變頻器的控制電路及幾種常見故障分析

1、概述 
隨著變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中日益廣泛的應(yīng)用，了解變頻器的結(jié)構(gòu)，主要器件的電氣特性和一些常用參數(shù)的作用及其常見故障對(duì)于實(shí)際工作越來越重要。
2、變頻器控制電路
給異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)，稱為控制回路，控制電路由頻率，電壓的運(yùn)算電路，主電路的電壓，電流檢測(cè)電路，電動(dòng)機(jī)的速度檢測(cè)電路，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的驅(qū)動(dòng)電路，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的保護(hù)電路等組成。無速度檢測(cè)電路為開環(huán)控；在控制電路增加了速度檢測(cè)電路，即增加速度指令，可以對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行更精確的閉環(huán)控制。
（1）運(yùn)算電路將外部的速度，轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)電路的電流，電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。
（2）電壓、電流檢測(cè)電路為與主回路電位隔離檢測(cè)電壓，電流等。
（3）驅(qū)動(dòng)電路為驅(qū)動(dòng)主電路器件的電路，它與控制電路隔離，控制主電路器件的導(dǎo)通與關(guān)斷。
（4）I/O電路使變頻更好地人機(jī)交互，其具有多信號(hào)（比如運(yùn)行多段速度運(yùn)行等）的輸入，還有各種內(nèi)部參數(shù)（比如電流，頻率，保護(hù)動(dòng)作驅(qū)動(dòng)等）的輸入。
（5）速度檢測(cè)電路將裝在異步電動(dòng)機(jī)軸上的速度檢測(cè)器（TG、PLG等）的信號(hào)設(shè)為速度信號(hào)，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。
（6）保護(hù)電路檢測(cè)主電路的電壓、電流等。當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓，電流值。
逆變器控制電路中的保護(hù)電路，可分為逆變器保護(hù)和異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)兩種，保護(hù)功能如下：
（1）逆變器保護(hù)
①瞬時(shí)過電流保護(hù)，用于逆變電流負(fù)載側(cè)短路等，流過逆變電器回件的電流達(dá)到異常值（超過容許值）時(shí)，瞬時(shí)停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)，切斷電流，變流器的輸出電流達(dá)到異常值，也得同樣停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)。
②過載保護(hù)，逆變器輸出電流超過額定值，且持續(xù)流通超過規(guī)定時(shí)間，為防止逆變器器件、電線等損壞，要停止運(yùn)轉(zhuǎn)，恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)需要反時(shí)限特性，采用熱繼電器或電子熱保護(hù)，過載是由于負(fù)載的GD2（慣性）過大或因負(fù)載過大使電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)而產(chǎn)生。
③再生過電壓保護(hù)，應(yīng)用逆變器使電動(dòng)機(jī)快速減速時(shí)，由于再生功率使直流電路電壓升高，有時(shí)超過容許值，可以采取停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)或停止快速的方法，防止過電壓。
④瞬時(shí)停電保護(hù)，對(duì)于毫秒級(jí)內(nèi)的瞬時(shí)斷電，控制電路工作正常。但瞬時(shí)停電如果達(dá)數(shù)10ms以上時(shí)，通常不僅控制電路誤動(dòng)作，主電路也不供電，所以檢測(cè)出后使逆變器停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
⑤接地過電流保護(hù)，逆變器負(fù)載接地時(shí)，為了保護(hù)逆變器，要有接地過電流保護(hù)功能。但為了保證人身安全，需要裝設(shè)漏電保護(hù)斷路器。
⑥冷卻風(fēng)機(jī)異常，有冷卻風(fēng)機(jī)的裝置，當(dāng)風(fēng)機(jī)異常時(shí)裝置內(nèi)溫度將上升，因此采用風(fēng)機(jī)熱繼電器或器件散熱片溫度傳感器，檢測(cè)出異常后停止逆變電器工作。
