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變頻調(diào)速器的維護(hù)保養(yǎng)與故障分析
變頻調(diào)速器的維護(hù)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(dòng)化程度等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在全國各行各業(yè)迅速地普及推廣。為便于技術(shù)人員及維護(hù)人員制訂系統(tǒng)、周全的維修保養(yǎng)計(jì)劃，本文將介紹變頻器內(nèi)部各個(gè)組成部分的特點(diǎn)和故障形態(tài)，并結(jié)合自身及日立公司在變頻器質(zhì)保方面多年的經(jīng)驗(yàn)，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(dǎo)體電子元件、電力電子元件和電器元件組成的復(fù)雜裝置，結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)及保護(hù)回路、冷卻風(fēng)扇等幾部分組成。由于電路板多采用SMT表面貼裝技術(shù)，而用戶的條件及掌握的資料有限，為縮短維修時(shí)間，對(duì)用戶的要求一般只限于根據(jù)故障情況找出故障的單元或模塊即可，即只作單元級(jí)或板級(jí)檢查維修。
盡管變頻器相對(duì)過去已經(jīng)采用了多種新型部件和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，但從目前的元件技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)性考慮，仍不可避免采用壽命相對(duì)較短的零部件。與此同時(shí)，還不排除零部件受到安裝環(huán)境的影響，其壽命可能比預(yù)期的10年以上要短。我們總結(jié)了變頻器的故障情況后，發(fā)現(xiàn)變頻器的故障率與使用時(shí)間有圖1所示的關(guān)系。
圖1
圖中的初期故障是指變頻器在安裝調(diào)試和初期運(yùn)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(jīng)過零件制造廠家出廠檢測(cè)，變頻器生產(chǎn)廠家進(jìn)廠入庫前的抽樣檢測(cè)，以及變頻器出廠前經(jīng)過嚴(yán)格的整機(jī)檢測(cè)，能使變頻器故障率降低到程度。個(gè)別零件存在隱患和現(xiàn)場(chǎng)安裝及初期運(yùn)行時(shí)的誤操作，致使這一期間變頻器故障率較高。
當(dāng)變頻器投入正常使用后，在較長的一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)故障的情況明顯減少，這時(shí)的故障從內(nèi)因來說是某個(gè)零件發(fā)生突發(fā)性故障，從外因來說是變頻器內(nèi)部進(jìn)水或金屬屑以及灰塵潮濕引起的故障。由于偶然性強(qiáng)、較難預(yù)料，故稱為偶發(fā)故障。一般來說，在開發(fā)設(shè)計(jì)階段有針對(duì)性地增加零部件的額定余量，在使用階段加強(qiáng)維護(hù)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(shí)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(duì)變頻器進(jìn)行定期的檢查和保養(yǎng)，在估計(jì)零部件即將到達(dá)使用壽命時(shí)進(jìn)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(diǎn)
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(duì)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(nèi)部溫度所決定。在主回路設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)根據(jù)電源電壓選定了電容器的型號(hào)，所以內(nèi)部的溫度對(duì)電解電容器的壽命起決定作用。
電解電容器相對(duì)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?yàn)殡娊怆娙萜鲀?nèi)部的化學(xué)反應(yīng)隨著溫度的升高導(dǎo)致劣化速度加快。劣化速度與材料溫度的關(guān)系遵循阿列里烏斯理論（電解液理論）。電解電容器的內(nèi)部溫度實(shí)際上是電容器周圍環(huán)境溫度與脈動(dòng)電流造成的溫度之和。因此，一方面我們應(yīng)該在安裝時(shí)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(dòng)電流。對(duì)用戶來說，采用改善功率因數(shù)的交流或直流電抗器后可以減小脈動(dòng)電流，從而延長電解電容器的壽命。另外，當(dāng)變頻器在風(fēng)機(jī)、水泵類遞減轉(zhuǎn)矩負(fù)載上使用時(shí)，由于脈動(dòng)電流被較大幅度減低，對(duì)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(huì)出現(xiàn)靜電容量減小，漏電流增大，等價(jià)電阻值增大，tgδ值增大等現(xiàn)象。維護(hù)保養(yǎng)時(shí)通常以比較容易測(cè)量的靜電容量來判斷電解電容器的劣化情況，當(dāng)靜電容量低于初期值的80%，絕緣阻抗在5MΩ以下時(shí)應(yīng)考慮更換電解電容器。由于變頻器的結(jié)構(gòu)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(wù)，費(fèi)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(jiǎn)單拆換的結(jié)構(gòu)，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(xiàn)象：變頻器在加速、勻速和減速時(shí)出現(xiàn)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(fù)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(shí)的電流超過了變頻器的額定電流或者電子熱繼電器的設(shè)定值，而三相電壓和電流是平衡的，則應(yīng)考慮是否過載或負(fù)載突變，如電機(jī)堵轉(zhuǎn)等。在負(fù)載慣性較大的場(chǎng)合，可適當(dāng)延長加速時(shí)間，此時(shí)變頻器本身并無損壞。若跳閘時(shí)的電流在變頻器的額定電流或者電子熱繼電器的設(shè)定值范圍內(nèi)，可判定IPM模塊或相關(guān)部分發(fā)生故障。首先可以通過測(cè)量變頻器主回路端子輸出三相U、V、W分別與直流側(cè)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(qū)動(dòng)電路出了故障，一般這種情況比較少見。如果是減速時(shí)IPM模塊過流或是變頻器對(duì)地短路跳閘，一般是逆變橋的上半橋的模塊或其驅(qū)動(dòng)電路部分發(fā)生故障，而加速時(shí)IPM模塊過流則是下半橋的模塊或其驅(qū)動(dòng)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(jìn)入變頻器內(nèi)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(nèi)部接觸器損壞，而整流模塊燒損或電流傳感器損壞等現(xiàn)象較為少見，主要是由于內(nèi)部電源過電壓，電機(jī)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(dòng)電流是一定的，基本不受主回路負(fù)載的影響，故其壽命主要由溫度和通電時(shí)間決定。