變頻器常見故障及處理措施分析

摘要：變頻調(diào)速技術(shù)為工業(yè)行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)調(diào)整及業(yè)務(wù)擴(kuò)展提供了技術(shù)支持，但是變頻器在實(shí)際運(yùn)用中難免會(huì)出現(xiàn)不同類型的故障，為了確保變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用效能，需要針對(duì)不同故障采取針對(duì)性處理措施。為此，本文首先分析了變頻器工作原理及主要功能，其次分析了變頻器故障診斷方法，最后分析了變頻器常見故障及處理措施，以期為變頻器故障診斷及處理提供參考。

關(guān)鍵詞：變頻器? 常見故障? 故障診斷方法? 故障處理措施

變頻器是變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用載體，是電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)智能控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各項(xiàng)工業(yè)生產(chǎn)、加工設(shè)備轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，同時(shí)具備過載能力較強(qiáng)、動(dòng)態(tài)特性良好等應(yīng)用性能，為電氣傳動(dòng)控制領(lǐng)域發(fā)展帶來了質(zhì)的提高。受到工作環(huán)境、運(yùn)行性能、運(yùn)行時(shí)間、使用方法、參數(shù)設(shè)置等因素的影響，變頻器難免會(huì)出現(xiàn)不同類型的故障，因此，做好常見故障原因及表現(xiàn)分析極其重要，只有基于常見故障分析結(jié)果，才能夠制定故障防范及處理措施。

1 變頻器工作原理及主要功能

1.1 變頻器工作原理

圖1為變頻器內(nèi)部電路，基于此電路，可以總結(jié)變頻器工作原理如下：變頻器將單相、三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，隨后再將直流電轉(zhuǎn)換為單相、三相交流電，并且在轉(zhuǎn)換過程中調(diào)節(jié)輸出頻率、電壓，從而改變?cè)O(shè)備電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

以交流異步電機(jī)為例，其同步轉(zhuǎn)速表達(dá)公式為： ，其中，n表示電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，f表示動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)功率，s表示電機(jī)轉(zhuǎn)差率，p表示電機(jī)極對(duì)數(shù)。通過公式可知，n與f成正比關(guān)系，表示更改f便能夠調(diào)節(jié)n，變頻器對(duì)于f的調(diào)節(jié)范圍為0～50Hz。變頻器通過改變?cè)O(shè)備電機(jī)電源頻率來完成電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)作業(yè)，能夠令設(shè)備電機(jī)以較小的啟動(dòng)電流獲得較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而啟動(dòng)重載負(fù)荷，如圖1所示。

1.2 變頻器主要功能

（1）變頻節(jié)能功能。為了確保工業(yè)生產(chǎn)、加工設(shè)備運(yùn)行安全性能，避免設(shè)備出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)行情況，設(shè)備動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)都會(huì)預(yù)留出一定空間，盡管能夠滿足電機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)需求，但是多余的力矩可能會(huì)增加電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)功率，從而造成電力資源浪費(fèi)。變頻器的應(yīng)用能夠調(diào)節(jié)電機(jī)電流，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)變成固定的交流電，從而將電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)功率控制在既定范圍內(nèi)，獲得節(jié)能效果[1]。

（2）軟啟動(dòng)節(jié)能功能。設(shè)備電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)刻會(huì)對(duì)所在電力系統(tǒng)造成一定力度的沖擊，沖擊力度與電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)功率成正比關(guān)系，傳統(tǒng)啟動(dòng)方式導(dǎo)致的沖擊力度往往較大。變頻器的應(yīng)用能夠確保設(shè)備電機(jī)從零開始啟動(dòng)，使得傳統(tǒng)啟動(dòng)方式被軟啟動(dòng)方式代替，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電流的最大限度控制，減輕電機(jī)啟動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)的沖擊，在節(jié)能的同時(shí)，延長(zhǎng)電機(jī)應(yīng)用壽命[2]。

2 變頻器故障診斷方法

2.1 對(duì)比診斷法

對(duì)比診斷法指的是通過對(duì)比故障表現(xiàn)的方式確定故障原因，如更換某一元件與不更換該元件，切斷電路與不切斷電路，對(duì)比兩種變化產(chǎn)生的現(xiàn)象，來明確故障發(fā)生位置。例如，某高壓給水泵在啟動(dòng)時(shí)報(bào)警，顯示為高壓給水泵變頻器B2模塊故障，更換B2模塊后，故障解除，表明B2模塊為故障源;如果故障沒有解除，表明B2模塊不是故障源，需要進(jìn)行其他元件排查，同樣可以運(yùn)用對(duì)比診斷法。對(duì)比診斷法適合應(yīng)用在變頻器故障類型較少的情況下，往往能夠直接明確故障類型，提高后續(xù)故障處理精準(zhǔn)程度[3]。

