淺談變頻器的工作原理及故障分析處理

湛江市技師學院 項書紅

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淺談變頻器的工作原理及故障分析處理

湛江市技師學院 項書紅

【摘要】近年來，隨著工業自動化產業的高速發展，變頻器的應用日益廣泛。變頻器的基本功能有調壓、調頻、穩壓和調速，應用了現代的先進科學技術，性能優越但是價格昂貴，內部結構復雜但使用起來簡單靈活方便，因此，它不只是應用于啟動電動機，還廣泛的應用于各個領域。本文主要論述了變頻器的基本工作原理，詳細分析了故障的產生以及如何處理。

【關鍵詞】變頻；工作原理；故障分析

一、變頻器的工作原理

1、變頻器的概念

變頻器實際上就是一個逆變器，它首先是將交流電變為直流電，然后用電子器件對直流電進行開關控制，變為交流電。為交流電機變頻調速提供變頻電源的一般都是變頻器。一般功率較大的變頻器用可控硅。并設一個可調頻率的裝置。使頻率在一定范圍內可調。用來控制電機的轉數。使轉數在一定的范圍內可調。因此，過去傳統的滑差調速、直流調速和變極調速等調速系統已逐漸被交流變頻調速所代替，越來越廣泛的應用于自動控制、印染、紡織、煙機生產線及樓宇、冶金、供水等領域。

2、變頻器的基本結構

按主回路電路結構，變頻器有兩種結構形式分別是交-交變頻器和交-直-交變頻器。

（1）交-交變頻器。交-交變頻器，它無中間直流環節，將工頻交流直接變換成頻率電壓可調的交流，又稱直接式變頻器。整個系統由正組整流器和反組整流器組成。按照負載電流的極性控制系統交替控制兩組反向并聯的整流器，使正組和反組整流器輪流處于整流和逆變狀態，從而獲得變頻變流電壓。交-交變頻器的電壓由整流器的控制角來決定。

（2）交-直-交變頻器。交-直-交變頻器，它是先把工頻交流電通過整流器變成直流電，然后再把直流電變換成頻率、電壓均可控制的交流電，它又稱為間接式變頻器。是目前廣泛應用的通用型變頻器。交-直-交變頻器其基本構成如圖1所示，由整流電路、濾波電路、制動電路和逆變電路等組成。

圖1　交-直-交變頻器基本組成

3、變頻器的分類

按直流電源性質分類，變頻器有兩類：電壓型變頻器和電流型變頻器。

（1）電壓型變頻器。電壓型變頻器特點是中間直流環節的儲能元件采用大電容，負載的無功功率將由它來緩沖，主回路直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一種內阻抗為零的恒壓源，故稱電壓型變頻器，常選用于負載電壓變化較大的場合。

（2）電流型變頻器。電流型變頻器特點是中間直流環節采用大電感作為儲能環節，緩沖無功功率，直流回路中電流波形比較平直，即扼制電流的變化，使電壓接近正弦波，由于該直流內阻較大，故稱電流源型變頻器（電流型）。電流型變頻器的特點（優點）是能扼制負載電流頻繁而急劇的變化。常選用于負載電流變化較大的場合。

4、變頻器的工作原理

將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置稱為變頻器，它是利用電力半導體器件的通斷作用進行調節改變脈沖列的脈沖寬度或幅度，以實現調節輸出量和波形的，從而實現電動機電壓和頻率的平滑變化。

它由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產生的電壓脈動的中間直流電路，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。交-直-交型變頻器結構見圖1。

（1）整流電路：VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6組成三相不可控整流橋，220V系列采用單相全波整流橋電路；380V系列采用橋式全波整流電路。將市電AC220V/AC380V經整流橋堆整流濾波后得到直流母線電壓DC310V/DC540V。

（2）中間濾波電路：由于整流后的電壓為脈動電壓，因此需要濾波變為平滑；濾波電容的容量根據變頻器功率的大小均有不同配置。濾波電容除濾波作用外，還有去耦、消除干擾、提高功率因素的作用，因該大電容儲存能量，在斷電的瞬間電容兩端存在高壓電，因而必須在電容充分放電后才可進行操作。

（3）限流電路：在上電瞬間濾波電容的充電電流很大（由于儲能電容較大，接入電源時電容兩端電壓為零），過大的電流會損壞整流橋二極管，因此為保護整流橋將充電電阻串入直流母線中以限制充電電流。

（4）逆變電路：變頻器的核心部分。由逆變管V1～V6組成逆變橋，將直流電逆變成頻率、幅值都可調的交流電。常用逆變模塊有：GTO、GTR、IGBT、BJT、IGCT等，一般都采用模塊化結構有2、4、6單元。

（5）續流二極管D1～D6：其主要作用有：無功電流返回到直流電源提供通道；V1～V6進行逆變過程是同一橋臂兩個逆變管不停地交替導通和截止，在換相過程中也需要D1～D6提供通路。

（6）緩沖電路。由于逆變管V1～V6每次在狀態切換（導通和截至）的瞬間，集電極和發射極極間的電壓將由近乎0V上升到直流電壓值UD，過高的電壓增長率可能會損壞逆變管，而吸收電容的作用則是降低逆變管V1～V6關斷時的電壓增長率，以免損壞逆變管。

（7）制動單元。制動單元由開關管與驅動電路構成，其功能是用來控制放電電流。用來消耗反饋能量的是制動電阻。

由于電機在減速時轉子的轉速將可能超過此時的同步轉速而處于再生制動（發電）狀態，拖動系統的動能將反饋到直流電路中使直流母線的泵升電壓不斷上升，這樣變頻器將會產生過壓保護，甚至可能損壞變頻器。因而需將反饋能量利用制動電阻消耗掉。

