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1、变频器原理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。变频器通常包含2个组成部分：整流器（rectifier）和逆变器 （Inverter）。其中，整流器将输入的交流电转换为直流电，逆变器将 直流电再转换成所需频率的交流电。除了这2个部分之外，变频器还有 可能包含变压器和电池。其中，变压器用来改变电压并可以隔离输入/ 输出的电路，电池用来补偿变频器内部线路上的能量损失。不同的变频器能够处理的电源功率是不一样的，从几瓦到几兆瓦都 有。变频器的应
2、用变频器除了可以用来改变交流电源的频率之外，还可以用来改变交 流电动机的转速和扭矩。在该应用环境下，最典型的变频器结构是三相 二级电压源变频器。该变频器通过半导体开关和脉冲宽度调制（PWM） 来控制各相电压。另外，变频器还可以在航空航天业中。例如：飞机上的电力设备通 常需要400Hz的交流电，而地面上使用的交流电一般为 50Hz或 60Hz。因此，当飞机停在地面上时，需要使用变频器将地面上的50Hz 或60Hz的交流电变为400Hz的交流电供飞机使用。变频器的故障原因及预防措施变频器由主回路、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
3、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。1.1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 C，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
4、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 MQ以 下时，应考虑更换电解电容器。1.2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
5、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。1.3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，
6、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。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
7、容易发现。逻辑控 制电路板是变频器的核心，它集中了 CPU、MPU、RAM、EEPROM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。IPM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。1.4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
8、扇的寿命受陷于轴承，大约为1000035000 ho当变频器连续运转时，需要23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。1.5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 c
9、m以上的间距；变频器距离电动机很远时（超过100 m）， 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。1.6安装环境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
10、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。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。1.7电源异常电源异常大致分以下3种，即缺相、低电压、停电，有时也出现它 们的混合形式。这
11、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。如果附近有直接启动的电动机和电磁炉等设备，为防止这些设备投 入时造成的电压降低，其电源应和变频器的电源分离，减小相互影响。对于要求瞬时停电后仍能继续运行的设备，除选择合适价格的变频 器外，还应预先考虑电机负载的降速比例。当变频器和外部控制回路都 采用瞬间停电补偿方式时，失压回复后，通过测速电机测速来防止在加
12、 速中的过电流。对于要求必须连续运行的设备，应对变频器加装自动切换的不停电 电源装置。像带有二极管输入及使用单相控制电源的变频器，虽然在缺 相状态，但也能继续工作，但整流器中个别器件电流过大，及电容器的 脉冲电流过大，若长期运行将对变频器的寿命及可靠性造成不良影响， 应及早检查处理。1.8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
13、断路器动作前先将变 频器断开。2变频器本身的故障自诊断及预防功能老型号的晶体管变频器主要有以下缺点：容易跳闸、不容易再启动、 过负载能力低。由于IGBT及CPU的迅速发展，变频器内部增加了完 善的自诊断及故障防范功能，大幅度提高了变频器的可靠性。如果使用矢量控制变频器中的“全领域自动转矩补偿功能，其中的 “启动转矩不足环境条件变化造成出力下降等故障原因，将得到很好 的克服。该功能是利用变频器内部的微型计算机的高速运算，计算出当 前时刻所需要的转矩，迅速对输出电压进行修正和补偿，以抵消因外部 条件变化而造成的变频器输出转矩变化。此外，由于变频器的软件开发更加完善，可以预先在变频器的内部 设置各种
14、故障防止措施，并使故障化解后，仍能保持继续运行，例如： 对自由停车过程中的电机进行再启动；对内部故障自动复位并保持连续 运行；负载转矩过大时，能自动调整运行曲线，能够对机械系统的异常 转矩进行检测。造成变频器故障的原因是多方面的，只有在实践中，不断摸索总结， 才能及时消除各种各样的故障。变频器的构成：变频器主要是由主电路、控制电路组成。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“
15、整流器：吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波 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
16、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。控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）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（tg、 plg等）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
