1  引言
    某水廠是日供水能力60萬噸的自來水廠，送水泵房安裝八套機(jī)組為SULZER的臥式離心泵配SIEMENS的1000kW電動(dòng)機(jī)，其中四套為調(diào)速機(jī)組，1993年由德國西門子公司引進(jìn)的電壓型PWM矢量控制型變頻器。先進(jìn)的變頻裝置在節(jié)約電能，減少維修，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化方面顯得非常優(yōu)越，筆者就變頻調(diào)速裝置在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析并提出了解決方案及對策，希望在此能起到拋磚引玉的作用。

2  變頻控制系統(tǒng)主回路介紹
    某廠采用的變頻裝置，是德國西門子公司生產(chǎn)的6SC3713-“P”型變頻器，屬電壓型PWM矢量控制型變頻器，它采用交—直—交電壓型脈寬調(diào)制（PWM），是一個(gè)能提供三相可變頻可調(diào)壓的系統(tǒng)，主回路如圖1所示。

圖1  變頻系統(tǒng)主接線原理圖

2.1 預(yù)充電回路
    在整流回路之前，采用了預(yù)充電回路，在變頻器投入運(yùn)行時(shí)，預(yù)充電接觸器K2先合閘，給電容器限流充電，10s后，直流電壓達(dá)到85％Ud（額定直流電壓），合主接觸器K1，釋放預(yù)充電接觸器K2，方才允許逆變。這是由于大容量電解電容器被擱置、停止使用時(shí)，其漏電流將增加，如果急劇地施加電壓，由于溫度升高可能損壞。對于變頻器停用六個(gè)月以上，則需進(jìn)行緩慢充電 “老化”（每停用一年老化約需1h），充電時(shí)直流電壓階梯升高，待漏電流減小后，才能投入使用。
2.2 十二相不可控整流器
    變壓器多相運(yùn)行，是抑制和減少諧波電流的有效措施；現(xiàn)將兩組三相橋式整流電路，用整流變壓器聯(lián)系起來，其初級繞組接成三角形，次級繞組一組接成星形，另一組接成三角形，得到聯(lián)結(jié)組標(biāo)號為Ｄ,y5,d0，變壓器兩組次級繞組的線電壓相等，但兩組三相橋的三相電源在相位上卻相差30°，將其輸出疊加可得到12個(gè)波頭的整流波形，比6個(gè)波頭的整流波形更加平滑；而且每組整流橋只承擔(dān)一半電流，降低了對功率元件容量的要求。12脈波的效果則可減小低次諧波電流，起到了很好的諧波抑制作用。
2.3 大電容直流環(huán)節(jié)
    采用電容器濾波，使逆變器輸入端的直流電壓保持恒定，而不受負(fù)載變化的影響，起解耦作用；在直流環(huán)節(jié)和負(fù)載之間有無功功率的流動(dòng)，電容作為貯能元件，以緩沖無功能量，為電機(jī)提供無功電流。
2.4 大功率GTO逆變器
    由12個(gè)GTO反并聯(lián)12個(gè)反饋二極管（為滯后的負(fù)載電流提供反饋到電源的通路）構(gòu)成雙三相橋式逆變器，GTO在性能方面兼有晶閘管和晶體管的優(yōu)點(diǎn)，即可以高電壓、大電流化。GTO與其相連的二極管都是電子開關(guān)元件，GTO的開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通晶閘管，并由其控制極控制自行關(guān)斷，擺脫了普通晶閘管換流的麻煩，特別適用于PWM控制。

3  變頻系統(tǒng)故障特征
    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。該系統(tǒng)具有綜合診斷能力，貯存故障信息，便于查閱，此變頻裝置的故障檢測電路，不但能及時(shí)準(zhǔn)確地檢測出故障的原因，而且能記憶并顯示出故障的類型，同時(shí)還能自動(dòng)地切斷變頻裝置的電源。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，即只作單元級或板級檢查維修。盡管變頻器相對過去已經(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，仍不可避免地采用壽命相對較短的零部件。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。筆者總結(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2所示的關(guān)系。

