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    變頻器故障綜合分析與處理方法

    2006-10-12 控制工程

       1、引言 

           隨著科學技術水平的不斷提高,新型大功率電力電子元器件的誕生,集成電路 

    和微機技術的應用,交流變頻調速技術已日趨完善和成熟。交流變頻調速系統以調速范圍寬、動態響應快、調速精度高、保護功能完善和操作簡單等優點,已在冶金、石化、電力、機械、民用電器等行業得到廣泛應用。 

           變頻器在正常使用6-10年后,就進入故障的高發期,經常會出現元器件燒壞、失效、保護功能頻繁動作等故障現象,嚴重影響其正常運行。在長期從事設備維修工作中,本人遇到過許多不同的變頻器故障,在對其處理過程中,發現其故障類別有一定的共性和規律。在實際維修中,只要抓住其特征,掌握故障處理的規律,就能做好變頻器的維修工作,使變頻器在實際中出現的各種故障得到及時處理和解決,并延長其使用壽命。首先,要根據變頻器的使用技術規范要求,制定完善的日常維護措施和檢修周期,使故障隱患在初期得到解決,尤其是在惡劣環境條件下使用的變頻器,這項措施更為重要。其次,專業維修人員必須全面了解其原理、結構和控制方式等常識。此外,還要有豐富的實踐維修經驗和扎實的電氣理論知識。 

        2、變頻器應用現狀 

           在實際設備維修中,遇到最多的是進口變頻器。如富士、三星、ABB、AB、西門子等廠家。特別是在大、中型企業舊設備技術改造中,應用最為廣泛。其原因是由于十多年前國內生產變頻器的廠家很少,其產品功能簡單、性能低、質量不高。而進口變頻器機型多、技術成熟、功能齊全、性能優越、質量高、耐用的特點,并且適合不同設備拖動需求,故占據著國內變頻器市場的主要部分。在多年的實際使用中,發現進口變頻器也存在著一個很大的問題,就是國內多數代理商和經銷商在推銷進口變頻器時,一般是以國外已開始淘汰的機型為主,由于這類產品的價格不高,國內企業普遍能夠接受。另外,國企在設備技術改造中,因改造資金不足、對方案設計不重視、審批專業性不強等其它原因,會自然選擇這種機型。故設備技術改造完成2-3年后,就出現變頻器維修配件或整機購買不到現象。代理商以這種產品淘汰,又推銷另外一種機型,結果出現了同一個設備改造項目,卻采用多種機型控制的情況。如我廠炭素一、二期焙燒4臺多功能天車變頻器改造,分別采用AB公司AC800-01、AC800-02兩種變頻器(2臺是2002年實施的改造;另2臺是2003年完成的)。又如我廠炭素凈化系統4臺200kW的排煙機2001年選用ABB公司ASC600(250kW)機型實施變頻器改造后,運行3年多,就有2臺變頻器因無備件停用(因這種機型淘汰,已不生產,無備件供應)。 

           隨著經濟和技術的迅速發展和進步,近幾年國內眾多廠家在變頻器研制和開發方面,已開始了大規模資金和人力的投入。目前國產變頻器在控制技術和功能上,已取得了顯著的進步和成就。但由于過去的遺留的舊觀念和態度,人們在實際應用中,仍然對國產變頻器的性能和質量有較深的懷疑和偏見,故目前制約著國產變頻器推廣和應用。但國產變頻器以其低價格,維修方便、配件供應及時等優點,正在逐漸被國內企業技術人員認可和接納。 
         
        3、變頻器的常見故障及維修對策  

           目前,大多數國內企業中,由于維修人員素質、能力、實踐經驗及設備管理不到位等原因,在設備維修工作上,主要采取設備元部件整體更換的維修工作方式。對于設備中變頻器維修,也普遍采取整機報廢、更換(或更新)維修方式。故企業內廢舊整機變頻器數量很多,每年要花費大量資金購置新的變頻器,以維持實際設備運行需要。另外,由于變頻器在使用中故障頻繁,從維修人員到管理層普遍認為只有進口機型,才有高質量、低故障的保障。對變頻器使用環境、維護不重視,將各類異常故障歸結于質量問題,故出現了設備完成變頻器技術改造的幾年后,又提出了新的設備變頻器技改項目(這種技改其實是變頻器更新工作),使一臺設備多次實施技改,浪費了大量資金,影響著企業生產成本降低和效益的提高。 

