯片出现紊乱，信号干扰造成上下桥臂直通等都容易造成模块炸裂，吸收电路不好也是其直接原因，应分别情况区别对待，以期把变频器作的更好。
（二）、延时电阻烧坏
　　这主要是由于延时控制电路出问题造成的。
　　1、在变频器延时电路中，大多是用的晶闸管（可控硅）电路，当其不导通或性能不良时，就可造成延时电阻烧坏。这主要是开机瞬间造成的。
　　2、在变频器运行过程当中，当控制电路出现问题，有的是由于主电路模块击穿，造成控制电路电压下降，使延时可控硅控制电路工作异常，可控硅截止使延时电阻烧坏。也有的是控制变压器供电回路出现问题，使主控板失去电压瞬间造成可控硅工作异常而使延时电阻烧坏。
（三）、只有频率而无输出
　　这种故障一般是IGBT的驱动电路受开关电源的控制的电路中，当开关电源或其驱动的功率激励电路出现故障时，即会出现这种问题。如图11示。

　 图11

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图12
　　在风光变频器中，开关电源一般是选30～35V，±15V或±12V，功率激励的输出为一方波，其幅度为±35V，频率在70K左右。检测这几个电压值，用示波器测量功率激励的输出即可加以判别。但更换这部分器件后，应加以调整，使驱动板上的电压符合规定值（+15V、-10V）为宜。
（四）、送电后面板无显示
　　这主要是提升机类变频器常出现的故障，因此类变频器主控板用的电源为开关电源，当其损坏时即会使主控板不正常而无显示。
　　这种电源大多是其内部的熔断器损坏造成的。因在送电的瞬间开关电源受冲击较大，造成保险丝瞬间熔断，可更换一个合适的熔断器即可解决问题。有的是其内的压敏电阻损坏，可更换一支新的开关电源。
（五）频率不上升
　　即开机后变频器只在“2.00”HZ上运行而不上升，这主要是由于外控电压不正常所致。变频器的外控电压是通过主控板的16脚端子引入的，若外控电压不正常，或16脚的内部运放出了问题，即会引起该故障。

图13

　　这时请检查调节频率用的电位W2(3.9K)，测量一下16脚有无0～5V的电压，进而检测运放电路C点工作是否正常。若16脚电压正常，而C点无输出，一般是运放的工作电压不正常所致，应检查其供电电压是否正常或运放是否损坏等。
三、变频器所出现的故障很多，正象维修其他电器一样，有很多是意想不到的问题，需要我们认真分析，弄清工作原理，逐步的把其电路学深学透，才能把握其本质，快速而准确的处理问题，从而更快、更好的服务于用户。
　　本文只是在作者维修经验的基础上，对变频器的一些常见故障进行了分析探讨，在工作中还需要不断的分析、总结，积累一些常见的维修技巧，为用户排忧解难。也使我们的产品在应用过程中不断改进、升华，使其做的更好，更全面、更完善的服务于广大的用户，尽量少出问题、不出问题，出了问题能及时解决，这正是我们的期望所在。
参考文献： 1、ㄍ风光变频器使用说明书》
2、王鹏飞 《变频器世界》 2005、4
《变频器的谐波干扰干扰及防止对策》
作者简介
周加胜 男 工程师 1990年毕业于山东工业大学电机系工业电气自动化专业，现在山东风光电子有限公司从事变频器的研发工作。