变频器故障诊断技术研究
张川 姚守龙
摘 要：随着科学技术的迅速发展，大量先进的技术、设备、工艺不断涌现，变频器作为一种常用的电力控制设备，在工业自动化程度不断提升的同时也得到了广泛应用。具体运作过程中，变频器会受到很多因素的制约，进而对其正常运行造成不利影响，甚至出现变频器故障问题。因此，必须加大变频器故障研究，针对故障问题作出科学、合理的诊断，消除故障对变频器的影响，确保机械设备正常运转。本文在全面了解变频器相关概述的基础上，分析了几种故障诊断方法，并结合具体案例，对变频器故障诊断技术要点进行了探讨。
关键词：变频器;故障诊断;案例分析
DOI：10.12249/j.issn.1005-4669.2020.25.318
近年来，随着工业自动化的迅速发展，变频器在工业传动领域得到了广泛应用。然而，在大量实践中发现，由于精密器件老化、异常工况、操作失误等原因变频器极易产生故障。一旦变频器产生故障，不仅会造成严重的经济损失，甚至会威胁到操作人员的生命安全，产生严重的不良影响。为此，必须重视变频器故障问题，采取科学、合理的诊断技术，及时做好故障诊断工作，找出原因，解决问题，才能保证设备安全运行。
1 变频器概述
目前，变频器的应用范围很广，小到小型家电（冰箱、洗衣机、空调），大到压缩机、矿场研磨机等，其作用主要是调节设备频率、转速。在变频器尚未出现前，需通过直流电动机采用达到调整电动机转速的效果。变频器是应用变频技术和微电子技术，通过改变电机工作电源频率的方法进行交流电动机控制的一种电力控制设备。整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等是构成变频器的主要组成部分。通过内部IGBT开断方式，变频器可进行输出电源电压、频率的调整。并利用电机的具体情况，提供其所需的电源电压，以此满足调速、节能的目标。
2 变频器常见故障类型
1）过电流故障诊断。过电流故障是变频器最常见，且最复杂的一种故障形式。当发生过电流故障时，变频器保护会立即动作并停机，同时有故障代码或故障类型显示出现。很多时候，可根据显示的故障代码等快速找到故障原因，或进行故障排除。但很多情况下，故障产生的原因并不是单一的，是多方面的，例如过电流、短路、过热、接地等等，这些因素都可能引起变频器故障。所以在故障诊断中，必须清晰了解过电流故障到底是出现在于哪一个环节。在具体诊断过程中，可以按照以下顺序进行诊断。第一步：观察变频器中输出回路电机，查看是否在接地与相间短路问题。同时，查看是否存在负载情况，观察电网电压及加速与减速时间合理性，观察转矩提升及V/F曲线合理性，观察是否在旋转中直接启动电机;第二步：加速时，观察突然加载情况是否存在，主要查看PG码盘是否存在故障、或码盘断线情况，并查看电流传感器及控制板情况，了解变频器选型是否合理。第三步：减速时，查看发电能量回馈情况是否存在等。2）电压故障诊断。变频器过电压是指变频器运作过程中，直流母线电压在规范规定以上，将会对变频器部分元器件的工作安全造成不利影响。一般来讲，产生此类故障的原因包括3点，即第一，电动机发电现象，导致变频器直流母线电压迅速上升;第二，输入电压增加，导致直流母线电压增高;第三，谐波的干扰作用。目前，在此类变电器故障诊断中，需要检查电源电压、直流母线电压、加减速过程情况、外力拖行电机运行情况、旋转电机启动情况。此外，针对欠压故障诊断，要详细检查整流桥、短接充电电阻接触器、检测板及电源板等部件。
3 变频器故障诊断技术应用要点
1）变频器一类故障诊断。变频器故障当中一类故障也被称为无损故障，利用故障诊断并处治之后，基本上不会损坏变频器，此类故障常见类型包括输入缺相、直流母线过压欠压等。因此，诊断时可采用硬件电路法。比如输入缺相故障诊断，利用硬件电路进行诊断时，通过电阻分压后，可将三项交流电压整流之后，获取一个相对较小的电压值，通过对此电压值的检测，可对变频器是否存在输入缺相故障进行准确判定。或者，也可以利用软件诊断法进行测定。2）变频器二类故障诊断。于变频器而言，二类故障如速度传感器发生故障，或逆变器开关器件开路发生故障等，此类故障将会损坏变频器，因此在故障诊断后，设备虽可继续运行，但仍会受到一定损伤。其中传感器故障诊断可采用硬件诊断法、软件诊断法、矢量控制诊断法等。在变频器传感器故障诊断中，采用矢量控制诊断法时，系统稳定性与精度极易被负载测量电压的谐波所干扰，进而对各类传感器反馈幅度的精确度造成不利影响，甚至会导致诊断误差过大。因此，为达到最佳诊断效果，可通过分析开关管的状态和母线电压来恢复电动机的相电压，并保证电路输出信号达到设定极限值，从而判断是否存在故障。即通过电路电流、三相输出进行电流传感器故障判断。在变频器ICBT开路故障诊断中，采用软件诊断法效果更好，且便于操作。主要以三相电流平均值法为主，这是一种在计算机电机电流平均值诊断法基础上发展而来的一种诊断方法。可通过三相电流平均值法进行IGBT开路故障诊断，由于系统存在噪声，因此需设置一个合理的阙值，才能保证诊断效果良好。阙值取值大小与故障诊断灵敏度息息相关，一旦阙值太大，则会加大故障诊断难度;若阙值太小，则诊断方法灵敏度下降，因此，必须根据实际情况，合理取值。3）变频器三类故障诊断。针对上述两种故障，变频器三类故障危害最大，不仅会损坏变频器，还难以控制。例如整流桥烧毁、母线电容损坏等，如果诊断出此类问题，对变频器造成严重损害，且不易修复等情况下，可更换新元器件。诊断此类故障时，需先将电源切断，测试电阻特性参数，查找故障原因及位置，并及时更换新元器件。
4 案例分析
1）故障现象。某设备送电过程中发现，变频器出现焦糊味情况，为避免发生更大故障，馬上采取停电措施，对设备充分放电，随后拆解查找故障原因。
2）原因分析及故障处理。为准确找出变频器故障原因，电气技术人员和故障诊断人员共同拆解了变频器，对主板、连接线进行检查时发现，充电电阻存在烧伤痕迹，并对其他元器件进行了检查，无异常情况。随后采取了充电电阻更换的方法，通过重新通电之后，无异常。为保证设备运行正常，在安装之后，需做试机处理，试机过程中再次出现变频器顶部焦糊味散出问题，马上停电。再次进行变频器拆解检查，发现再次烧坏充电电阻。根据以往经验，一般产生充电电阻烧坏的原因为通电后，变频器直流电容充电完成，触发和充电电阻并接的接触器，导致后续电流通过接触器触电，从而完成整个回路供电。通过原因查找，可认为本次故障原因在于接触器触发回路存在问题。
应更换型号相同的主板，当再一次进行带载试机时，变频器的电流、转速与另一台存有一定差异，并不匹配，因此，可认为变频器参数调整存在一定问题。这种情况下，需调整功率参数，根据规定要求，准确标定功率参数。参数调整后，再次带载试机，未出现变频器故障，正常。
5 结束语
综上所述，维护人员及时发现设备存在的异常状况，技术人员测试、分析和诊断，及时发现设备故障原因、部位和程度，对设备的工作状态进行评价，实现设备的预知检维修，减少设备的非正常运行。通过设备故障分析、查找故障根源，采取相应措施从根本上解决了设备故障问题，提高了设备的运行可靠性。
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