2.2 故障樹診斷法

需要列出常見的變頻器故障類型，隨后從硬件設(shè)施、軟件體系、運(yùn)行環(huán)境、人為操作等角度，分析不同故障發(fā)生的直接原因和間接原因，將這些原因通過邏輯關(guān)系關(guān)聯(lián)起來，按照原因發(fā)生的先后順序形成故障樹診斷體系。當(dāng)變頻器故障發(fā)生后，便能夠基于故障樹診斷體系，按照從下到上的順序逐步確定故障原因，直到找到故障原因?yàn)橹埂９收蠘湓\斷法適合應(yīng)用在無法直觀診斷變頻器故障類型、故障類型較多的情況下，往往能夠提高故障診斷效率，為后續(xù)故障處理提供便利條件。

2.3 自動(dòng)診斷與人工診斷結(jié)合法

目前，市面上生產(chǎn)的大部分變頻器都具備自動(dòng)診斷功能，但是該功能主要面向故障類型、性質(zhì)、位置等基本信息，難以判斷故障發(fā)生原因，而發(fā)生原因則是的關(guān)鍵信息。為了彌補(bǔ)自動(dòng)診斷法的局限性，可以聯(lián)合人工診斷法共同應(yīng)用，技術(shù)人員根據(jù)自動(dòng)診斷信息縮小變頻器故障排查范圍，從而快速確定故障位置及故障發(fā)生原因。自動(dòng)診斷與人工診斷結(jié)合法適合應(yīng)用在大部分變頻器故障診斷中，往往完成對(duì)故障的逐一排查，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量高效率故障處理[4]。

3 變頻器常見故障及處理措施分析

3.1 過載故障

過載故障主要分為傳感器過載故障、電機(jī)過載故障兩種類型，故障發(fā)生原因有傳感器負(fù)載過大、加速時(shí)間較短、直流制動(dòng)量過大等。過載故障發(fā)生時(shí)，變頻器面板上會(huì)顯示“Excessive Drive Losses”。

過載故障處理措施包括延長(zhǎng)加速時(shí)間、延長(zhǎng)制動(dòng)時(shí)間等?；谧冾l器特性，當(dāng)設(shè)備變頻器電流突然變?yōu)轱柡碗娏骱?，變頻器運(yùn)行功率也會(huì)超出額定功率，在運(yùn)行功率超過額定功率95%的情況下，變頻器便會(huì)實(shí)施自我保護(hù)動(dòng)作，具體自我保護(hù)動(dòng)作需要視說明書而定，但是均會(huì)導(dǎo)致跳閘?？梢?，如果設(shè)備變頻器長(zhǎng)期未運(yùn)行或停運(yùn)之后第一次上電，一定要控制好上電速度，從而延長(zhǎng)加速時(shí)間及制動(dòng)時(shí)間，規(guī)避過載故障。需要注意的是，如果過載情況較為嚴(yán)重，需要更換功率更大的變頻器或電機(jī)。

3.2 過熱故障

過熱故障屬于危害性最高的變頻器故障類型，也是需要重點(diǎn)規(guī)避的變頻器故障類型。過熱故障主要表現(xiàn)為變頻器實(shí)際運(yùn)行溫度超過額定溫度值，會(huì)對(duì)變頻器應(yīng)用性能造成嚴(yán)重影響，如果過熱故障多次發(fā)生或者是單次故障較為嚴(yán)重，便會(huì)降低變頻器應(yīng)用性能，甚至導(dǎo)致變頻器直接損壞[5]。

過載故障處理措施包括延長(zhǎng)加速時(shí)間、延長(zhǎng)制動(dòng)時(shí)間等。例如，某高壓給水泵變頻器在接入高壓電源后，發(fā)生了過載故障，導(dǎo)致高壓給水泵跳閘。通過分析，發(fā)現(xiàn)高壓給水泵變壓器由于長(zhǎng)期未運(yùn)行產(chǎn)生了絕緣介質(zhì)變化，再加上加速時(shí)間較短，對(duì)電力系統(tǒng)造成了較大力度的電流沖擊;由于變換器功率單元電解電容器電壓不能突然變化，只能導(dǎo)致電流突然變化情況，使得電解電容器在運(yùn)行后也會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成電流沖擊?；谧冾l器特性，當(dāng)設(shè)備變頻器電流突然變?yōu)轱柡碗娏骱螅冾l器運(yùn)行功率也會(huì)超出額定功率，在運(yùn)行功率超過額定功率95%的情況下，變頻器便會(huì)實(shí)施自我保護(hù)動(dòng)作，具體自我保護(hù)動(dòng)作需要視說明書而定，但是均會(huì)導(dǎo)致跳閘?？梢姡绻O(shè)備變頻器長(zhǎng)期未運(yùn)行或停運(yùn)之后第一次上電，一定要控制好上電速度，從而延長(zhǎng)加速時(shí)間及制動(dòng)時(shí)間，規(guī)避過載故障。需要注意的是，如果過載情況較為嚴(yán)重，需要更換功率更大的變頻器或電機(jī)。