（2）異步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)
①過載保護(hù)，過載檢測(cè)裝置與逆變器保護(hù)共用，但考慮低速運(yùn)轉(zhuǎn)的過熱時(shí)，在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)埋入溫度檢出器，或者利用裝在逆變器內(nèi)的電子熱保護(hù)來檢出過熱。動(dòng)作過頻時(shí)，應(yīng)考慮減輕電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，增加電動(dòng)機(jī)及逆變器的容量等。
②超速保護(hù)，逆變器的輸出頻率或者異步電動(dòng)機(jī)的速度超過規(guī)定值時(shí)，停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)。
（3）其他保護(hù)
①防止失速過電流，加速時(shí)，如果異步電動(dòng)機(jī)跟蹤遲緩，則過電流保護(hù)電路動(dòng)作，運(yùn)轉(zhuǎn)就不能繼續(xù)進(jìn)行（失速）。所以，在負(fù)載電流減小之前要進(jìn)行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。對(duì)于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)中的過電流，有時(shí)也進(jìn)行同樣的控制。
②防止失速再生過電壓，減速時(shí)產(chǎn)生的再生能量使主電路直流電壓上升，為防止再生過電壓電路保護(hù)動(dòng)作，在直流電壓下降之前要進(jìn)行控制，抑制頻率下降，防止不能運(yùn)轉(zhuǎn)（失速）。
3、變頻器控制回路的抗干擾措施
由于主回路的非線性（進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作），變頻器本身就是諧波干擾源，而其周邊控制回路卻是小能量，弱信號(hào)回路，極易遭受其他裝置產(chǎn)生的干擾，造成變頻器自身和周邊設(shè)備無法正常工作。因此，變頻器在安裝使用時(shí)，必須對(duì)控制回路采取抗干擾措施。
（1）變頻器的基本控制回路
一般而言，同外部進(jìn)行信號(hào)交流的基本回籠路有模擬與數(shù)字兩種：
①4～20MA電流信號(hào)回路（模擬）；1～5V/0～5V電壓信號(hào)回路（模擬）。
②開關(guān)信號(hào)回路，變頻器的開停指令，正反轉(zhuǎn)指令等（數(shù)字）。
外部控制，指令信號(hào)通過上述基本回路導(dǎo)入變頻器，同時(shí)干擾源也在其回路上產(chǎn)生干擾電勢(shì)，以控制電纜為媒介侵入變頻器。
（2）干擾的基本類型及抗干擾措施
①靜電耦合干擾，指控制電纜與周圍電氣回路的靜電容耦合在電纜中產(chǎn)生的電勢(shì)。當(dāng)加大與干擾源電纜的距離，達(dá)到導(dǎo)體直徑40倍以上時(shí)，干擾程度就會(huì)不太明顯，也可在兩電纜間設(shè)置屏敝導(dǎo)體，再將屏蔽導(dǎo)體接地。
②靜電感應(yīng)干擾，指周圍電氣回路產(chǎn)生的磁通變化在電纜中感應(yīng)出的電勢(shì)。其強(qiáng)度取決于干擾源電纜產(chǎn)生的磁通大小、控制電纜形成的閉環(huán)面積和干擾源電纜與控制電纜間的相對(duì)角度?？蓪⒖刂齐娎|與主回路電纜或其他動(dòng)力電纜分離鋪設(shè)。分離距離通常應(yīng)在30cm以上（最少不低于10cm）。分離困難時(shí)，將控制電纜穿過鐵管鋪設(shè)，也可將控制導(dǎo)體絞合，絞合間距越小，鋪設(shè)的路線越短，抗干擾效果越好。
③電波干擾，指控制電纜成為天線，由外來電波在電纜中產(chǎn)生電勢(shì)?？垢蓴_措施同①②，必要時(shí)將變頻器放入鐵箱內(nèi)進(jìn)行電波屏蔽，屏蔽用的鐵箱務(wù)必接地。
④接觸不良干擾，指變頻器控制電纜的電接點(diǎn)及繼電器觸點(diǎn)接觸不良，電阻發(fā)生變化在電纜中產(chǎn)生的干擾，對(duì)此，采用并聯(lián)觸點(diǎn)或提高電器件等級(jí)來解決。對(duì)于電纜連接點(diǎn)應(yīng)定期做擰緊加固處理。
⑤接地干擾，指機(jī)體接地或信號(hào)接地，對(duì)于弱電壓，電流回路，任何不合理的接地均可誘發(fā)各種意想不到的干擾，比如設(shè)置兩個(gè)以上接地點(diǎn)，接地處會(huì)產(chǎn)生電位差，產(chǎn)生干擾?？蓪⑺俣冉o定的控制電纜取一點(diǎn)接地，接地線不作為信號(hào)的通路使用，電纜的接地在變頻器側(cè)進(jìn)行，使用專設(shè)的接地端子，不與其他接地端子共用。
（3）其他注意事項(xiàng)
①裝有變頻器的控制柜，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離大容量變壓器和電動(dòng)機(jī)。其控制電纜線路也應(yīng)避開這些漏磁通大的設(shè)備。
