变频器的概述与应用及其常见问题的处理

摘要：变频器在交流拖动系统应用中呈现优良的控制性，可以实现软起动和无级调速，进行加减速控制，使电动机获得高性能，而且具有显著的节能效果。所以应用变频调速可以提高生产机械的控制精度、生产效率和产品质量，从而利于实现生产过程的自动化。因此变频器近年来在工业生产各环节得到了广泛的应用。

1、变频器的概念

一、变频器的概念及组成

变频器是一种用来改变交流电频率的电气设备。此外，它还具有改变交流电电压的辅助功能。过去，变频器一般被包含在电动发电机、旋转转换器等电气设备中。随着半导体电子设备的出现，人们已经可以生产完全独立的变频器。

2、变频器主要是由主电路、控制电路组成。

1）、 主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

（1）整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。（2）平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。

（3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。

2）、控制电路是给异步电动机供电压的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。

二、变频器的选型

选用变频器要按照生产机械的类型、调速范围、静态速度精度、起动转矩的要求，决定选用那种控制方式的变频器。通常负载有三种类型：恒转矩负载、风机泵类负载和恒功率负载。因此选用变频器首先要搞清电动机所带负载的性质。不同负载类型，选不同类型的变频器。并且两者功率要相互匹配。良好的选型是保证变频器长周期安全运行的前提。

三、变频器推广应用

变频器在交流电机拖动应用中，其优势有目共睹。但是一些企业在新上和改建项目过程中往往对变频器的应用不予考虑，其中设备投资高是主要原因，主观认为电动机控制采用传统的控制方式能够节省不小的投资，这种观念实际上进入了一个误区。传统控制方式一般采用星-角转换和自藕变压器启动，从控制端到电动机之间需要两条电缆，在中等规模以上企业由于电动机的控制均是集中控制，那么电缆大都有一定的长度。所以变频器与传统控制方式相比，虽然设备投资高，但是节约了一条电缆， 而且近年来电缆的价格一直在走高，因此55KW以上电机采用变频器控制的投资和传统控制方式相近，且技术产品质量都已成熟。另外其良好的节能性能，有很高投资回报率。在风机、水泵等负载上使用两年就能收回投资，直接经济效益明显。还有变频器的软启动性能对泵类机械设备的冲击磨损小，可延长机械设备的检修周期及使用寿命，间接经济效益也是十分突出的。这方面的普及率还是非常低，应用推广缓慢，除了技术、观念和意识保守，设计、技术改造理念上的延袭陈旧，是阻碍发展的主要原因。应该采取措施打破阻碍发展的瓶颈，使变频器优良性能得到普遍应用。

四、变频器的运行环境即安装要点

变频器属精密电子装置，所以温度、灰尘与潮湿也对其寿命影响较大。变频器的环境运行温度一般要求－10℃~+50℃，良好的运行工作环境，可降低变频器的故障率，延长变频器的寿命。安装接线，变频器输入端加装空气开关，以防变频器发生短路时起到保护作用。控制线尽量不要太长，否则易受干扰产生误动作。控制线要选用屏蔽线，一端接地。接地地线应保证良好以防止地线带电而损坏变频器。

五、变频器基本参数的设定

1、出厂设置 常用变频器，一般出厂时，厂家对每一个参数都有一个默认值，这些参数叫工厂值。在这些参数值的情况下，用户能以面板操作方式正常运行的。

2、频率限制 即设定变频器输出频率的上、下限幅值。一般情况下电机散热靠本身风扇进行冷却，因此下限频率不能低于15HZ。如果工艺要求经常低速运行，则电机要另加散热风扇。上限频率幅值不能超出50HZ,否则损坏电机。如果工艺要求频率大于50HZ，需配置专用电机。

3、电机参数

在相应参数组中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。

4、加减速时间

加减速时间就是输出频率从0上升到最大频率和从最大频率下降到0所需时间。设定时要满足在电动机加速时防止过电流，减速时以防止过电压。这需要根据负载特性定出最佳加减速时间。以使运转中不发生过电流、过电压报警为原则，将加减速时间缩短。

