浅谈变频器的工作原理及故障分析处理

2016-08-08湛江市技师学院项书红

电子世界 2016年13期

湛江市技师学院项书红

浅谈变频器的工作原理及故障分析处理

湛江市技师学院项书红

【摘要】近年来，随着工业自动化产业的高速发展，变频器的应用日益广泛。变频器的基本功能有调压、调频、稳压和调速，应用了现代的先进科学技术，性能优越但是价格昂贵，内部结构复杂但使用起来简单灵活方便，因此，它不只是应用于启动电动机，还广泛的应用于各个领域。本文主要论述了变频器的基本工作原理，详细分析了故障的产生以及如何处理。

【关键词】变频；工作原理；故障分析

一、变频器的工作原理

1、变频器的概念

变频器实际上就是一个逆变器，它首先是将交流电变为直流电，然后用电子器件对直流电进行开关控制，变为交流电。为交流电机变频调速提供变频电源的一般都是变频器。一般功率较大的变频器用可控硅。并设一个可调频率的装置。使频率在一定范围内可调。用来控制电机的转数。使转数在一定的范围内可调。因此，过去传统的滑差调速、直流调速和变极调速等调速系统已逐渐被交流变频调速所代替，越来越广泛的应用于自动控制、印染、纺织、烟机生产线及楼宇、冶金、供水等领域。

2、变频器的基本结构

按主回路电路结构，变频器有两种结构形式分别是交-交变频器和交-直-交变频器。

（1）交-交变频器。交-交变频器，它无中间直流环节，将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器。整个系统由正组整流器和反组整流器组成。按照负载电流的极性控制系统交替控制两组反向并联的整流器，使正组和反组整流器轮流处于整流和逆变状态，从而获得变频变流电压。交-交变频器的电压由整流器的控制角来决定。

（2）交-直-交变频器。交-直-交变频器，它是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电，它又称为间接式变频器。是目前广泛应用的通用型变频器。交-直-交变频器其基本构成如图1所示，由整流电路、滤波电路、制动电路和逆变电路等组成。

图1　交-直-交变频器基本组成

3、变频器的分类

按直流电源性质分类，变频器有两类：电压型变频器和电流型变频器。

（1）电压型变频器。电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，主回路直流电压波形比较平直，在理想情况下是一种内阻抗为零的恒压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。

（2）电流型变频器。电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，直流回路中电流波形比较平直，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型变频器（电流型）。电流型变频器的特点（优点）是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。

4、变频器的工作原理

将工频电源变换为另一频率的电能控制装置称为变频器，它是利用电力半导体器件的通断作用进行调节改变脉冲列的脉冲宽度或幅度，以实现调节输出量和波形的，从而实现电动机电压和频率的平滑变化。

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中间直流电路，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。交-直-交型变频器结构见图1。

（1）整流电路：VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6组成三相不可控整流桥，220V系列采用单相全波整流桥电路；380V系列采用桥式全波整流电路。将市电AC220V/AC380V经整流桥堆整流滤波后得到直流母线电压DC310V/DC540V。

（2）中间滤波电路：由于整流后的电压为脉动电压，因此需要滤波变为平滑；滤波电容的容量根据变频器功率的大小均有不同配置。滤波电容除滤波作用外，还有去耦、消除干扰、提高功率因素的作用，因该大电容储存能量，在断电的瞬间电容两端存在高压电，因而必须在电容充分放电后才可进行操作。

（3）限流电路：在上电瞬间滤波电容的充电电流很大（由于储能电容较大，接入电源时电容两端电压为零），过大的电流会损坏整流桥二极管，因此为保护整流桥将充电电阻串入直流母线中以限制充电电流。

（4）逆变电路：变频器的核心部分。由逆变管V1～V6组成逆变桥，将直流电逆变成频率、幅值都可调的交流电。常用逆变模块有：GTO、GTR、IGBT、BJT、IGCT等，一般都采用模块化结构有2、4、6单元。

（5）续流二极管D1～D6：其主要作用有：无功电流返回到直流电源提供通道；V1～V6进行逆变过程是同一桥臂两个逆变管不停地交替导通和截止，在换相过程中也需要D1～D6提供通路。

（6）缓冲电路。由于逆变管V1～V6每次在状态切换（导通和截至）的瞬间，集电极和发射极极间的电压将由近乎0V上升到直流电压值UD，过高的电压增长率可能会损坏逆变管，而吸收电容的作用则是降低逆变管V1～V6关断时的电压增长率，以免损坏逆变管。

