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李方園（1973-）

男，浙江舟山人，畢業(yè)于浙江大學(xué)電氣自動(dòng)化專業(yè)，高級(jí)工程師，
長(zhǎng)期從事于變頻器等現(xiàn)代工控產(chǎn)品的應(yīng)用與研究工作。



摘要：變頻器的缺相主要分為輸入缺相和輸出缺相，其中輸入缺相主要存在于三相變頻器中。變頻器輸入缺相長(zhǎng)期運(yùn)行將損害整流橋，而變頻器輸出運(yùn)行將損害電動(dòng)機(jī)。本文將主要探討變頻器缺相故障形成的原因及其檢測(cè)方法和處理措施，并以“水泵變頻器缺相”案例闡述了缺相故障排除的步驟，同時(shí)對(duì)變頻器的主回路接線提出了有用的建議。

關(guān)鍵詞：變頻器；缺相故障；直流電容；交流接觸器

Abstract: The phase-failure of AC inverter includes the input phase-failure and 
output phase-failure. And the input phase-failure exists in the 3-phase inverter. 
The input phase-failure will damage the recififier for the long time running and 
output phase-failure will damage the motor. This paper analyzes the inverter 
phase-failure fault causes, as well as phase-failure problem to dectect and solve some common measures. Finnaly the example 
of “water pump inverter phase-failure” is explained and the phase-failure troubleshooting steps are carried out including the AC inverter main 
circuit connection suggestions.

Key words: AC inverter; Phase-failure fault; DC capacity; AC contactor

1  前言

    變頻器產(chǎn)品中主要有單相220V與三相380V的區(qū)分，當(dāng)然輸入缺相檢測(cè)只存在于三相的產(chǎn)品中。圖1所示為變頻器主電路，R、S、T為三相交流輸入，當(dāng)其中的一相因?yàn)槿蹟嗥骰驍嗦菲鞯墓收隙鴶嚅_時(shí)，便認(rèn)為是發(fā)生了輸入缺相故障。

                                           圖1   變頻器主回路

    變頻器缺相故障除了輸入缺相外，還有一種是輸出缺相，這將直接導(dǎo)致電機(jī)缺相運(yùn)行。缺相時(shí)，電機(jī)靜止時(shí)啟動(dòng)，電機(jī)就轉(zhuǎn)不起來(lái)。若是在運(yùn)行中缺相十分危險(xiǎn)，電機(jī)電流增大1.2倍，發(fā)熱嚴(yán)重，震動(dòng)加劇，急易燒壞電機(jī)。變頻器通過(guò)檢測(cè)輸出電流，就可以判斷三相輸出是否缺相。

    本文將主要探討變頻器缺相故障的危害、檢測(cè)方法及其處理措施。

2  變頻器輸入缺相的檢測(cè)方法

    當(dāng)變頻器不發(fā)生缺相的正常情況下工作時(shí)，Udc上的電壓如圖2所示，一個(gè)工頻周期內(nèi)將有6個(gè)波頭，此時(shí)直流電壓Udc將不會(huì)低于470V，實(shí)際上對(duì)于一個(gè)7.5kW的變頻器而言，其C的值大小一般為900uf，當(dāng)滿載運(yùn)行時(shí)，可以計(jì)算出周期性的電壓降落大致為40V，紋波系數(shù)不會(huì)超過(guò)7.5％。而當(dāng)輸入缺相發(fā)生時(shí)，一個(gè)工頻周期中只有2個(gè)電壓波頭，且整流電壓最低值為零。此時(shí)在上述條件下，可以估算出電壓降落大致為150V，紋波系數(shù)要達(dá)到30％左右。

                                          圖2   Udc上的電壓波形

    由此可以看出，在變頻器輸入缺相后仍在運(yùn)行時(shí)，電容C將被反復(fù)大范圍的充電，這種情況是不允許的，它必然將使電容器損壞，從而造成整臺(tái)變頻器的損壞。并且，若負(fù)載較輕，雖然不會(huì)造成電容的損壞，但是直流電壓的紋波系數(shù)相比于正常時(shí)將會(huì)增大很多，而且目前變頻器一般具有恒電壓控制功能，這將造成開關(guān)占空比的振蕩和負(fù)載電流的振蕩。而負(fù)載較重時(shí)，則進(jìn)一步損壞整流橋，促使變頻器故障幾率增大，如在送電時(shí)就發(fā)生缺相，由于單相大電流運(yùn)行極易造成變頻器燒毀。

