变频器三相输出不平衡的原因分析及处理

冯赢 郭立 鲁继峰

摘要：变频器在提升生产效率和增强节能降耗中发挥了重要作用。在变频器调速系统和测速仪表系统中，经常需要三相低频信号源，现实中多数信号源是利用电子线路产生的，而这种信号源大都是单相的，而且频率大多在1KHz以上，因为只有在高频段信号源的波形才标准、稳定，可调性强。本文就变频器三相输出不平衡的原因分析及处理展开探讨。

关键词：变频器;触发驱动电路;故障

引言

变频器在提升生产效率和增强节能降耗中发挥了重要作用。随着变频器的广泛应用，故障问题也越来越多，对工程技术人员提出了更多考验。

1变频器三相信号源发生器构思

利用单片机作为信号源经过驱动器将信号源放大输出，配合数码管显示实时频率数。通过键盘对输出频率进行调节就能够较好地解决这一技术难题。单片机产生单相方波很方便。但是要产生三相方波并且对相序有严格要求时，在技术处理上就增加了难度。这也是我重点研究的对象。所谓三相信号源发生器就是能够提供如图1所示的三相方波信号：其中：A相比B相超前120°，或者B相比A相超前240°。B相比C相超前120°，或者C相比B相超前240°。C相比A相超前120°，或者A相比C相超前240°。同时要求在相序不变的前提下实现频率可调。当用作变频器信号源时要求其频率在0～50Hz之间实现连续可调。利用单片机的定时器能够较好地解决相序与调频的问题。那就是通过改变定时器的定时时间很方便地改变了频率，因为频率是定时时间的倒数，即频率=1/定时时间。获取方波的方法是（以A相为例）这样的：在第一个定时时间中让单片机的I/O口的输出位为“1”、在第二个定时时间中让单片机的I/O口的输出位为“0”，在第三个定时时间中让单片机的I/O口的输出位为“1”、在第四个定时时间中让单片机的I/O口的输出位为“0”······以此类推，就能获取标准的方波。B相和C相一样。获取相序的方法是当定时时间到达2/3时启动B相I/O口的输出位，当启动B相I/O口的输出位以后的定时时间的2/3时启动C相I/O口的输出位······以此类推，就能保证各相之间相差120°。综上所述，方波频率实际上是1/（2倍定时时间），这是因为用了2个定时时间得到1个方波周期。单片机定时器的定时时间是由定时器初值决定的，由于M0=M-t/单片机机器周期其中：M0为单片机定时器初值M为单片机定时最大值。如果选择工作方式1，M=65536，可作为常数看待。t为定时时间单片机机器周期由晶体振荡器的频率决定的，当晶体振荡器的振荡频率为12MHz时，单片机机器周期为1μs。当晶体振荡器的振荡频率为6MHz时，單片机机器周期为2μs。改变晶体振荡器的振荡频率，就能获取不同的单片机机器周期。当晶体振荡器的振荡频率一旦确定下来，单片机机器周期也是一个常数。由上式不难看出定时时间：t=（M-M0）/单片机机器周期只要改变M0的大小就能获得不同的定时时间t、有了不同的定时时间t就能得到不同不同频率的方波。例如：输出25Hz方波时对应的M0的确定方法是：∵25Hz=1/2t，其中t的单位为秒（s）∴t=0.02s=20ms又∵t=（M-M0）/单片机机器周期如果选定晶体振荡器的振荡频率为12MHz时，单片机机器周期=1μs。如果选择工作方式1，M=65536∴M0=M-t/单片机机器周期=65536-20ms/1μs=65536-20000=45536=B1E0H将B1E0H作为初值写入定时器，在程序控制下就能获得25Hz的三相方波。只要改变定时器初值就能获取不同频率的三相方波。如果把方波用函数u进行描述，单片机晶体振荡器的振荡频率用v表示，单片机定时器初值用w表示那么：u=f（v、w）。改变v或w就能获取不同频率的方波。由于单片机晶体振荡器的振荡频率由硬件确定，修改起来不方便。而单片机定时器的初值可以通过软件获取，易于修改。这里将单片机晶体振荡器的振荡频率固定在12MHz不变，通过修改单片机定时器的初值来获取不同频率的方波。

