高压变频器的工作原理和常见故障分析

蔡应祥

（云南大唐国际红河发电有限责任公司设备部，云南 开远 661699）

0 前言

采用交流变频器调速技术对交流电机进行调速，具有节电效果好、调速方便、保护功能完善、组态灵活、可靠性强等很多优点。由于交流变频调速技术的众多优越性，在火力发电领域也得到了非常广泛的应用，对火电厂内的风机、水泵等大功率耗能设备实现高压变频器调速改造，已成为公认的节能方案。随着变频器应用范围的扩大，检修维护工作中遇到的问题也越来越多。本方主要介绍了高压变频调速装置基本原理，并对高压变频器常见的故障进行分析，提出预防和处理的方法。

1 变频器概述

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换成各种频率的交流电源，向电动机提供变频电源，以实现改变电机速度的设备。 目前大部分高压变频器采用交直交功率单元多电平串联技术。高压电源直接连接高压变频器，通过功率单元模块串联输出0HZ～50 HZ频率可变的电源，无需增压装置直接驱动高压电机。高压变频器具有对外接口，支持在线和远程控制。可以通过速度、压力、温度、流量等传感器检测可以实现闭环控制。

与传统的调整方式相比，变频调速在调速范围、调速精度、动态响应、低速转矩、通信功能、智能控制、功率因素、节约电能、工作效率、使用方便等方面的优异性能，是其它的调速方式无法比拟的。

2 变频器的优点

2.1 节能效果显著

为有效地确保生产过程中的可靠性，各类用于生产的机械设备在设计配套动力驱动装置时，一般都会预留出一定的富余量。如果电动机未在满负荷的条件下运行时，除提供给动力驱动装置所需的动力外，一部分多余的力矩会造成有功功率消耗的增加，从而导致电能浪费。

传统的调速方法，即通过对出入口位置处的挡板或阀门开度进行调节，来控制风量和供水量，这样不仅输入的功率较大，而且还有很大一部分的能源消耗在挡板及阀门的截流过程中。而采用变频器进行调速时，若是在流量要求相对较小的情况下，便可通过降低风机或水泵的转速来满足正常的运行要求，变频调速使流量降低时，输送此流量的压力也随之降低，这是一种节能的调节，压力全部用于有用的做功，大幅度减少了在挡板或阀门上的节流损失。从而达到了节能的目的。同时，采用变频调速时，可以不使用液力耦合器，减少了机械设备，提高了使用效率，特别时低负荷运行时，变频器的节能效果更加显著。

2.2 延长设备使用寿命

采用变频器启动设备时，启动过程中对电机冲击小，降低绝缘损耗，启动时压力或风量更平稳；减少风机喘振或水泵水锤效应；低负荷运行时，机械系统运行转速降低，有效降低机械磨损；延长了设备的使用寿命，由于降低了对机械的冲击和磨损，延长了设备的使用寿命，大幅度降低了设备维护成本。

2.3 提高自动化水平

变频器输出频率可以在0～50 HZ间任意可调，频率调节范围宽，调节精度高，真正实现无极调速，易于实现网络化、自动化控制，对改善生产工艺控制、提高产品质量方面具有较好的使用效果。

2.4 减小对电网的启动冲击

变频器的使用，电机实现了软启动，启动电流小，限制在额定电流以下，对电网冲击小，对电机的启动次数没有限制，能够满足需频繁启停的设备的要求，变频器投运后谐波小，减少对电网的污染。

2.5 减少电源的功率储备

如果全电压启动设备，要保证不使电源电压维持在正常水平，就需要提高电源的功率储备，采用变频技术后，由于启动电流小，对电源电压的影响大幅降低，可大幅小电源的功率储备。

3 高压变频器的基本工作原理

高压变频器一般采用目前国际流行的功率单元串联多电平技术，系统为高-高结构。高压电直接输入变频器,经过变频器内部功率系统整流、逆变后，变频器直接高压输出至电机，不需要升压变压器等部件。

每个功率单元都是一台三相输入、单相输出的脉宽调制型低压变频器，技术可靠，结构和性能完全一致，极大的提高了高压变频器的可靠性与维护性；采用叠波技术，最大限度的消除了高压变频器输出电压中的谐波含量，电压波形接近于标准的正弦波，大大改善了变频器的输出性能，是真正的“完美无谐波”高压变频器。