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圖2  變頻器故障特征

    圖2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，變頻器生產(chǎn)廠家進(jìn)廠入庫前的抽樣檢測，以及變頻器出廠前經(jīng)過嚴(yán)格的整機(jī)檢測，能使變頻器故障率降低到最低程度。個(gè)別零件存在隱患和現(xiàn)場安裝及初期運(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。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。
    從近幾年維修變頻器的經(jīng)驗(yàn)來看，與強(qiáng)電相關(guān)的器件、大功率器件，電源部分以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)部分電路損壞頻率較高，當(dāng)然在以后的維修過程中會出現(xiàn)各種各樣的故障現(xiàn)象，表現(xiàn)與其相應(yīng)的電子電路有關(guān)。電子設(shè)備的維修過程就是尋找相應(yīng)故障點(diǎn)的過程。在維修過程中，應(yīng)該堅(jiān)持以人為主，設(shè)備為輔的原則，充分發(fā)揮人的主觀能動(dòng)性，降低維修成本，從故障現(xiàn)象入手，分析電路原理、時(shí)序關(guān)系、工作過程，找出各種可能存在的故障點(diǎn)，然后借助一些維修檢測設(shè)備，確定故障點(diǎn)，確定故障元器件，（包括定性與定量指標(biāo)），然后尋找相應(yīng)的器件進(jìn)行替換，使設(shè)備恢復(fù)其固有的性能指標(biāo)。
3.1 一般的維修過程
    （1）第一步，向值班人員詢問變頻器的故障現(xiàn)象，包括故障發(fā)生前后外部環(huán)境的變化。例如，電源的異常波動(dòng)、負(fù)載的變化；
    （2）第二步，根據(jù)值班人員的故障描述，分析可能造成此類故障的原因；
    （3）第三步，打開被維修的設(shè)備，確認(rèn)被損壞的程序，分析維修恢復(fù)的可行性；
    （4）第四步，根據(jù)被損壞器件的工作位置，通過閱讀電路，分析電路工作原理，從中找出損壞器件的原因,以及一些相關(guān)的電子電路；
    （5）第五步，尋找相關(guān)的器件進(jìn)行替換；
    （6）第六步，在確定所有可能造成故障，所有原因都排除的情況下，通電進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在做這一步的時(shí)候，一般要求所有的外部條件都具備，并且不會引起故障的進(jìn)一步擴(kuò)大。
    （7）第七步，在設(shè)備工作正常的情況下，就可以進(jìn)入下一個(gè)程序，系統(tǒng)測試。
3.2 一般維修中的注意事項(xiàng)
    （1）維修變頻器前須將變頻器放電，可用燈泡或大電阻等；
    （2）維修用示波器須與大地隔離，可用1∶1的隔離變壓器；
    （3）在更換板子時(shí)，維修人員須做好防靜電措施。

4  變頻系統(tǒng)主要部件故障分析與處理
4.1 典型示例分析  
    該系統(tǒng)由于是高壓大功率變頻，維修技術(shù)難度大，維修工藝要求高，設(shè)備造價(jià)高，備品備件價(jià)格昂貴，因此在維修過程中要倍加小心。筆者現(xiàn)就維修中出現(xiàn)的主要故障介紹如下：
    （1）故障現(xiàn)象之一
    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。
    ● 故障分析：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。
    ● 檢查處理：首先可以通過測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。經(jīng)過對控制電路板清潔除塵后，故障消失。
    （2）故障現(xiàn)象之二
    2004年2月13日上午約十點(diǎn)，某廠送水泵房3#變頻器在正常運(yùn)行的情況下，突然發(fā)出強(qiáng)烈的爆炸聲，經(jīng)查發(fā)現(xiàn)變頻器兩個(gè)進(jìn)線柜均有一組主接觸器拉弧觸頭損壞，整流柜六個(gè)快熔燒毀，電容柜上部直流正極母排變形后直接對地短路，整個(gè)電容柜上部在強(qiáng)烈的電弧作用下柜體上部及部分電容表面變黑，后部部分電容在強(qiáng)烈電弧作用后表面覆有銅粉，電容器兩電極間的絕緣板出現(xiàn)明顯拉弧，并出現(xiàn)滲油。
    ● 故障分析：某廠變頻器自安裝至今已經(jīng)使用10年了，按照廠商規(guī)定電解電容器一般使用壽命為5年左右須更換，但是更換一組電容器的費(fèi)用也是非常昂貴的（約80萬元人民幣）。所以，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，如何延長變頻器的使用壽命，是大家多年來一直關(guān)注的問題，而且實(shí)踐證明大家的努力是有一定價(jià)值的。根據(jù)現(xiàn)場情況看，除個(gè)別電解電容器產(chǎn)生極間短路外，其余電容均未發(fā)現(xiàn)開裂、鼓泡、漏油等現(xiàn)象。故判斷造成母排對地短路的原因是：電解電容器極間絕緣板老化，絕緣強(qiáng)度降低，造成極間擊穿短路后所產(chǎn)生的電動(dòng)力使母排固定支架脫落，造成母排位移，形成對地短路。強(qiáng)大的短路電流所產(chǎn)生的巨大的電動(dòng)力使母排嚴(yán)重變形。