    檢測(cè)變頻器輸入缺相，最簡(jiǎn)單的一種方法就是使用硬件檢測(cè)，如圖3所示是其中的一種方法。該電路中C0上的電壓高低將反映R、S、T三相輸入有無(wú)缺相，當(dāng)發(fā)生缺相時(shí)，C0上的電壓降低，光藕器件將不導(dǎo)通，A點(diǎn)的信號(hào)為高電平，對(duì)應(yīng)缺相的發(fā)生。

                                圖3   變頻器輸入缺相的硬件檢測(cè)方法

    當(dāng)然，還可以從軟件上進(jìn)行輸入缺相的檢測(cè)，這是因?yàn)閁dc在正常情況下，除直流成分外，其主要交流成分的周期為3.33ms，而在缺相的情況下，其主要交流成分的周期將變?yōu)?0ms，因此通過(guò)檢測(cè)Udc的交流成分的周期，就可以判斷其是否缺相。

3  變頻器缺相故障的對(duì)策

    對(duì)于變頻器發(fā)生缺相故障時(shí)，可以從以下幾方面進(jìn)行檢查：首先，通過(guò)電壓表或鉗型表來(lái)判斷變頻器輸入輸出是否正常。

    主回路電氣測(cè)量的說(shuō)明如表1所示。

                                            表1   主回路電氣測(cè)量

    （1）檢查變頻器的輸入和輸出線路是否正常。

    變頻器的很多故障是來(lái)自于外圍線路，如斷路器、接觸器、電抗器、濾波器等，只有確保外圍線路是正確無(wú)誤的情況下，才能使變頻器工作在安全可靠的電氣環(huán)境中。

    （2）檢查變頻器內(nèi)部的主回路，包括整流橋、IGBT和驅(qū)動(dòng)板。

    對(duì)于缺相故障，艾默生變頻器EV/TD系列故障代碼顯示E008（輸入側(cè)缺相）、E009（輸出側(cè)缺相）。故障定位如圖4和圖5所示。

                                       圖4  艾默生變頻器輸入側(cè)缺相故障定位

                               圖5   艾默生變頻器輸出側(cè)缺相故障定位

4  案例分析：水泵輸出缺相

4.1 故障現(xiàn)象

    某動(dòng)力廠使用艾默生TD2000-4T2800P變頻器用于江邊取水泵站，如圖6所示。水泵電機(jī)220kW，正常運(yùn)行電流300A，使用已有一年。最近使用中發(fā)現(xiàn)不定時(shí)輸出電流有突變，電流約增加1倍達(dá)到560A，電機(jī)振動(dòng)厲害，但變頻器不報(bào)故障。

                                           圖6   江邊取水泵站控制示意

4.2 分析處理

    現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)變頻器輸出側(cè)和電機(jī)之間分別接有一個(gè)斷路器和接觸器，如圖7所示。斷開電機(jī)，變頻器空載運(yùn)行，測(cè)量變頻器的三相輸出電壓均衡；再帶載運(yùn)行，測(cè)量變頻器的三相輸出電壓、電流，三相均衡，沒(méi)有問(wèn)題。正常運(yùn)行約1小時(shí)后，電流突然增大，又出現(xiàn)了上述問(wèn)題，這時(shí)用鉗型表測(cè)量三相輸出電流，發(fā)現(xiàn)U相電流為0，V相和W相嗲流為560A，再測(cè)量接觸器上端的三相電壓均正常，但測(cè)量接觸器下端時(shí)發(fā)現(xiàn)U相電壓為0，說(shuō)明問(wèn)題出在接觸器上。拆掉接觸器后直接運(yùn)行，故障消除。

                                    圖7   變頻器外部器件圖

4.3 案例歸納

    交流接觸器是廣泛用作電力的開斷和控制電路。它利用主接點(diǎn)來(lái)開閉電路，用輔助接點(diǎn)來(lái)執(zhí)行控制指令。主接點(diǎn)一般只有常開接點(diǎn)，而輔助接點(diǎn)常有兩對(duì)具有常開和常閉功能的接點(diǎn)，小型的接觸器也經(jīng)常作為中間繼電器配合主電路使用。交流接觸器的接點(diǎn)，由銀鎢合金制成，具有良好的導(dǎo)電性和耐高溫?zé)g性。 

