变频器故障分析

变频器故障分析变频器的使用越来越普遍，在变频器使用的使用过程中产生了一些故障，在使用公共整流器的场合，时常发生整流/逆变单元烧块熔的情况，在其它场合也时常发生由于变频器造成其它元件损坏的情况，这些故障大多是由于马达对地引起的。一.对地短路所造成的影响从实际发生的整流/逆变单元烧块熔故障（或损坏其它设备）的现象来看，有的故障只烧整流桥或逆变桥上的快熔，有的故障同时烧断逆变桥和整流桥上的快熔，有的故障造成同一电网下其它设备的损坏，但无论何种情况，都同时伴随有马达对地的情况。变频器的简化电路如图1所示：图1：变频器的简化电路图2：变频器的输入电压波形从一台逆变器的角度来看，可将“由整流/逆变单元给直流母线供电、直流母线上挂置多台逆变器”的结构看成一台变频器。它们之间的区别在于：在直流母线给多台逆变器供电的结构中，某些逆变器回馈到直流母线的能量可以供给其它逆变器适用。整流/逆变单元工作在整流状态时：在整流桥上，除了导通的2只可控硅以外，其余4只可控硅均承受反向电压；逆变桥上，除了2只可控硅不承受电压以外，其余4只可控硅承受正向电压。具体情况如下：V11和V12导通V13承受的电压为Uba，是反向电压V14、V15承受的电压为Uca，是反向电压V16承受的电压为Ucb，是反向电压V21、V22不承受电压V23承受的电压为Uab，是正向电压V24、V25承受的电压为Uac，是正向电压V26承受的电压为Ubc，是正向电压V12和V13导通V11承受的电压为Uab，是反向电压V15、V16承受的电压为Ucb，是反向电压V14承受的电压为Uca，是反向电压V22、V23不承受电压V21承受的电压为Uba，是正向电压V25、V26承受的电压为Ubc，是正向电压V24承受的电压为Uac，是正向电压V13和V14导通V11、V16承受的电压为Uab，是反向电压V12承受的电压为Uac，是反向电压V15承受的电压为Ucb，是反向电压V23、V24不承受电压V21、V26承受的电压为Uba，是正向电压V25承受的电压为Ubc，是正向电压V22承受的电压为Uca，是正向电压V14和V15导通V11、V12承受的电压为Uac，是反向电压V13承受的电压为Ubc，是反向电压V16承受的电压为Uab，是反向电压V24、V25不承受电压V21、V22承受的电压为Uca，是正向电压V23承受的电压为Ucb，是正向电压V26承受的电压为Uba，是正向电压V15和V16导通V11承受的电压为Uac，是反向电压V12、V13承受的电压为Ubc，是反向电压V14承受的电压为Uba，是反向电压V25、V26不承受电压V21承受的电压为Uca，是正向电压V22、V23承受的电压为Ucb，是正向电压V24承受的电压为Uab，是正向电压V16和V11导通V13、V14承受的电压为Uba，是反向电压V15承受的电压为Uca，是反向电压V12承受的电压为Ubc，是反向电压V21、V26不承受电压V23、V24承受的电压为Uab，是正向电压V25承受的电压为Uac，是正向电压V22承受的电压为Ucb，是正向电压有各种接地情况会造成整流/逆变单元烧块熔1.二个对地点的情况直流母线上有多台逆变器，每台逆变器驱动多台马达，将一个逆变器所驱动的马达看作是一台马达。有多种二点对地的情况：同一台逆变器下面的马达二相对地二台逆变器下面的马达各有一个对地点同一电网下，逆变器下面有一对地点，MASTERDRIVES外有一对地点1.1同一台逆变器下面的马达二相对地假设当马达出现二相对地时，整流/逆变单元处于整流状态，电流的流向大概如图3所示：图3：马达二相对地供给马达的电流由整流桥和直流母线上的电容提供。正常情况下，马达的电压和电流波形如图4所示：图4：正常状态下的电压和电流波形当发生马达二相对地时，如图3所示，当S1和S2导通或S5和S4导通时，通过接地点电流被短路，形成很大的脉冲直流电流，如图5所示：由于回路中存在电感，脉冲直流电流的变化率又很大，将产生很大的自感电动势E=L*di/dt，自感电动势将施加在整流/逆变单元的可控硅上，过大的du/dt或过高的电压会造成可控硅的误导通。