变频调速器的维护保养与故障分析

近年来由于变频器具有节能和提高自动化程度等一系列优点，已经在全国各行各业迅速地普及推广。为便于技术人员及维护人员制订系统、周全的维修保养计划，本文将介绍变频器内部各个组成部分的特点和故障形态，并结合自身及日立公司在变频器质保方面多年的经验，将一些典型故障的分析方法提供给大家参考。

一、变频器故障的特征

变频器是由众多的半导体电子元件、电力电子元件和电器元件组成的复杂装置，结构多采用单元化或模块化形式。它由主回路、逻辑控制回路、电源回路、IPM驱动及保护回路、冷却风扇等几部分组成。由于电路板多采用SMT表面贴装技术，而用户的条件及掌握的资料有限，为缩短维修时间，对用户的要求一般只限于根据故障情况找出故障的单元或模块即可，即只作单元级或板级检查维修。

尽管变频器相对过去已经采用了多种新型部件和优化结构，但从目前的元件技术水平和经济性考虑，仍不可避免采用寿命相对较短的零部件。与此同时，还不排除零部件受到安装环境的影响，其寿命可能比预期的10年以上要短。我们总结了变频器的故障情况后，发现变频器的故障率与使用时间有图1所示的关系。

图1

图中的初期故障是指变频器在安装调试和初期运行阶段由于零部件的某种缺陷或某种外部原因而发生的故障。零部件由于经过零件制造厂家出厂检测，变频器生产厂家进厂入库前的抽样检测，以及变频器出厂前经过严格的整机检测，能使变频器故障率降低到程度。个别零件存在隐患和现场安装及初期运行时的误操作，致使这一期间变频器故障率较高。

当变频器投入正常使用后，在较长的一段时间内出现故障的情况明显减少，这时的故障从内因来说是某个零件发生突发性故障，从外因来说是变频器内部进水或金属屑以及灰尘潮湿引起的故障。由于偶然性强、较难预料，故称为偶发故障。一般来说，在开发设计阶段有针对性地增加零部件的额定余量，在使用阶段加强维护保养是解决偶发故障的主要手段。

摩损故障是临近使用寿命发生的故障，主要特征是随着时间的推移故障率明显增加。为了延长变频器的使用寿命，需要对变频器进行定期的检查和保养，在估计零部件即将到达使用寿命时进行更换，做到有备无患。

二、变频器主要部件故障分析与着眼点

1、主回路

（1）摩损故障分析

主回路主要由三相或单相整流桥、平滑电容、滤波电容、IPM逆变桥、限流电阻、接触器等元器件组成。其中对变频器寿命有影响的是平滑铝电解电容器，它的寿命主要由加在其两端的直流电压和内部温度所决定。在主回路设计时已经根据电源电压选定了电容器的型号，所以内部的温度对电解电容器的寿命起决定作用。

电解电容器相对温度的劣化特性直接影响到变频器的寿命。如图2所示，一般每上升10℃变频器的寿命减半，这是因为电解电容器内部的化学反应随着温度的升高导致劣化速度加快。劣化速度与材料温度的关系遵循阿列里乌斯理论（电解液理论）。电解电容器的内部温度实际上是电容器周围环境温度与脉动电流造成的温度之和。因此，一方面我们应该在安装时考虑适合的环境温度，另一方面可以采取一些措施减小脉动电流。对用户来说，采用改善功率因数的交流或直流电抗器后可以减小脉动电流，从而延长电解电容器的寿命。另外，当变频器在风机、水泵类递减转矩负载上使用时，由于脉动电流被较大幅度减低，对电解电容器寿命延长也有明显作用。

图2

在电容器劣化过程中，会出现静电容量减小，漏电流增大，等价电阻值增大，tgδ值增大等现象。维护保养时通常以比较容易测量的静电容量来判断电解电容器的劣化情况，当静电容量低于初期值的80%，绝缘阻抗在5MΩ以下时应考虑更换电解电容器。由于变频器的结构限制，更换电解电容器的操作比较繁琐，因此往往由代理商的维修部门来服务，费用较高。日立公司在新推出的SJ300系列变频器中采用电解电容器可以简单拆换的结构，使变频器的整体寿命得到大大延长。

（2）典型故障分析

故障现象：变频器在加速、匀速和减速时出现过电流跳闸或逆变模块过流而跳闸。
　　分析：首先区分跳闸是由负载原因还是变频器的原因引起的。如果通过变频器的故障历史记录查询到跳闸时的电流超过了变频器的额定电流或者电子热继电器的设定值，而三相电压和电流是平衡的，则应考虑是否过载或负载突变，如电机堵转等。在负载惯性较大的场合，可适当延长加速时间，此时变频器本身并无损坏。若跳闸时的电流在变频器的额定电流或者电子热继电器的设定值范围内，可判定IPM模块或相关部分发生故障。首先可以通过测量变频器主回路端子输出三相U、V、W分别与直流侧的P、N端子之间的正、反向电阻来判断IPM模块是否损坏。如模块无损坏，则是驱动电路出了故障，一般这种情况比较少见。如果是减速时IPM模块过流或是变频器对地短路跳闸，一般是逆变桥的上半桥的模块或其驱动电路部分发生故障，而加速时IPM模块过流则是下半桥的模块或其驱动电路部分发生故障。发生这些故障的原因多是由于外部的金属屑或潮湿、粉尘进入变频器内部引起的。
　　其他故障，如限流电阻烧损，其主要原因是变频器内部接触器损坏，而整流模块烧损或电流传感器损坏等现象较为少见，主要是由于内部电源过电压，电机连线过长以及元件的偶然故障等原因造成的。

2.逻辑控制电路板、电源电路板、IPM电路板

这部分回路影响变频器寿命的同样也是电源部分的平滑电容器和IPM电路板中的缓冲电容器，其寿命原理特性与前述相同，但这里的电容器中通过的脉动电流是一定的，基本不受主回路负载的影响，故其寿命主要由温度和通电时间决定。