    交流接觸器主要有四部分組成：(1) 電磁系統(tǒng)，包括吸引線圈、動(dòng)鐵芯和靜鐵芯；(2) 觸頭系統(tǒng)，包括三副主觸頭和兩個(gè)常開、兩個(gè)常閉輔助觸頭，它和動(dòng)鐵芯是連在一起互相聯(lián)動(dòng)的；(3) 滅弧裝置，一般容量較大的交流接觸器都設(shè)有滅弧裝置，以便迅速切斷電弧，免于燒壞主觸頭；(4) 絕緣外殼及附件，各種彈簧、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、短路環(huán)、接線柱等。當(dāng)線圈通電時(shí)，靜鐵芯產(chǎn)生電磁吸力，將動(dòng)鐵芯吸合，由于觸頭系統(tǒng)是與動(dòng)鐵芯聯(lián)動(dòng)的，因此動(dòng)鐵芯帶動(dòng)三條動(dòng)觸片同時(shí)運(yùn)行，觸點(diǎn)閉合，從而接通電源。當(dāng)線圈斷電時(shí)，吸力消失，動(dòng)鐵芯聯(lián)動(dòng)部分依靠彈簧的反作用力而分離，使主觸頭斷開，切斷電源。 

    圖8所示為常見(jiàn)的CJ20系列接觸器結(jié)構(gòu)，當(dāng)接觸器擺放不合理或者觸頭吸合不平時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生或這或那的問(wèn)題。另外由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，國(guó)內(nèi)有些廠家為降低成本，已經(jīng)在偷工減料，比如：在線圈的制作減小線徑甚至少繞匝數(shù)，在觸頭上用不符合國(guó)標(biāo)的材料或厚度和截面都不夠。這種情況不僅體現(xiàn)在接觸器上，在其他如短路器等產(chǎn)品上也是如此。造成在實(shí)際使用中，標(biāo)的是100A的接觸器或短路器，其實(shí)際負(fù)載量只能在80A甚至更低，故障率很高。因此，很多變頻器都不建議在輸出端設(shè)置接觸器，除非用于多泵切換。

                                    圖8   CJ20接觸器結(jié)構(gòu)圖

5  結(jié)束語(yǔ)

    變頻器的主回路配線包括進(jìn)線開關(guān)、變頻器本體、電動(dòng)機(jī)以及在三者之間的選配件組成的電路，依次為隔離開關(guān)、斷路器或熔斷器、交流輸入電抗器、接觸器、輸入EMI濾波器、直流電抗器、制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻、輸出EMI濾波器、交流輸出電抗器。

    在變頻器的主回路連接中，有以下幾個(gè)要點(diǎn)：在電網(wǎng)進(jìn)線和變頻器之間，必須安裝隔離開關(guān)等明顯分?jǐn)嘌b置，確保設(shè)備維修時(shí)人身安全；變頻器前必須安裝具有過(guò)流保護(hù)作用的斷路器或熔斷器，避免因后級(jí)設(shè)備故障造成故障范圍擴(kuò)大；接觸器用于供電控制時(shí)，不要用接觸器來(lái)控制變頻器上下電和起停；為保護(hù)電源對(duì)變頻器的影響，保護(hù)變頻器和抑制高次諧波，應(yīng)配置直流電抗器；當(dāng)電網(wǎng)波形畸變嚴(yán)重，或變頻器在配置直流電抗器后，變頻器與電源之間高次諧波的相互影響還不能滿足要去時(shí)，可增設(shè)交流輸入電抗器；當(dāng)電動(dòng)機(jī)到變頻器的連線超過(guò)80米時(shí)，建議采用多絞線并安裝可抑制高頻振蕩的交流輸出電抗器，避免電動(dòng)機(jī)絕緣損壞、漏電流過(guò)大和變頻器頻繁保護(hù)；可選配EMI濾波器來(lái)抑制從變頻器電源線發(fā)出的高頻噪聲干擾；可選配EMI濾波器來(lái)抑制從變頻器輸出側(cè)發(fā)出的高頻噪聲干擾和導(dǎo)線漏電流。



參考文獻(xiàn)

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