②弱電壓電流控制電纜不要接近易產(chǎn)生電弧的電器件。
③控制電纜建議采用1.25mm2或2mm2屏蔽絞合絕緣電纜。
④屏蔽電纜的屏蔽要連接到電纜導(dǎo)體同樣長。電纜在端子箱中連接時(shí)，屏蔽端子要互相連接。

4、變頻器的常見故障分析
（1）變頻器充電起動(dòng)電路故障，通用變頻器一般為用壓型變頻器，采用交—直—交工作方式。當(dāng)變頻器剛上電時(shí)，由于直流側(cè)的平波電容容量非常大，充電電流很大，通常采用一個(gè)起動(dòng)電阻來限制充電電流，常見的兩種變頻起動(dòng)電路如圖2所示。充電完成后，控制電路通過繼電器的觸點(diǎn)或昌閘管將電阻短路。起動(dòng)電路故障一般表現(xiàn)為起動(dòng)電阻燒壞，變頻器報(bào)警顯示為直流線線電壓故障。一般，變頻器的設(shè)計(jì)時(shí)，為了減小變頻器的體積而選擇較小起動(dòng)電阻，其值多為10—50Ω，功率為10—50W；當(dāng)變頻器的交流輸入電源頻繁接通，或者旁路觸器的觸點(diǎn)接觸不良時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致起動(dòng)電阻燒壞。因此在替換電阻的同時(shí)，必須找出原因，如果故障是由輸入側(cè)電源頻率開始引起的，必須消除這種現(xiàn)象才能將變頻器投入使用，如果故障只由旁路觸元件引起，則必須更換這些器件。
（2）變頻器無故障顯示，卻不能高速運(yùn)行，經(jīng)檢查變頻器參數(shù)設(shè)置正確，調(diào)速輸入信號(hào)正常，經(jīng)上電運(yùn)行測(cè)試，變頻器直流母線電壓只有450V左右（正常應(yīng)在580V-600V），再測(cè)輸入側(cè)，發(fā)現(xiàn)缺了一相。故障原因是輸入側(cè)的一個(gè)空氣開關(guān)一相接觸不良造成的。造成變頻器輸入缺相不報(bào)警，仍能在低頻段工作，是因?yàn)槎鄶?shù)變頻器的母線電壓下限為400V，只有當(dāng)母線電壓降至400V以下時(shí)，變頻器才報(bào)告故障。而`當(dāng)兩相輸入時(shí)，直流母線電壓為380V×1.2=452V＞400V。當(dāng)變頻器不運(yùn)行時(shí)，由于平波電容的作用，直流電壓也可達(dá)到正常值，新型的變頻器都采用PWM控制技術(shù)，調(diào)壓調(diào)頻的工作在逆變橋完成，所以在低頻段輸入缺相時(shí)仍可以正常工作，但因輸入電壓，輸出電壓低，造成異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低頻率上不去。
（3）變頻器顯示過流，出現(xiàn)這種顯示時(shí)，首先檢查加速時(shí)間參數(shù)是否太短，力矩提升參數(shù)是否太大，然后檢查負(fù)載是否太重。如果沒有這些現(xiàn)象，可以斷開輸出側(cè)的電流互感器和直流側(cè)的霍爾電流檢測(cè)點(diǎn)，復(fù)位后運(yùn)行，看是否出現(xiàn)過流現(xiàn)象。如果是，很可能是IPM模塊出現(xiàn)故障，因?yàn)镮PM模塊內(nèi)含有過壓過流，欠壓，過載、過熱，缺相、短路等保護(hù)功能，而這些故障信號(hào)都是經(jīng)模塊控制引腳的輸出Fn引腳傳送到控制器的。微控制器接收到故障信息后，一方面封鎖脈沖輸出，另一方面將故障信息顯示在面板上。應(yīng)更換IPM模塊。
（4）變頻器顯示過壓故障，變頻器出現(xiàn)過壓故障，一般是雷雨天氣，由于雷電串入變頻器的電源中，使變頻器直流側(cè)的電壓檢測(cè)器動(dòng)作而跳閘，這種情形，通常只需斷開變頻器電源1分鐘左右再上電即可，另一種情況是變頻器驅(qū)動(dòng)大慣性負(fù)載，而出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象。這種情況下，一是將減速時(shí)間參數(shù)加長或增大制動(dòng)電阻（制動(dòng)單元）；二是將變頻器的停止方式設(shè)置為自由停車方式。
（5）電機(jī)發(fā)熱，變頻器顯示過載，對(duì)于已經(jīng)投入運(yùn)行的變頻器，必須檢查負(fù)載狀況，對(duì)于新安裝的變頻器出現(xiàn)這種故障，很可能是V/F曲線設(shè)置不當(dāng)或電機(jī)參數(shù)設(shè)置有問題，此時(shí)必須正確設(shè)置好各種參數(shù)，另外，電機(jī)在低頻的工作時(shí)散熱性能變差，也會(huì)出現(xiàn)這種情況，這時(shí)就需加裝散熱裝置。
5、結(jié)束語
采用變頻器作為異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，盡管其可靠性很高，但是如果使用不當(dāng)或偶然事件，也會(huì)造成變頻器的損壞，要想在生產(chǎn)過程中，使用好變頻器，熟悉變頻器的結(jié)構(gòu)原理，了解常見故障，對(duì)于技術(shù)人員尤為重要