3.2 短路故障

短路故障發(fā)生時(shí)，變頻器面板上會(huì)顯示“Short Circuit Fault”。短路故障處理流程如下：檢查變頻器內(nèi)部電路是否能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，即是否存在短路問題;如果內(nèi)部電路不存在短路問題，檢查功率模塊是否發(fā)生故障，具體可以應(yīng)用對(duì)比診斷法，即更換功率模塊，如果更換模塊后，短路故障得以解決，便可以確定為功率模塊故障，更換功率模塊即可，后續(xù)模塊故障檢查同樣如此。盡管導(dǎo)致短路故障的原因較多，但是這些故障的診斷和檢查難度往往較低，只要通過逐一排查發(fā)現(xiàn)故障位置，隨后對(duì)故障內(nèi)部器件進(jìn)行維修或更換即可。

此外，盡管短路故障不會(huì)對(duì)變頻器應(yīng)用性能造成嚴(yán)重影響，但是如果短路故障發(fā)生頻率過高，難免會(huì)對(duì)變頻器正常運(yùn)行產(chǎn)生干擾。并且，如果技術(shù)人員在變頻器拆解過程中出現(xiàn)疏忽，導(dǎo)致短路故障無法被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，會(huì)延長(zhǎng)故障處理時(shí)間。為了合理規(guī)避短路故障，可以定期展開變頻器短路故障排查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)變頻器內(nèi)部電路短路隱患。由此可見，通過合理應(yīng)用及定期檢查，能夠大概率規(guī)避變頻器短路故障，需要提高對(duì)變頻器后期檢查和維護(hù)作業(yè)的重視程度。

3.4 過電流故障

過電流故障屬于常見的變頻器故障類型，過電流故障發(fā)生時(shí)，變頻器面板上會(huì)顯示“IOC”。變頻器中可能發(fā)生過電流故障的位置較多，不同故障發(fā)生位置導(dǎo)致的故障表現(xiàn)不同，適用的故障處理措施同樣不同。當(dāng)變頻器電源電壓超過極限或缺相、輸出缺相時(shí)，設(shè)備電機(jī)轉(zhuǎn)矩均會(huì)減小，從而導(dǎo)致過電流故障。故障處理措施為及時(shí)調(diào)節(jié)過高或過低變頻器電源電壓。變頻器參數(shù)設(shè)定值不合理會(huì)導(dǎo)致過電流故障。例如，某高壓給水泵變頻器發(fā)生了過電流故障，通過分析，發(fā)現(xiàn)為IO板誤報(bào)，并且發(fā)現(xiàn)變頻器電流過載保護(hù)參數(shù)設(shè)定值較低，因此更換了IO板，同時(shí)將電流過載保護(hù)參數(shù)設(shè)定值從原來的1.5調(diào)整為2。

3.5 過電壓故障

過電壓故障屬于發(fā)生率最高的變頻器故障類型，這是因?yàn)樵O(shè)備電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速難免會(huì)略高于實(shí)際轉(zhuǎn)速，從而令電機(jī)進(jìn)入到發(fā)電狀態(tài)下，使得變頻器輸入電壓有效值高于額定電壓有效值[6]。如果變頻器未安裝相應(yīng)制動(dòng)單元，當(dāng)變頻器處于慣性負(fù)載狀態(tài)時(shí)，由于減速時(shí)間較短，會(huì)在減速過程中出現(xiàn)電壓輸出速度過快的情況，慣性負(fù)載也會(huì)隨著自身電阻的降低而減少，最終令設(shè)備負(fù)載驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過變頻器輸出頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)設(shè)備電機(jī)進(jìn)入到發(fā)電狀態(tài)后，變頻器由于缺少能量反饋單元，會(huì)出現(xiàn)支路電壓提高表現(xiàn)，一旦超過變頻器電壓過載保護(hù)參數(shù)設(shè)定值，便會(huì)導(dǎo)致過電壓故障。過電壓故障發(fā)生時(shí)，變頻器面板上會(huì)顯示“Line over voltage”。