此时，如果整流/逆变单元的整流桥的可控硅处于换流状态，不导通的可控硅将被施加上突变的电压（例如，由V11和V12换流到V12和V13，V11快速关断，由于线路上存在电感，将产生很高的自感电压）。可控硅换流的电压突变和脉冲直流电流引起的电压变化叠加在一起，形成更大的du/dt或更高的电压，更容易造成可控硅的误导通。图5：二相短路时的电压、电流波形1.2二台逆变器下面的马达各有一个对地点假设发生对地时，整流/逆变单元处于整流状态，电流的流向大概如图6所示：图6：二台逆变器下面的马达各有一个对地点二台逆变器下面的马达各有一个对地点时，其中一种情况如图6所示，通过接地点，电流被短路与“同一台逆变器下面的马达二相对地”的不同点是：短路电流与二台逆变器的IGBT工作状态有关。不同的接地情况，只是短路电流在逆变器中的通路不同。短路时，同样形成很大的脉冲直流电流，所造成的结果与“同一台逆变器下面的马达二相对地”的结果是相同的。1.3同一电网下，逆变器下面有一对地点，MASTERDRIVES外有一对地假设发生对地时，整流/逆变单元处于整流状态，电流的流向大概如图7所示：图7：同一电网下，逆变器下面有一对地点，MASTERDRIVES外有一对地点如图7所示的一种短路情况，在S1或S4导通时，直流母线与Uc短路，和前面提到的二种短路情况有所不同，短路电压是直流母线电压与Uc的叠加值，但同样会形成很大的脉冲电流，所造成的结果与前面提到的二种短路情况是相同的。2.逆变器（或变频器）下的马达有一点对地电缆和电机内部都存在着分布电容，对于工频电源，这些分布电容的阻抗很大，可以不考虑分布电容的影响，但对于逆变器来讲，由于其输出电压是频率很高的方波，就会经过分布电容产生泄漏电流，如图8所示，在电压的上升沿和下降沿会产生脉冲电流，脉冲电流IS必须流回其来源。图8：输出电压和泄漏电流波形ZN是动力电缆和地之间的分布电容形成的阻抗，ZE是接地阻抗（在频率较高时，由于集肤效应的影响，需考虑接地阻抗）。脉冲电流经过CP、ZE、ZN流回电网，并对电网产生影响（产生谐波），谐波将影响变频器本身和其它设备。在正常情况下，脉冲电流IS较小，不会产生很严重的危害。但当逆变器下的马达有一点接地时，由CP产生阻抗就变为零，这必然造成脉冲电流IS的增大，即谐波电流增大，所以，逆变器下的马达有一点接地时，会有谐波放大效果。除了上述的情况一外，变频器还带有预充电线路，当马达有一点对地时，还会通过下图所示的途径增大电网的谐波。预充电部分当逆变器下的马达有一点接地时，增大的谐波将对设备产生影响，假设此时整流/逆变单元处于回馈状态，可能造成错误的逆变角，从而导致逆变颠覆，这是整流/逆变单元烧逆变桥同一桥臂上快熔的原因之一。增大的谐波电流主要流向阻抗较低（对应于谐波频率的阻抗）的设备，这是开关电源装置等设备损坏的主要原因。3.同一电网下，直流母线以外的设备短路造成的影响当直流母线以外的设备短路时，会造成直流母线供电电压的下降。在此时，如果整流/逆变单元处于整流状态，可能会造成直流母线的电压过低，从而引发欠电压故障，通常不会损坏变频设备；如果整流/逆变单元处于逆变状态，供电电压的下降可能会造成逆变颠覆，从而烧断整流/逆变单元的回馈桥的快熔。4.对地短路造成的影响从前面的分析不难看出，只要有对地短路（主要是马达对地短路）的情况，必然会造成电网的谐波增大。二点（或二点以上）对地短路，不仅会造成整流/逆变单元的可控硅误导通，所造成的谐波也比单点对地所造成的谐波大很多（在这种情况下，如果整流/逆变单元处于回馈状态，更容易造成逆变颠覆）。从已经发生的故障情况来看：直流母线结构的整流/逆变单元经常发生烧快熔故障，而变频器（没有回馈电网的线路）没有发生过烧快熔的现象。