        3.1 變頻器故障分類 

           根據變頻器發生故障或損壞的特征,一般可分為兩類;一種是在運行中頻繁出現的自動停機現象,并伴隨著一定的故障顯示代碼,其處理措施可根據隨機說明書上提供的指導方法,進行處理和解決。這類故障一般是由于變頻器運行參數設定不合適,或外部工況、條件不滿足變頻器使用要求所產生的一種保護動作現象;另一類是由于使用環境惡劣,高溫、導電粉塵引起的短路、潮濕引起的絕緣降低或擊穿等突發故障(嚴重時,會出現打火、爆炸等異常現象)。這類故障發生后,一般會使變頻器無任何顯示,其處理方法是先對變頻器解體檢查,重點查找損壞件,根據故障發生區,進行清理、測量、更換,然后全面測試,再恢復系統,空載試運行,觀察觸發回路輸出側的波形,當6組波形大小、相位差相等后,再加載運行,達到解決故障的目的。本文主要闡述第二類故障的分析和處理方法。 

    主電路故障 
           根據對變頻器實際故障發生次數和停機時間統計,主電路的故障率占60%以上;運行參數設定不當,導致的故障占20%左右;控制電路板出現的故障占15%;操作失誤和外部異常引起的故障占5%。從故障程度和處理困難性統計,此類故障發生必然造成元器件的損壞和報廢。是變頻器維修費用的主要消耗部分。 

        (1)整流塊的損壞 

           變頻器整流橋的損壞也是變頻器的常見故障之一,早期生產的變頻器整流塊均以二極管整流為主,目前部分整流塊采用晶閘管的整流方式(調壓調頻型變頻器)。中、大功率普通變頻器整流模塊一般為三相全波整流,承擔著變頻器所有輸出電能的整流,易過熱,也易擊穿,其損壞后一般會出現變頻器不能送電、保險熔斷等現象,三相輸入或輸出端呈低阻值(正常時其阻值達到兆歐以上)或短路。在更換整流塊時,要求其在與散熱片接觸面上均勻地涂上一層傳熱性能良好的硅導熱膏,再緊固螺絲。如果沒有同型號整流塊時,可用同容量的其它類型的整流塊替代,其固定螺絲孔,必須重新鉆孔、攻絲,再安裝、接線。例如,一臺80年代中期西門子生產的變頻器(7.5kVA)整流模塊(橢圓形)擊穿后,因無同類整流塊配件,采用三墾生產的同容量整流塊(矩形)替代后,已運行多年,目前仍然能正常 
    使用。 

        (2)充電電阻易損壞 

           導致變頻器充電電阻損壞原因一般是:如主回路接觸器吸合不好時,造成通流時間過長而燒壞;或充電電流太大而燒壞電阻;或由于重載啟動時,主回路通電和RUN信號同時接通,使充電電阻既要通過充電電流,同時又要通過負載逆變電流,故易被燒壞。其損壞的特征,一般表現為燒毀、外殼變黑、炸裂等損壞痕跡。也可根據萬用表測量其電阻(不同容量的機器,其阻值不同,可參考同一種機型的阻值大小確定)判斷。 

        (3)逆變器模塊燒壞 

           中、小型變頻器一般用三組IGTR(大功率晶體管模塊);大容量的機種均采用多組IGTR并聯,故測量檢查時應分別逐一進行檢測。IGTR的損壞也可引起變頻器OC(+pA或+pd或+pn)保護功能動作。逆變器模塊的損壞原因很多:如輸出負載發生短路;負載過大,大電流持續運行;負載波動很大,導致浪涌電流過大;冷卻風扇效果差;致使模塊溫度過高,導致模塊燒壞、性能變差、參數變化等問題,引起逆變器輸出異常。如一臺FRN22G11S-4CX變頻器,輸出電壓三相差為106V,解體在線檢查逆變模塊(6MBP100RS-120)外觀,沒發現異常,測量6路驅動電路也沒發現故障,將逆變模塊拆下測量發現有一組模塊不能正常導通,該模塊參數變化很大(與其它兩組比較),更換之后,通電運行正常。又如MF-30K-380變頻器在啟動時出現直流回路過壓跳閘故障。這臺變頻器并不是每次啟動時,都會過壓跳閘。檢查時發現變頻器在通電(控制面板上無通電顯示信號)后,測得直流回路電壓達到500V以上,由于該型變頻器直流回路的正極串接1只SK-25接觸器。在有合閘信號時經過預充電過程后吸合,故懷疑預充電回路性能不良,斷開預充電回路,情況依舊。用電容表檢查濾波電容發現已失效,更換電容后,變頻器工作正常。 