2三相输出不平衡的原因与处理

2.1逆变单元电路基本工作原理

变频器三相（U、V、W）交流输出频率波形质量和电压平衡的程度直接影响电动机调速运行的状态与电动机的使用寿命，同时也影响变频器的寿命。正常的变频器，其交流输出的波形应该符合要求，同时电压平衡，否则会出现过流、过压、三相负载不平衡等故障出现。逆变器主要是由主电路中的IGBT等功率开关器件构成，给电动机提供电压、频率可变的电源，由控制回路的控制指令进行控制。而控制指令是由CPU主板产生的脉冲信号，通过驱动该脉冲信号的传输电路先将脉冲信号加到驱动光耦的输入脚。一般在输入信号低电平期间使光耦输出高电平信号，然后去驱动后置放大电路，提供正向偏流，经两级互补式电压跟随器的功率放大，最后引入IGBT的G极，IGBT饱和导通;在输入信号的高电平期间，IGBT截止关断。触发驱动电路工作状态的正常与否，有着至关重要的作用，它只有一个判断标准：能正常地传输和放大六路驱动脉冲，输出的六路驱动脉冲，应具备符合要求的电压幅度和电流供给能力。否则将直接影响三相输出主电路的输出平衡。通过有序的导通与关断六个功率IGBT，则可将直流功率变换为所要频率的交流功率输出信号。从主板过来的PWM脉冲信号，通过光电耦合器模块产生信号，加到IGBT的栅极，使栅极驱动电路开启，使IGBT饱和。当栅极电压处于零时，为了保证IGBT可靠关断，需要在栅极施加个一个关断的反向偏压。一般用推挽式放大电路来提高输出电流的能力，去匹配IGBT驱动要求。

2.2变频器三相输出不平衡故障检测与维修

在变频器驱动电路检修中，某日立变频器在启动后出现“吱吱”声，频率上升则噪音更加尖锐，之后变频器发生故障报警，出现“OCACCEL”。该变频器在开机升速时出现高电流，于是降低加速时间，调整为30s，但依然出现上述故障。按照变频器的工作原理，空载下加速延迟不应该产生电流增大。拔掉GTR驱动信号线，各线路信号、相位正常;但考虑到该变频器曾维修过，怀疑主电路走线不合理可能导致干扰电流。但修理后走线位置，故障依然存在;对电容器漏电可能造成高电流，而检测电容器后未发现异常。通过全面检测，将问题归结于驱动电路。当拔掉GTR模块时，未出现电流保护，而接上GTR模块，则出现电流保护。故障原因可能有两个：一个是驱动模块驱动力衰退;第二个是电容器失效导致驱动电源不稳定。在三相输出故障检测中，先接一相，输出正常，而其他两相均发生保护动作，最终锁定故障原因为容量较小的电容器，因该电容容量不足，导致驱动信号异常，更换后恢复正常。

2.3变频器三相输出不平衡的处理

解决变频器三相输出不平衡故障的步骤是：先检查六路驱动电路电压是否正常，如哪路电压不正常。再检查相关的电解电容、光耦等是否正常。最后用示波器检查六路波形是否符合技术要求，六路波形一致则三相输出不平衡问题也就解决了。（1）考虑到推挽式输出触发电路中的电解电容一直处在脉冲高频的工作环境下，其工作条件较正常状态特殊，与正常情况相比工作寿命更短。再者电容性能异常引起波形失真的几率较高，为了更有把握，可以把所有起平滑作用的电容全部更换。（2）当逆变模块损坏时，驱动信号电路、驱动电源也会出现不同程度的损坏。先需确定驱动电路能正常输出六路脉冲信号后，再更换逆变模块。 （3）建议用示波器检查有关IGBT的驱动波形。这也是最直观检查IGBT逆变工作是否正常的手段，波形正常，则输出必平衡。

结语

变频器主要由整流桥、直流电路、逆变桥、控制电路、驱动电路等部分组成，驱动电路往往关系到整个变频器的安全、稳定、有效使用。通过对变频器三相输出不平衡的原因的分析、研究，发现驱动信号及传输电路对IGBT功率输出有着至关重要的作用，驱动信号的不良会直接导致逆变电路三相输出不平衡问题，在修复驱动电路后，也就解决了该故障。

参考文献

[1]咸庆信.变频器故障诊断与维修135例[M].中国电力出版社，2015（06）.

[2]张选正，史步海.变频器故障诊断与维修[M].电子工业出版社，2018（04）.