这说明没有由于电压过高造成可控硅击穿的情况发生，而是由于过高的电压变化率（du/dt）造成整流/逆变单元的逆变桥上的可控硅误导通（当施加在可控硅上的正向电压上升率大于它的断态电压临界上升率时，可控硅将自行导通），形成环流，烧毁快熔。对于整流/逆变单元所发生的故障全都烧毁整流/逆变单元的快熔，没有发生损坏可控硅的情况。有时，在烧整流/逆变单元快熔的同时，发生逆变器的进线快熔烧毁的状况，这是整流/逆变单元逆变颠覆造成的（直流母线上的电容器是安装在逆变器上的，在整流/逆变单元逆变颠覆时，电容器存储的能量被释放，短路电流流经逆变器的进线快熔）。在整流/逆变单元工作在整流状态时，逆变桥的可控硅承受的是正向电压，当发生电机二相对地时，过大的du/dt造成逆变桥上的可控硅误导通，形成环流，烧整流桥和逆变桥上的快熔，或只烧整流桥上的快熔，或只烧逆变桥上的快熔。对于变频器所发生的故障多数没有对变频器本身造成损坏，但对同一电网下的其它设备造成损坏，多数是对开关电源装置造成损坏。相对于谐波，开关电源装置的输入阻抗较低，进入开关电源装置的谐波电流就大，这是开关电源装置损坏的主要原因。这种情况也证明了整流/逆变单元的烧快熔现象不是由于电压过高造成可控硅的击穿，而是由于电压变化率（du/dt）过高造成整流/逆变单元的逆变桥上的可控硅误导通、形成环流而烧毁快熔。也有损坏变频器自身的情况发生，例如原来的再加热炉输出辊道的变频器，由于当时采用的是美国生产的变频器，其电压等级是460VAC，为了给这些变频器供电，设置了一台380/460V的隔离变压器，此变压器的负载只有变频器，当发生马达对地短路时，在460V电网上的谐波大多流向变频器本身（相对于谐波，与380/460V变压器相比，变频器的输入阻抗要小得多，流入变频器的谐波电流要比流入变压器的谐波电流要大），造成变频器故障。5.二.故障实例1．连轧后台和芯棒循环区域的变频器烧快熔故障连轧后台和芯棒循环区域的变频器都是“由整流/逆变单元给直流母线供电、直流母线上挂置多台逆变器”的结构，多次发生整流/逆变单元烧快熔的情况，烧快熔的情况有：只烧整流桥上的一只快熔只烧逆变桥上的一只快熔同时烧整流桥和逆变桥的快熔烧逆变桥同一桥臂上的快熔例如：多次发生的辊道电机对地短路造成整流/逆变单元烧快熔的现象；切头锯马达短路造成同一电网下的整流/逆变单元烧快熔（连轧后台和芯棒循环区同时发生故障），同时烧逆变器进线快熔的现象；矫直区马达对地造成同一电网下的整流/逆变单元烧快熔的现象。2．再加热炉输出辊道变频器造成的故障导致再加热炉输出辊道变频器自身发生故障在前面的4部分已描述过这种现象。对同一电网下其它的其它设备造成伤害此种情况发生过二次：1）损坏同一电网下的开关电源装置再加热炉输出辊道变频器的供电变压器是T32（钢管的一级负荷变压器），在T32变压器下，有很多开关电源装置（多数是PLC系统的电源装置），当变频器所驱动的马达对地短路时，T32二次侧的高次谐波增大，谐波电流进入T32下的开关电源装置，导致开关电源装置损坏。电源装置进线保护开关的容量选择过大，起不到保护作用，也是导致开关电源装置损坏的原因之一。在开关电源装置前加装变压器是防止这种情况下损坏开关电源装置的一个有效措施，但是，这种方法虽然限制了谐波电流进入开关电源装置，保护了开关电源装置，谐波电流会流向其它设备，对其它设备造成损害。2）损坏110VDC电源的进线滤波装置钢管厂10KV系统的控制电源（110VDC电源）装置也是由T32变压器供电的。发生过二次再加热炉输出辊道变频器所驱动的马达对地短路对110VDC电源装置造成影响：第一次：110VDC电源装置的接地报警灯闪烁。曾怀疑为110VDC电源对地短路，在测量了110VDC电源的波形时发现：在±55V的电位上，叠加了幅值高达80V的50次谐波，这个谐波频率与西门子变频器的默认调制频率（2.5kHz）相同，由此怀疑是再加热炉输出辊道变频器引起的。经检查，发现再加热炉输出辊道马达有对地短路现象，在消除