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    ● 檢查處理：對已損壞的主接觸器觸頭、快熔全部更換，將電容柜左側(cè)上部第一組及右側(cè)所有電容組拆下，將右側(cè)直流母排松開，拆下已變形的直流正極母排，校正后重新進(jìn)行安裝，并對整流柜中的整流二極管進(jìn)行檢查，對電容柜全部電容器進(jìn)行外觀檢查，測量靜電容量、tgδ值和測量漏電流等，其檢測數(shù)據(jù)見附表，對電容柜全部電容清潔除塵并對直流母排絕緣進(jìn)行檢查（絕緣電阻在500M以上），更換已損壞的右側(cè)第一組電容組。并將放置4年的備用電容器進(jìn)行4個(gè)小時(shí)的老化。一般新的電解電容器的漏電流比較大（約7～8mA左右）應(yīng)進(jìn)行老化，降低漏電流（約1.5mA左右）方可使用。更換時(shí)將該組15個(gè)新電容分散安裝，使每組有2個(gè)新電容。這樣每組狀況基本相同。經(jīng)全面檢查后進(jìn)行空投試機(jī)，檢測直流Ud回路電壓（Ud約為1000V）比較穩(wěn)定，三相輸出電流顯示正常，狀態(tài)良好，然后投入運(yùn)行。

附表  電容器的靜電容量、tgδ值和漏電流的測量值

    （3）故障現(xiàn)象之三
    2004年4月26日（星期一）下午3∶50分，某廠送水泵房4#變頻器在正常開機(jī)的情況下，突然聽到一聲沉悶的爆炸聲，當(dāng)時(shí)變頻器仍能運(yùn)行，值班人員聞聲后迅速停機(jī)。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)直流濾波環(huán)節(jié)1個(gè)鋁質(zhì)電解電容器發(fā)生爆炸，另有2個(gè)鋁質(zhì)殼體發(fā)生局部膨脹。
    故障分析：首先從電容器的結(jié)構(gòu)上看，電容鼓泡漏液的最終原因都是因?yàn)檫^熱。電解電容因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)特性，內(nèi)部裝有電解液，在使用過程中如果出現(xiàn)過壓現(xiàn)象或內(nèi)部老化，這時(shí)電容的漏電流增大，電容會在短時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)熱，導(dǎo)致電容的溫度升高，電容內(nèi)部的電解液會因高溫變成氣體致使電容內(nèi)部的壓力增大。當(dāng)然對于大容量電解電容來說，每個(gè)電容器都有專門的安全閥（排氣孔），但是，當(dāng)這個(gè)安全閥出現(xiàn)故障后，壓力無法釋放，電容就會發(fā)生爆炸。
    檢查處理：對該組電解電容器進(jìn)行逐個(gè)檢測，結(jié)果表明，2個(gè)鋁質(zhì)殼體發(fā)生局部膨脹的電容器漏電流較大（約8mA），爆裂的電解電容排氣孔堵塞，其余電容器良好。將故障電容進(jìn)行更換后，使用正常。
4.2 由變頻器的靜態(tài)測試結(jié)果來判斷故障 
    對變頻器做一個(gè)靜態(tài)的測試，一般通用型變頻器大致包括整流電路；直流中間電路；逆變電路；控制電路等。靜態(tài)測試主要是對整流電路，直流中間電路和逆變電路部分的大功率晶體管（功率模塊）的一個(gè)測試，測試工具主要是萬用表。
    整流電路主要是對整流二極管的進(jìn)行正反向的測試來判斷它的好壞，當(dāng)然還可以用示波器來觀察測試直流環(huán)節(jié)的輸出波形（注意：SIMOVERT“P”型變頻器，直流環(huán)節(jié)Ud的電壓約1000V，而一般示波器的耐壓為250V，所以在測量時(shí)必須接入大功率電阻進(jìn)行衰減，將電壓降為250V以下方可進(jìn)行測量，并注意安全）。直流中間回路主要是對濾波電容的容量、tgδ值、漏電流及耐壓的測量，我們一般使用便攜式電容測量儀表測量電容器的容量、tgδ值。用TH2686型電解電容器漏電流測試儀進(jìn)行漏電流及耐壓的測量。也可以觀察電容上的安全閥是否爆開，有否漏液現(xiàn)象等來判斷它的好壞。功率模塊的好壞判斷主要是對功率模塊內(nèi)的續(xù)流二極管的判斷。對于IGBT模塊我們還需判斷在有觸發(fā)電壓的情況下能否導(dǎo)通和關(guān)斷。

