變頻調速器的維護保養(yǎng)與故障分析

近年來由于變頻器具有節(jié)能和提高自動化程度等一系列優(yōu)點，已經在全國各行各業(yè)迅速地普及推廣。為便于技術人員及維護人員制訂系統(tǒng)、周全的維修保養(yǎng)計劃，本文將介紹變頻器內部各個組成部分的特點和故障形態(tài)，并結合自身及日立公司在變頻器質保方面多年的經驗，將一些典型故障的分析方法提供給大家參考。

一、變頻器故障的特征

變頻器是由眾多的半導體電子元件、電力電子元件和電器元件組成的復雜裝置，結構多采用單元化或模塊化形式。它由主回路、邏輯控制回路、電源回路、IPM驅動及保護回路、冷卻風扇等幾部分組成。由于電路板多采用SMT表面貼裝技術，而用戶的條件及掌握的資料有限，為縮短維修時間，對用戶的要求一般只限于根據故障情況找出故障的單元或模塊即可，即只作單元級或板級檢查維修。

盡管變頻器相對過去已經采用了多種新型部件和優(yōu)化結構，但從目前的元件技術水平和經濟性考慮，仍不可避免采用壽命相對較短的零部件。與此同時，還不排除零部件受到安裝環(huán)境的影響，其壽命可能比預期的10年以上要短。我們總結了變頻器的故障情況后，發(fā)現變頻器的故障率與使用時間有圖1所示的關系。

圖1

圖中的初期故障是指變頻器在安裝調試和初期運行階段由于零部件的某種缺陷或某種外部原因而發(fā)生的故障。零部件由于經過零件制造廠家出廠檢測，變頻器生產廠家進廠入庫前的抽樣檢測，以及變頻器出廠前經過嚴格的整機檢測，能使變頻器故障率降低到程度。個別零件存在隱患和現場安裝及初期運行時的誤操作，致使這一期間變頻器故障率較高。

當變頻器投入正常使用后，在較長的一段時間內出現故障的情況明顯減少，這時的故障從內因來說是某個零件發(fā)生突發(fā)性故障，從外因來說是變頻器內部進水或金屬屑以及灰塵潮濕引起的故障。由于偶然性強、較難預料，故稱為偶發(fā)故障。一般來說，在開發(fā)設計階段有針對性地增加零部件的額定余量，在使用階段加強維護保養(yǎng)是解決偶發(fā)故障的主要手段。

摩損故障是臨近使用壽命發(fā)生的故障，主要特征是隨著時間的推移故障率明顯增加。為了延長變頻器的使用壽命，需要對變頻器進行定期的檢查和保養(yǎng)，在估計零部件即將到達使用壽命時進行更換，做到有備無患。

二、變頻器主要部件故障分析與著眼點

1、主回路

（1）摩損故障分析

主回路主要由三相或單相整流橋、平滑電容、濾波電容、IPM逆變橋、限流電阻、接觸器等元器件組成。其中對變頻器壽命最有影響的是平滑鋁電解電容器，它的壽命主要由加在其兩端的直流電壓和內部溫度所決定。在主回路設計時已經根據電源電壓選定了電容器的型號，所以內部的溫度對電解電容器的壽命起決定作用。

電解電容器相對溫度的劣化特性直接影響到變頻器的壽命。如圖2所示，一般每上升10℃變頻器的壽命減半，這是因為電解電容器內部的化學反應隨著溫度的升高導致劣化速度加快。劣化速度與材料溫度的關系遵循阿列里烏斯理論（電解液理論）。電解電容器的內部溫度實際上是電容器周圍環(huán)境溫度與脈動電流造成的溫度之和。因此，一方面我們應該在安裝時考慮適合的環(huán)境溫度，另一方面可以采取一些措施減小脈動電流。對用戶來說，采用改善功率因數的交流或直流電抗器后可以減小脈動電流，從而延長電解電容器的壽命。另外，當變頻器在風機、水泵類遞減轉矩負載上使用時，由于脈動電流被較大幅度減低，對電解電容器壽命延長也有明顯作用。

圖2

在電容器劣化過程中，會出現靜電容量減小，漏電流增大，等價電阻值增大，tgδ值增大等現象。維護保養(yǎng)時通常以比較容易測量的靜電容量來判斷電解電容器的劣化情況，當靜電容量低于初期值的80%，絕緣阻抗在5MΩ以下時應考慮更換電解電容器。由于變頻器的結構限制，更換電解電容器的操作比較繁瑣，因此往往由代理商的維修部門來服務，費用較高。日立公司在新推出的SJ300系列變頻器中采用電解電容器可以簡單拆換的結構，使變頻器的整體壽命得到大大延長。

（2）典型故障分析

故障現象：變頻器在加速、勻速和減速時出現過電流跳閘或逆變模塊過流而跳閘。
　　分析：首先區(qū)分跳閘是由負載原因還是變頻器的原因引起的。如果通過變頻器的故障歷史記錄查詢到跳閘時的電流超過了變頻器的額定電流或者電子熱繼電器的設定值，而三相電壓和電流是平衡的，則應考慮是否過載或負載突變，如電機堵轉等。在負載慣性較大的場合，可適當延長加速時間，此時變頻器本身并無損壞。若跳閘時的電流在變頻器的額定電流或者電子熱繼電器的設定值范圍內，可判定IPM模塊或相關部分發(fā)生故障。首先可以通過測量變頻器主回路端子輸出三相U、V、W分別與直流側的P、N端子之間的正、反向電阻來判斷IPM模塊是否損壞。如模塊無損壞，則是驅動電路出了故障，一般這種情況比較少見。如果是減速時IPM模塊過流或是變頻器對地短路跳閘，一般是逆變橋的上半橋的模塊或其驅動電路部分發(fā)生故障，而加速時IPM模塊過流則是下半橋的模塊或其驅動電路部分發(fā)生故障。發(fā)生這些故障的原因多是由于外部的金屬屑或潮濕、粉塵進入變頻器內部引起的。
　　其他故障，如限流電阻燒損，其主要原因是變頻器內部接觸器損壞，而整流模塊燒損或電流傳感器損壞等現象較為少見，主要是由于內部電源過電壓，電機連線過長以及元件的偶然故障等原因造成的。

2.邏輯控制電路板、電源電路板、IPM電路板

這部分回路最影響變頻器壽命的同樣也是電源部分的平滑電容器和IPM電路板中的緩沖電容器，其壽命原理特性與前述相同，但這里的電容器中通過的脈動電流是一定的，基本不受主回路負載的影響，故其壽命主要由溫度和通電時間決定。