二、變頻器故障分析

變頻器由許多集成IC芯片，電子元器件等組成，其中大部分是由半導體材料制成的，裝置較為復雜，由于材料性能問題，不可避免的在使用過程中會出現各種故障，以下簡要探討變頻器一旦出現故障對其分析及處理。

1、變頻器外部引起的故障

（1）變頻器的工作環境。由于大多數電子器件是由半導體材料制成的，溫度是直接影響電子器件壽命及可靠性的重要因素，另外還有潮濕、機械振動、腐蝕性氣體和塵埃等都可能會造成電子器件性能下降，如氧化、生銹、接觸不良、絕緣降低而形成短路，

（2）外部的電磁感應干擾。外部電磁感應干擾可能會引起控制回路誤動作，甚至造成工作不正常或停機，嚴重時甚至損壞變頻器。

（3）電源異常。為保證設備的正常運行，變頻器供電電源附近必須遠離有直接起動電動機和電磁爐等設備，若有應和變頻器供電系統分離，減小相互影響。

（4）雷擊、感應雷電。變頻器器件損壞的原因也可能是雷擊或感應雷擊形成的沖擊電壓造成。

2、變頻器內部引起的故障

（1）參數設置引起的故障。若變頻器發生參數設置故障，可根據變頻器故障代碼或產品說明書上的參數進行修改，必要時可恢復出廠值，重新設置。變頻器因參數發生故障時，應多注意電動機參數、變頻器控制方式和啟動方式的設定的參數。

（2）過電流和過載。如果變頻器一開電源就報過流故障，可能是整流橋或逆變管損壞，重新更好整流橋或逆變管即可；如果去掉電動機后故障沒有出現不再報警，可能是變頻器和電機間存在斷路；如果運行中出現加速時間設置過短、重載、機械卡死或負載突變也有可能引起過流，應從上述可能性中逐一排查。

（3）過電壓和欠電壓。電機拖動大慣性負載或多電機拖動同一負載時由于負荷分配不均可能引起過電壓；電源電壓過低或缺相、一個直流母線上的電壓過低或欠壓檢測元件出現問題可能引起欠電壓，可檢查供電電壓是否正常，更換故障元件或維修相應檢測電路。

（4）過熱故障。變頻器放置地方應注意通風，以免變頻器周圍環境溫度而產生故障。

三、變頻器故障處理

變頻器的故障有多方面原因造成，下面以過電壓故障為例進行故障分析及探討故障處理的方法。

1、過電壓故障原因

引起中間直流回路過電壓的原因主要有以下兩個方面：

（1）電源輸入側的過電壓。電源電壓通常為為380V，一般允許誤差為-5%-+10%，經三相橋式全波整流后中間直流的峰值為591V，特殊情況下電源線電壓將會達到450V，峰值電壓636V，但也并不算很高，一般電源電壓不會使變頻器因過電壓而跳閘。電源輸入側的過電壓實際上是指電源側的沖擊過電壓，它主要特點是電壓變化率dv/dt和幅值都很大。例如雷電引起的過電壓和補償電容在合閘或斷開時形成的過電壓等。

（2）負載側的過電壓。負載側的過電壓主要是指因某種原因使電動機處于再生發電狀態時，也就是說電機處于實際轉速比同步轉速（由變頻頻率決定）高，因此負載的傳動系統將所儲存的機械能經電動機轉換成電能，通過逆變器的6個續流二極管回饋到變頻器的中間直流回路中。此時的逆變器處于整流狀態，如果變頻器中沒采取消耗這些電能能量的措施，那么中間直流回路的電容器的電壓上升，將會導致達到限值而跳閘。

2、過電壓故障處理方法

過電壓故障處理的關鍵有兩個方面：一是如何及時處理中間直流回路多余能量；二是如何避免或減少多余能量向中間直流回路饋送，限定過電壓在允許的范圍之內。下面是過電壓故障處理方法。（1）減少過電壓因素的措施是在電源輸入側增加吸收裝置。（2）在變頻器已經設定的參數中尋找解決辦法為減速時間參數和變頻器減速過電壓自處理功能。（3）通過控制系統功能優勢解決變頻器過電壓問題。（4）采用增加泄放電阻的方法。（5）在輸入側增加逆變電路的方法。（6）采用增加適當電容在中間直流回路上的方法。（7）適當降低工頻電源電壓（在條件允許的情況下）。（8）多臺變頻器共用直流母線的方法。

變頻器中間直流過電壓故障是變頻器的一個弱點，關鍵是要分清過電壓故障原因，結合變頻器本身參數、控制系統狀況和工藝流程等情況，只要認真對待，采取相應措施，該過電壓故障是將會迎刃而解。

四、結論

該文重點闡述了變頻器的結構原理及故障原因分析處理的基本方法，以便初步理解變頻器，為以后變頻器在使用過程中提高變頻器的工作性能延長變頻器的使用壽命打下維護處理基礎，而做好維護處理的基礎就是理解變頻器的基本結構和工作原理。

參考文獻

［1］周明寶.電力電子技術［M］.北京：機制工業出版社，1985.

［2］劉立.流體力學泵與風機［M］.中國電力出版社，第2版，2007.9.

［3］姚錫祿.變頻器控制技術入門與應用實例［M］.北京：中國機械出版社，2009.

［4］張選正，張金遠.變頻器應用經驗［M］.北京：中國電力出版社，第1版，2006.5.

［5］陳伯時，陳敏遜.交流調速系統（第2版）［M］.機械工業出版社，2005.

［6］陳國呈，周勤利.變頻技術研究［J］.上海大學自動化學院學報，1995（6）：23-26.