5  結(jié)束語
    在眾多的檢查項(xiàng)目中，重點(diǎn)要檢查的是主回路的平滑電容器、邏輯控制回路、電源回路、逆變驅(qū)動(dòng)保護(hù)回路中的電解電容器、冷卻系統(tǒng)中的風(fēng)扇等。除主回路的電容器外，其他電容器的測定比較困難，因此主要以外觀變化和運(yùn)行時(shí)間為判斷的基準(zhǔn)?？傊?，保證變頻器在較低的溫度狀態(tài)下運(yùn)行是延長變頻器壽命的基本要求。一方面，需要在安裝變頻器時(shí)降低周圍的溫度，尤其將變頻器安裝在控制柜內(nèi)更需注意。現(xiàn)在大功率變頻器生產(chǎn)廠家為了降低變頻器的運(yùn)行溫度，推出了將變頻器的散熱裝置改為分體空調(diào)恒溫控制，可保持柜內(nèi)清潔無塵土。在功率元件的散熱問題上，采用循環(huán)水冷方式散熱，這樣可省去常規(guī)笨重的散熱片，減少了控制柜的體積和空間。另一方面，對生產(chǎn)廠家來說，如何最大限度地延長變頻器的壽命，并且借助微處理器的強(qiáng)大運(yùn)算功能采用提前預(yù)告的方式，以提醒用戶進(jìn)行維護(hù)，并相應(yīng)地采取優(yōu)化運(yùn)行方式，這也是目前的一個(gè)重要課題。
    從該裝置運(yùn)行至今的情況來看，德國SIEMENS公司生產(chǎn)的SIMOVERT“P”型變頻器，技術(shù)性能先進(jìn)，運(yùn)行操作方便，調(diào)試簡單，在柜前操作面板上輸入程序指令就可完成；安全可靠性高，維修量小。對于這套先進(jìn)設(shè)備，要求有高素質(zhì)的技術(shù)管理與運(yùn)行檢修人員，完善的測試手段，建立專門的設(shè)備檔案，記錄運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)，認(rèn)真研究、消化吸收。對設(shè)備要進(jìn)行日常與定期檢查，日常檢查除了注意其監(jiān)測儀表、信號屏外，還要進(jìn)行巡視（耳聞、目測、鼻嗅）；定期檢查主要是柜內(nèi)灰塵的清理、主接觸器觸頭的檢查、直流耦合電容的檢查、電涌吸收回路的檢查、絕緣電阻的測定等等，檢查完要進(jìn)行摸擬運(yùn)行，測試其各種保護(hù)功能和觸發(fā)控制是否正常。