    輔助控制電路故障 
           變頻器驅動電路、保護信號檢測及處理電路、脈沖發生及信號處理電路等控制電路稱為輔助電路。輔助電路發生故障后,其故障原因較為復雜,除固化程序丟失或集成塊損壞(這類故障處理方法一般只能采用控制板整塊更換或集成塊更換)外,其他故障較易判斷和處理。 

        (1)驅動電路故障 

           驅動電路用于驅動逆變器IGTR,也易發生故障。一般有明顯的損壞痕跡,諸如器件(電容、電阻、三極管及印刷板等)爆裂、變色、斷線等異常現象,但不會出現驅動電路全部損壞情況。處理方法一般是按照原理圖,每組驅動電路逐級逆向檢查、測量、替代、比較等方法;或與另一塊正品(新的)驅動板對照檢查、逐級尋找故障點。處理故障步驟:首先對整塊電路板清灰除污。如發現印刷電路斷線,則補線處理;查出損壞器件即更換;根據筆者實踐經驗分析,對懷疑的元器件,進行測量、對比、替代等方法判斷,有的器件需要離線測定。驅動電路修復后,還要應用示波器觀察各組驅動電路信號的輸出波形,如果三相脈沖大小、相位不相等,則驅動電路仍然有異常處(更換的元器件參數不匹配,也會引起這類現象),應重復檢查、處理。大功率晶體管工作的驅動電路的損壞也是導致過流保護功能動作的原因之一。驅動電路損壞表現出來最常見的現象是缺相,或三相輸出電壓不相等,三相電流不平衡等特征。 

        (2)開關電源損壞 

           開關電源損壞的一個比較明顯的特征就是變頻器通電后無顯示。如:富士G5S變頻器采用了兩級開關電源,其原理是主直流回路的直流電壓由500V以上降為300V左右,然后再經過一級開關降壓,電源輸出5V,24V等多路電源。開關電源的損壞常見的有開關管擊穿,脈沖變壓器燒壞,以及次級輸出整流二極管損壞,濾波電容使用時間過長,導致電容特性變化(容量降低或漏電電流較大),穩壓能力下降,也容易引起開關電源的損壞。富士G9S則使用了一片開關電源專用的波形發生芯片,由于受到主回路高電壓的竄入,經常會導致此芯片的損壞,由于此芯片市場很少能買到,引起的損壞較難修復。 

           另外,變頻器通電后無顯示,也是較常見的故障現象之一,引起這類故障原因,多數也是由于開關電源的損壞所致。如MF系列變頻器的開關電源采用的是較常見的反激式開關電源控制方式,開關電源的輸出級電路發生短路也會引起開關電源損壞,從而導致變頻器無顯示。 

        (3)反饋、檢測電路故障 

           在使用變頻器過程中,經常會碰到變頻器無輸出現象。驅動電路損壞、逆變模塊損壞都有可能引起變頻器無輸出,此外輸出反饋電路出現故障也能引起此類故障現象。有時在實際中遇到變頻器有輸出頻率,沒有輸出電壓(實際輸出電壓非常小,可認為無輸出),這時則應考慮一下是否是反饋電路出現了故障所致。在反饋電路中用于降壓的反饋電阻是較容易出現故障的元件之一;檢測電路的損壞也是導致變頻器顯示OC(+pA或+pd或+pn)保護功能動作的原因,檢測電流的霍爾傳感器由于受溫度,濕度等環境因素的影響,工作點容易發生飄移,導致OC報警。 

           總之,變頻器常見故障有過流、過壓、欠壓以及過熱保護,并有相應的故障代碼,不同的機型有不同的代碼,其代碼含義可查閱隨機使用說明書,參考處理措施進行解決。過流經常是由于GTR(或IGBT)功率模塊的損壞而導致的,在更換功率模塊的同時,應先檢查驅動電路的工作狀態,以免由于驅動電路的損壞,導致GTR(或IGBT)功率模塊的重復損壞;欠壓故障發生的主要原因是快速熔斷器或整流模塊的損壞,以及電壓檢測電路的損壞,電壓檢測采樣信號是從主直流回路直接取樣,經高阻值電阻降壓,并通過光耦隔離后送到CPU處理,由高低電平判斷是欠壓還是過壓;過熱停機,多數原因是由冷卻風扇散熱不足引起的。如我廠鋁電解車間環境惡劣,高粉塵、高溫(夏季廠房上部氣溫高達56℃)、高氧化鋁粉塵、氟化氫腐蝕氣體使多功能天車上變頻器內電路板易積塵、風扇粘死、電子器件老化迅速、GTR(或IGBT 
    模塊過熱燒壞,故經常出現過熱保護,特別是在夏季,這種現象更加頻繁,而且模塊燒壞率很高,即使進口機型(如Siemens、senken、fuji等)情況也是如此。為解決這個問題,我們通過加大天車上使用變頻器容量,才初步降低了變頻器的故障率和報廢率,但效果并不理想。 
         