（7）制动单元。制动单元由开关管与驱动电路构成，其功能是用来控制放电电流。用来消耗反馈能量的是制动电阻。

由于电机在减速时转子的转速将可能超过此时的同步转速而处于再生制动（发电）状态，拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线的泵升电压不断上升，这样变频器将会产生过压保护，甚至可能损坏变频器。因而需将反馈能量利用制动电阻消耗掉。

二、变频器故障分析

变频器由许多集成IC芯片，电子元器件等组成，其中大部分是由半导体材料制成的，装置较为复杂，由于材料性能问题，不可避免的在使用过程中会出现各种故障，以下简要探讨变频器一旦出现故障对其分析及处理。

1、变频器外部引起的故障

（1）变频器的工作环境。由于大多数电子器件是由半导体材料制成的，温度是直接影响电子器件寿命及可靠性的重要因素，另外还有潮湿、机械振动、腐蚀性气体和尘埃等都可能会造成电子器件性能下降，如氧化、生锈、接触不良、绝缘降低而形成短路，

（2）外部的电磁感应干扰。外部电磁感应干扰可能会引起控制回路误动作，甚至造成工作不正常或停机，严重时甚至损坏变频器。

（3）电源异常。为保证设备的正常运行，变频器供电电源附近必须远离有直接起动电动机和电磁炉等设备，若有应和变频器供电系统分离，减小相互影响。

（4）雷击、感应雷电。变频器器件损坏的原因也可能是雷击或感应雷击形成的冲击电压造成。

2、变频器内部引起的故障

（1）参数设置引起的故障。若变频器发生参数设置故障，可根据变频器故障代码或产品说明书上的参数进行修改，必要时可恢复出厂值，重新设置。变频器因参数发生故障时，应多注意电动机参数、变频器控制方式和启动方式的设定的参数。

（2）过电流和过载。如果变频器一开电源就报过流故障，可能是整流桥或逆变管损坏，重新更好整流桥或逆变管即可；如果去掉电动机后故障没有出现不再报警，可能是变频器和电机间存在断路；如果运行中出现加速时间设置过短、重载、机械卡死或负载突变也有可能引起过流，应从上述可能性中逐一排查。

（3）过电压和欠电压。电机拖动大惯性负载或多电机拖动同一负载时由于负荷分配不均可能引起过电压；电源电压过低或缺相、一个直流母线上的电压过低或欠压检测元件出现问题可能引起欠电压，可检查供电电压是否正常，更换故障元件或维修相应检测电路。

（4）过热故障。变频器放置地方应注意通风，以免变频器周围环境温度而产生故障。

三、变频器故障处理

变频器的故障有多方面原因造成，下面以过电压故障为例进行故障分析及探讨故障处理的方法。

1、过电压故障原因

引起中间直流回路过电压的原因主要有以下两个方面：

（1）电源输入侧的过电压。电源电压通常为为380V，一般允许误差为-5%-+10%，经三相桥式全波整流后中间直流的峰值为591V，特殊情况下电源线电压将会达到450V，峰值电压636V，但也并不算很高，一般电源电压不会使变频器因过电压而跳闸。电源输入侧的过电压实际上是指电源侧的冲击过电压，它主要特点是电压变化率dv/dt和幅值都很大。例如雷电引起的过电压和补偿电容在合闸或断开时形成的过电压等。

（2）负载侧的过电压。负载侧的过电压主要是指因某种原因使电动机处于再生发电状态时，也就是说电机处于实际转速比同步转速（由变频频率决定）高，因此负载的传动系统将所储存的机械能经电动机转换成电能，通过逆变器的6个续流二极管回馈到变频器的中间直流回路中。此时的逆变器处于整流状态，如果变频器中没采取消耗这些电能能量的措施，那么中间直流回路的电容器的电压上升，将会导致达到限值而跳闸。

2、过电压故障处理方法

过电压故障处理的关键有两个方面：一是如何及时处理中间直流回路多余能量；二是如何避免或减少多余能量向中间直流回路馈送，限定过电压在允许的范围之内。下面是过电压故障处理方法。（1）减少过电压因素的措施是在电源输入侧增加吸收装置。（2）在变频器已经设定的参数中寻找解决办法为减速时间参数和变频器减速过电压自处理功能。（3）通过控制系统功能优势解决变频器过电压问题。（4）采用增加泄放电阻的方法。（5）在输入侧增加逆变电路的方法。（6）采用增加适当电容在中间直流回路上的方法。（7）适当降低工频电源电压（在条件允许的情况下）。（8）多台变频器共用直流母线的方法。

变频器中间直流过电压故障是变频器的一个弱点，关键是要分清过电压故障原因，结合变频器本身参数、控制系统状况和工艺流程等情况，只要认真对待，采取相应措施，该过电压故障是将会迎刃而解。