例如，某高壓給水泵變頻器出現(xiàn)過電壓故障，通過分析，發(fā)現(xiàn)變頻器轉(zhuǎn)速反饋出現(xiàn)問題，初步判定是電機(jī)轉(zhuǎn)速未能與變頻器轉(zhuǎn)速同步，繼續(xù)檢查發(fā)現(xiàn)控制板件未出現(xiàn)問題，重新連接變頻器之后，過電壓故障得以解除。此外，在變頻器過電壓故障處理時(shí)，可以通過電壓表優(yōu)先檢查電力系統(tǒng)接口板測(cè)試點(diǎn)的電壓，因?yàn)榻涌诎宓念~定輸入電壓值大部分為3.8V，如果變頻器電壓超過4.2V，便達(dá)成了過電壓故障觸發(fā)條件;如果測(cè)量發(fā)現(xiàn)變頻器電壓超過4.2V，可以通過變更變頻器減速時(shí)間等運(yùn)行參數(shù)、增加相應(yīng)制動(dòng)單元等方式，有效解決過電壓故障。

3.6 單元件損壞故障

受到運(yùn)行時(shí)間及使用頻率的影響，變頻器各個(gè)單元件難免會(huì)出現(xiàn)磨損、銹蝕、損壞等品質(zhì)問題，導(dǎo)致單元件損壞故障，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致其他故障。單元件損壞故障發(fā)生時(shí)，變頻器面板上會(huì)顯示損壞單元件名稱，例如，電源故障會(huì)顯示“Power Supply”。

單元件損壞故障處理需要以具體的故障單元件信息為依據(jù)，針對(duì)不同故障單元件需要應(yīng)用針對(duì)性檢測(cè)方式，同時(shí)維修或者更換故障單元件。例如，某高壓給水泵變頻器出現(xiàn)停機(jī)跳高壓情況，通過分析，發(fā)現(xiàn)為電源故障，根據(jù)變頻器面板顯示信息，首先推斷故障電源單元件為直流+5V/±12V電源模塊，因此檢測(cè)UPS電源電壓，并且重啟此電源模塊，隨后電源單元件恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

3.7快速熔斷器損壞故障

快速熔斷器損壞故障發(fā)生原因有：變頻器側(cè)路電路故障、主控面板誤觸發(fā)、變頻器部件損壞等?？焖偃蹟嗥鲹p壞故障發(fā)生時(shí)，變頻器面板上會(huì)顯示“Quick Fuse Failure”。

快速熔斷器損壞故障的處理難度較低，只需要通過萬用表檢測(cè)變頻器電流輸出與輸入情況，如果檢測(cè)結(jié)果顯示整流模塊能夠保持正常運(yùn)行狀態(tài)，并且變頻器未出現(xiàn)其他類型故障，便可以判定為快速熔斷器損壞故障?？焖偃蹟嗥鲹p壞故障基本無法通過維修解決，只能選擇更換故障快速熔斷器。

4 結(jié)語

常見的變頻器故障診斷方法包括對(duì)比診斷法、故障樹診斷法、自動(dòng)診斷與人工診斷結(jié)合法，常見的變頻器故障包括過載故障、過熱故障、短路故障、過電流故障、過電壓故障、單元件損壞故障、快速熔斷器損壞故障等，并且不同故障的處理措施不同。由此可見，技術(shù)人員需要在掌握變頻器工作原理及主要功能的基礎(chǔ)上，不斷總結(jié)適合不同品牌、型號(hào)變頻器的故障診斷及處理流程，不但能夠解決現(xiàn)階段變頻器故障，還能夠?yàn)楹罄m(xù)變頻器故障處理提供技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 欒成寶.基于PLC與變頻器的節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2020（18）：116-117.

[2] 黃東啟，單學(xué)彪，何嘉希，等.靜止變頻器分階段啟動(dòng)控制策略研究[J].電力工程技術(shù)，2020，39（6）：184-190.

[3] 梁紅梅.自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)臺(tái)中MM440變頻器常見故障的原因分析及處理[J].電世界，2020（4）：53-55.

[4] 張存輝，李雪民.多電平交-直-交變頻器常見故障及處理[J].電世界，2020（8）：52-54.

[5] 謝敬青.變頻器故障診斷與容錯(cuò)控制[J].電子技術(shù)，2021，50（11）：98-99.

[6] 金哲.變頻器在大型火電廠中的應(yīng)用研究[D].北京：華北電力大學(xué)（北京），2017.

[7] 田仕林.針對(duì)變頻器電壓暫降故障改造思路分析[J].科技資訊，2021，19（33）：42-44.

作者簡(jiǎn)介：范鵬章，（1967—），男，本科，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。