5、控制方式

变频器采取的控制方式，即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。

6、变频器启动方式

一般变频器在出厂时设定从面板启动，用户可以根据实际情况选择启动方式，可以用面板、外部端子、通讯方式等几种。

7、信号给定方式

一般变频器的频率给定也可以有多种方式，面板给定、外部给定、外部电压或电流给定、通讯方式给定，当然对于变频器的频率给定也可以是这几种方式的一种或几种方式之和。正确设置以上参数之后，变频器基本上能正常工作，如要获得更好的控制效果则只能根据实际情况修改相关参数。

8、保护参数设定

变频器提供了过压、过流、断相、接地等一系列保护功能，用户可根据实际情况选取相应功能。

六、变频器常见故障及处理

变频器由主回路、电源回路、IPM驱动及保护回路、冷却风扇等几部分组成。其结构多为单元化或模块化形式。由于使用方法不正确或设置环境不合理，将容易造成变频器误动作及发生故障，或者无法满足预期的运行效果。为防患于未然，事先对故障原因进行认真分析尤为重要。

1、主回路常见故障分析

主回路主要由三相或单相整流桥、平滑电容器、滤波电容器、IPM逆变桥、限流电阻、接触器等元件组成。其中许多常见故障是由电解电容引起。电解电容的寿命主要由加在其两端的直流电压和内部温度所决定，在回路设计时已经选定了电容器的型号，所以内部的温度对电解电容器的寿命起决定作用。电解电容器会直接影响到变频器的使用寿命，一般温度每上升10 ℃，寿命减半。因此一方面在安装时要考虑适当的环境温度，另一方面可以采取措施减少脉动电流。采用改善功率因数的交流或直流电抗器可以减少脉动电流，从而延长电解电容器的寿命。在电容器维护时，通常以比较容易测量的静电容量来判断电解电容器的劣化情况，当静电容量低于额定值的80%，绝缘阻抗在5 MΩ以下时，应考虑更换电解电容器。

2、主回路典型故障分析

故障现象：变频器在加速、减速或正常运行时出现过电流跳闸。首先应区分是由于负载原因，还是变频器的原因引起的。如果是变频器的故障，可通过历史记录查询在跳闸时的电流，超过了变频器的额定电流或电子热继电器的设定值，而三相电压和电流是平衡的，则应考虑是否有过载或突变，如电机堵转等。在负载惯性较大时，可适当延长加速时间，此过程对变频器本身并无损坏。若跳闸时的电流，在变频器的额定电流或在电子热继电器的设定范围内，可判断是IPM模块或相关部分发生故障。首先可以通过测量变频器的主回路输出端子U、V、W， 分别与直流侧的P、N端子之间的正反向电阻，来判断IPM模块是否损坏。如模块未损坏，则是驱动电路出了故障。如果减速时IPM模块过流或变频器对地短路跳闸，一般是逆变器的上半桥的模块或其驱动电路故障；而加速时IPM模块过流，则是下半桥的模块或其驱动电路部分故障，发生这些故障的原因，多是由于外部灰尘进入变频器内部或环境潮湿引起。

3、控制回路故障分析

控制回路影响变频器寿命的是电源部分，是平滑电容器和IPM电路板中的缓冲电容器，其原理与前述相同，但这里的电容器中通过的脉动电流，是基本不受主回路负载影响的定值，故其寿命主要由温度和通电时间决定。由于电容器都焊接在电路板上，通过测量静电容量来判断劣化情况比较困难，一般根据电容器环境温度以及使用时间，来推算是否接近其使用寿命。

1）、电源电路板给控制回路、IPM驱动电路和表面操作显示板以及风扇等提供电源，这些电源一般都是从主电路输出的直流电压，通过开关电源再分别整流而得到的。因此，某一路电源短路，除了本路的整流电路受损外，还可能影响其他部分的电源，如由于误操作而使控制电源与公共接地短接，致使电源电路板上开关电源部分损坏，风扇电源的短路导致其他电源断电等。一般通过观察电源电路板就比较容易发现。