        4、降低變頻器故障和延長使用壽命的措施 

        根據實驗證明,變頻器的使用環境溫度每升高10℃,則其使用壽命減少一半。為此在日常使用中,應根據變頻器的實際使用環境狀況和負載特點,制定出合理的檢修周期和制度,在每個使用周期后,將變頻器整體解體、檢查、測量等全面維護一次,使故障隱患在初期被發現和處理。 

        4.1 作好檢修工作 

        (1)定期(根據實際環境確定其周期間隔長短)對變頻器進行全面檢查維護,必要時可將整流模塊、逆變模塊和控制柜內的線路板進行解體、檢查、測量、除塵和緊固。由于變頻器下進風口、上出風口常會因積塵或因積塵過多而堵塞,其本身散熱量高,要求通風量大,故運行一定時間后,其電路板上(因靜電作用)有積塵,須清潔和檢查。 

        (2)對線路板、母排等維修后,要進行必要的防腐處理,涂刷絕緣漆,對已出現局部放電、拉弧的母排須取除其毛刺,并進行絕緣處理。對已絕緣擊穿的絕緣柱,須清除炭化或更換。 

        (3)對所有接線端檢查、緊固,防止松動引起嚴重發熱現象的發生。 

        (4)對輸入(包括輸出)端、整流模塊、逆變模塊、直流電容和快熔等器件進行全面檢查、參數測定,發現燒毀或參數變化大的器件應及時更換。 

        (5)對變頻器內風扇轉動狀況、要經常仔細檢查,斷電后,用手轉動風葉,觀察軸承有無卡死或轉動不靈活現象,必要時更換處理。 

        (6)仔細檢查控制電路板上電子元器件,檢查和處理脫焊、變色、鼓肚、開裂、斷線(印刷板線路)等異常現象,必要時對外表異常的元器件,可從電路板上脫焊測量檢查或更換。 

        (7)由于變頻器在設計時其電子元器件考慮了使用老化引起的容量降低問題,故在維修中,不必對容量降低小的電容立即更換。在實際中,電容容量降低高低與變頻器使用環境、負載大小、工作制等狀況有直接的關系,惡劣環境、負載越大、停啟頻繁等運行狀況,會加速直流主電容老化。另外,定期維護時,要詳細檢查主直流回路電容器有無漏液、外殼有無膨脹、鼓泡或變形,安全閥是否沖開,并對電容容量、漏電流(漏電流大,會使電容器過熱,引起安全閥沖開,甚至電容爆炸)、耐壓等進行測試,對容量降低30%以上、漏電流超過70mA、耐壓低于650V的電容應及時更換。對新電容或長期閑置未使用的電容,應進行性能測試,滿足使用要求后才可替換使用。 

        (8)對整流塊、逆變GTR(或IGBT)等大載流量的器件要用萬用表、電橋等儀器、工具進行檢測和耐壓實驗,測定其正向、反向電阻值,并做表格記錄,對參數相差較大的模塊要更換。 

        (9)對主接觸器及其它輔助繼電器進行檢查,仔細觀察各接觸器動靜觸頭有無拉弧、毛刺或表面氧化、凹凸不平,發現此類問題應對其相應的動靜觸頭進行更換,確保其接觸安全可靠。 

        (10)經常檢查電源電壓波動程度。改善變頻器使用環境和負載波動大的現象,避免大電流對變頻器沖擊的影響。 
         
        5、結束語 

           在變頻器的應用中,只有滿足其設計工作要求和正常使用的各項條件,才能使其長期、安全、穩定的運行。如果是在惡劣的工作環境下使用,就要加倍重視變頻器的日常維護和檢修工作,改善變頻器使用環境和負載波動大的現象。才能保證變頻器可靠、平穩、安全地發揮其各項性能,達到調速運行、節約電能和降低維修費用的目的。  


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