变频器一般由以下几个部分组成：制动单元、微处理单元、滤波、整流、逆变、检测单元以及驱动单元等等。它能够按照电动机的具体需求为其提供所需的电源电压，从而实现调速和节能。此外，大部分变频器都具备多种保护功能，如过载保护、过电压保护以及过电流保护等，如下图所示。

图1 高压变频器的主电路

对于不同电压等级的高压变频系统，一般采用每相5～8个功率单元串联方案。通过主电路图，可以更加直观的了解变压器的副边绕组与功率单元以及各功率单元之间的电路连接方式：具有相同标号的3组副边绕组，分别向同一功率柜（同一级）内的三个功率单元供电。

第一级内每个功率单元的一个输出端连接在一起形成星型连接点，另一个输出端则与下一级功率单元的输出端相连，依此方式，将同一相的所有功率单元串联在一起，便形成了一个星型连接的三相高压电源，驱动电动机运行。

当电网电压为6kV时，变压器的副边输出电压即功率单元的输入电压为690V，每个功率单元的最高输出电压也为690V，同一相的五个单元串联后，相电压为690V×5=3450V，由于三相连接成星型，那么线电压便等于1.732×3450V≈6000V，达到电网电压的水平。

功率单元串联后得到的是阶梯正弦的PWM波形，PWM控制，脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要形状和幅值的波形，这种波形正弦度好，du/dt小，可减少对电机和电缆的绝缘损坏，无需输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电动机也不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗也大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和传动部分的机械应力。

图2 高压输出（线电压）

通过本相上的5（8）个功率单元输出的SPWM波相叠加后，可得到正弦波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，即使在低速下也能保持很好的波形。电机的谐波损耗大大减小，避免了由于输出谐波电流引起的电机发热，和转矩脉动引起的电机振动。

4 影响变频器正常运行的因素

由于导致变频器故障的原因较为复杂，并且影响因素也相对较多，从而增大了预防的难度，为有效降低或避免变频器故障的发生，应针对主要的影响因素采取相应的预防措施。

4.1 工作温度

温度是造成变频器故障的主要因素之一，变频器多是由一些大功率的电子元器件构成，它们非常容易受到工作温度的影响，温度过高或过低都会引起变频器不能正常工作，严重时造成元器的损坏，一般的变频器电路板的温度应控制在0℃～40℃这一范围内，ΙGBT功率元件的温度控制40℃以下。变频器必须严格按照说明书的要求进行安装，容易发热的元器件必须与柜体保持足够的距离，并且不允许紧贴地面进行安装。

4.2 环境温度

首先，应确保变频器所在工作地点的温度恒定，而且该温度应控制在要求的范围以内；其次，若是变频器工作环境的温度较高且温度变化较大，则其内部很容易出现结露的情况，这样会导致设备的绝缘下降，严重时还有可能造成短路，为防止这一现象的发生，可在变频器柜体内加适量的干燥剂。同时配备空调、空水冷装置等冷却设施。

4.3 腐蚀性气体

如果在变频器的工作环境中存在浓度较大的腐蚀性气体，那么不仅会对元器件的引线、电路板等造成腐蚀，而且还会加剧绝缘材料的老化速度，从而导致绝缘性能下降。变频器柜体的布置应尽量远离有腐蚀性气体环境，提高变频器柜体的防护等级，有条件的建设房屋进行隔离。

4.4 潮气

潮气对变频器也会造成影响，变频器内有很多电路板，如果变频器环境周围的湿度过大，潮气凝结在电路板上，就会使电路板的绝缘降低，严重时造成短路，损坏电路板，从而影响到变频器的正常工作。

4.5 粉尘

粉尘对电路板的影响也是致命的，由于静电和冷却装置负压的作用，变频器工作一段时间后，变频器内元器件都会聚积一定量的粉尘，如果不及时进行清理，有可能造成短路，损坏电路。