2）、逻辑控制电路板是变频器的核心，它集中了CPU、MPU等大规模集成电路，具有很高的可靠性，本身出现故障的概率很小，但有时会因开机而使全部控制端子同时闭合，导致变频器出现EEPROM故障，这只要对EEPROM重新复位就可以了。

3）、电路板包含驱动和缓冲电路，以及过电压、缺相等保护电路。从逻辑控制板来的PWM信号，通过光耦合将电压驱动信号输入IPM模块，因而在检测模快的同时，还应测量IPM模块上的光耦。

4、冷却系统

冷却系统主要包括散热片和冷却风扇。其中冷却风扇寿命较短，临近使用寿命时，风扇产生震动，噪声增大最后停转，变频器出现IPM过热跳闸。冷却风扇的寿命受陷于轴承，大约为10000～35000 h。当变频器连续运转时，需要2～3年更换一次风扇或轴承。为了延长风扇的寿命，一些产品的风扇只在变频器运转时而不是电源开启时运行。

5、外部的电磁感应干扰

如果变频器周围存在干扰源，它们将通过辐射或电源线侵入变频器的内部，引起控制回路误动作，造成工作不正常或停机，严重时甚至损坏变频器。减少噪声干扰的具体方法有：变频器周围所有继电器、接触器的控制线圈上，加装防止冲击电压的吸收装置，如RC浪涌吸收器，其接线不能超过20 cm；尽量缩短控制回路的配线距离，并使其与主回路分离；变频器控制回路配线绞合节距离应在15 mm以上，与主回路保持10 cm以上的间距；变频器距离电动机很远时，这时一方面可加大导线截面面积，保证线路压降在2%以内，同时应加装变频器输出电抗器，用来补偿因长距离导线产生的分布电容的充电电流。变频器接地端子应按规定进行接地，必须在专用接地点可靠接地，不能同电焊、动力接地混用；变频器输入端安装无线电噪声滤波器，减少输入高次谐波，从而可降低从电源线到电子设备的噪声影响；同时在变频器的输出端也安装无线电噪声滤波器，以降低其输出端的线路噪声。

6、安装环境

1）、变频器属于电子器件装置，对安装环境要求比较严格，在其说明书中有详细安装使用环境的要求。在特殊情况下，若确实无法满足这些要求，必须尽量采用相应抑制措施：振动是对电子器件造成机械损伤的主要原因，对于振动冲击较大的场合，应采用橡胶等避振措施；潮湿、腐蚀性气体及尘埃等将造成电子器件锈蚀、接触不良、绝缘降低而形成短路，作为防范措施，应对控制板进行防腐防尘处理，并采用封闭式结构；温度是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素，特别是半导体器件，应根据装置要求的环境条件安装空调或避免日光直射。

2）、除上述几点外，定期检查变频器的空气滤清器及冷却风扇也是非常必要的。对于特殊的高寒场合，为防止微处理器因温度过低不能正常工作，应采取设置空气加热器等必要措施。

7、电源异常

电源异常大致分为缺相、低电压、停电，有时也出现它们的混合形式。这些异常现象的主要原因，多半是输电线路因风、雪、雷击造成的，有时也因为同一供电系统内出现对地短路及相间短路。而雷击因地域和季节有很大差异。除电压波动外，有些电网或自行发电的单位，也会出现频率波动，并且这些现象有时在短时间内重复出现，为保证设备的正常运行，对变频器供电电源也提出相应要求。有条件因需可加装自动切换的不停电源装置或备用的稳定电源。

8、雷击、感应雷电

雷击或感应雷击形成的冲击电压，有时也会造成变频器的损坏。此外，当电源系统一次侧带有真空断路器时，短路开闭会产生较高的冲击电压。为防止因冲击电压造成过电压损坏，通常需要在变频器的输入端加压敏电阻等吸收器件。真空断路器应增加RC浪涌吸收器。若变压器一次侧有真空断路器，应在控制时序上，保证真空断路器动作前先将变频器断开。

七、变频器的维护保养

1、维护保养

由于电力电子技术和微电子技术的快速发展，变频器改型换代速度也比较快，不断推出新型产品，性能不断提高，功能不断充实、增强。变频器品牌比较多，虽然种类繁多，但功能及使用上却基本类似。总的来讲，其使用、维护保养及故障处理方法是基本相同的。在实际应用中，变频器受周围的温度、湿度、振动、粉尘、腐蚀性气体等环境条件的影响，其性能会有一些变化。如使用合理、维护得当，则能延长使用寿命，并减少因突然故障造成的生产损失。如果使用不当，维护保养工作跟不上去，就会出现运行故障，导致变频器不能正常工作，甚至造成变频器过早的损坏，而影响生产设备的正常运行。因此日常维护与定期检查是必不可少的。

2、日常维护与检查

1、)环境温度是否正常，要求在-10℃～+40℃范围内，以25℃左右为好。

2、)变频器在显示面板上显示的输出电流、电压、频率等各种数据是否正常。

3、)显示面板上显示的字符是否清楚，是否缺少字符。

4、)用测温仪器检测变频器是否过热，是否有异味。

5、)变频器风扇运转是否正常，有无异常，散热风道是否通畅。

6、)变频器运行中是否有故障报警显示

7、)检查变频器交流输入电压是否超过最大值。极限是418V，如果主电路外加输入电压超过极限，即使变频器没运行，也会对变频器线路板造成损坏。

3、定期检查

利用每年一次的大修时间，将检查重点放在变频器日常运行时无法巡视到的部位。

1）、作定期检查时，操作前必须切断电源，变频器停电后待操作面板电源指示灯熄灭后，等待一段时间使得主电路直流滤波电容器充分放电，用万用表确认电容器放电完后，再进行操作。

2）、将变频器控制板、主板拆下，用毛刷、吸尘器清扫变频器线路板及内部IGBT模块、输入输出电抗器等部位。线路板脏污的地方，应用棉布沾上酒精或中性化学剂擦除。

3）、检查变频器内部导线绝缘是否有腐蚀过热的痕迹及变色或破损等，如发现应及时进行处理或更换。

4）、变频器由于振动、温度变化等影响，螺丝等紧固部件往往松动，应将所有螺丝全部紧固一遍。

5）、检查输入输出电抗器、变压器等是否过热，变色烧焦或有异味。

6）、检查中间直流回路滤波电解电容器小凸肩(安全阀)是否胀出，外表面是否有裂纹、漏液、膨胀等。一般情况下滤波电容器使用周期大约为5年，检查周期最长为一年，接近寿命时，检查周期最好为半年。电容器的容量可用数字电容表测量，当容量下降到额定容量的80%以下时，应予更换。

7）、检查冷却风扇运行是否完好，如有问题则应进行更换。冷却风扇的寿命受限于轴承，根据变频器运行情况需要2－3年更换一次风扇或轴承。检查时如发现异常声音、异常振动，同样需要更换。

8）、检查变频器绝缘电阻是否在正常范围内(所有端子与接地端子)，注意不能用兆欧表对线路板进行测量，否则会损坏线路板的电子元器件。

9）、将变频器的R、S、T端子和电源端电缆断开，U、V、W端子和电机端电缆断开，用兆欧表测量电缆每相导线之间以及每相导线与保护接地之间的绝缘电阻是否符合要求，正常时应大于1MΩ。

10）、变频器在检修完毕投入运行前，应带电机空载试运行几分钟，并校对电机的旋转方向。

4、变频器本身的保护

变频器本身具有各种保护功能，如：负载侧接地保护、短路保护、电流限制、逆变器过热、过载等，其自诊断功能、报警警告功能也特别完善。了解这些功能对于正确使用变频器及故障查找是非常重要的。

结束语

变频器的维修工作是一项理论知识、实践经验与操作水平的结合的工作，其技术水平代表着变频器的维修质量。所以要经常阅读一些有关的书报杂志，不断了解这些电子元器件所具备的功能和特点，开拓思路，给维修工作以启迪，并将这些学到的知识应用于实际工作中，解决一些维修过程中无法解决的问题，以使自已的技术水平不断提高。