5 变频器的日常维护

5.1 通风要求

为保证变频器的冷却，应经常对变频器内部通风情况进行检查，一旦发现通风不畅，应立即更换滤网，以此来确保其内部空气流通，热量也能够及时散发。

5.2 对温度的要求

变频室内温度应保持在0～40℃之间，变压器温度应不超过110℃，而且三线显示应平衡；若使用空水冷系统的进水温度应低于35度。

5.3 对湿度的要求

阴雨天气应及时检查防止雨水进入变频器内部，环境湿度过高应在变频器室内加装湿度干燥机，长时间不使用变频器时一个月内应对变频器充一次电，每次充电时间大于24小时，以防电解电容发生漏电增加、耐压降低的劣化现象。

5.4 防尘要求

变频室应保证密封良好，避免灰尘进入变频器室，每个月对变频器滤网清扫一次，每运行半年，用带塑料吸嘴的吸尘器对控制机内部、高压变频调速装置的功率单元、变压器一次、二次线圈进行一次全面的除尘处理。

5.5 电气元器件的检查

每次检修时，应检查功率单元的固定螺丝是否紧固，是否发生松动或变色，底座环氧绝缘板是否有放电痕迹；电缆接头接触是否良好，有无变色，裂纹、破损放电痕迹等现象；测量电缆和功率单元的底座环氧绝缘板绝缘良好；检查变压器各部绝缘是否良好，绝缘有无过热变形、铁芯单点接地是否良好，并按试验要求进行各项电气试验正常等。

6 高压变频器故障分析

高压变频调速装置一般都有完善的保护功能，能够检测故障和报警信息，可对内部发生的故障进行保护。并将它们保存在记录中。高压变频调速装置处于故障状态时，封锁所有ΙGBT，使电机失电自由停车保存并显示故障记录；处于报警状态时，继续运行，保存并显示报警记录，待排除问题后，报警消失。高压变频属于高压电子设备，内部由微电子元件、大功率开关器件、变压器等主要器件构成，一旦某个器件出现质量问题都会造成变频器故障。另变频器受负载、环境、操作失误等多方面影响变频器都会出现故障。高压变频器根据实际现场应用情况故障可以分为以下几类：

6.1 电网波动故障

高压变频器是串联在控制系统中，上级联接高压电源电源，下级联接电机负载。由于电网的供电电源发生故障、供电电源电压升高或者降低、三相供电不平衡、单项电网接地、雷击都会造成变频器故障。供电系统出现问题轻变频器会保护动作，电源波动严重会直接导致器件损坏。

6.2 负载故障

电机负载突变引起的冲击过大、电机绝缘破坏造成匝间或相间对地短路电机电流忽然增加、工艺的改变产量增加导致负载发生变化、辅助设备及高压电缆绝缘降低等问题都会发生变频器故障保护动作。此类故障在处理时比较繁琐要结合整个系统分析。

6.3 环境温度问题

由于高压变频器内部是大功率的电子元器件，因此对其工作的物理环境和电气环境具有很高的要求，若物理环境和电气环境达不到其要求，变频器常常会以故障的方式反馈出来。在炎热的夏季过温是变频器经常发生的故障，引起故障可能的原因是变频器工作的环境温度过高，导致变频器的散热器温度超过报警温度严重会导致器件损坏。

6.4 电气件质量问题

变频器内由控制芯片、集成电路、晶体管、电容、整流桥、ΙGBT、控制类电器等元气件组成。受现场环境、温度、老化等因素影响会出现质量问题。当变频器内的某个器件出现问题都会造成变频器故障。

6.5 设置错误

高压变频器的参数设定十分重要的。由于参数设定不当，硬件跳线设置不正确，不能满足生产的需要，导致启动和保护的失败，或工作时常跳闸，严重时还会烧毁功率模块ΙGBT或整流桥等器件。V/F曲线参数、矢量控制参数、PΙD控制等主要参数在变频控制主要作用，设置不当会使变频器出现故障。

6.6 通讯故障

功率单元板持续3个开关周期（约6ms）未接收到同步信号则系统报出对应单元的下行光纤故障。

7 结束语

变频器作为一种智能设备，整体结构比较复杂，任何一个元器件发生故障会使其不能正常工作，检修维护人员只有掌握变频装置的工作原理，了解其工作要求，熟悉变频器的结构和各部份的主要作用，在工作中不断总结经验，提高维护及检修水平，才能确保其能长期稳定运行，发挥其应有的性能。