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李方園（1973-）

男，浙江舟山人，畢業(yè)于浙江大學電氣自動化專業(yè)，高級工程師，
長期從事于變頻器等現(xiàn)代工控產(chǎn)品的應用與研究工作。



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。變頻器輸入缺相長期運行將損害整流橋，而變頻器輸出運行將損害電動機。本文將主要探討變頻器缺相故障形成的原因及其檢測方法和處理措施，并以“水泵變頻器缺相”案例闡述了缺相故障排除的步驟，同時對變頻器的主回路接線提出了有用的建議。

關鍵詞：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，當然輸入缺相檢測只存在于三相的產(chǎn)品中。圖1所示為變頻器主電路，R、S、T為三相交流輸入，當其中的一相因為熔斷器或斷路器的故障而斷開時，便認為是發(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，這將直接導致電機缺相運行。缺相時，電機靜止時啟動，電機就轉不起來。若是在運行中缺相十分危險，電機電流增大1.2倍，發(fā)熱嚴重，震動加劇，急易燒壞電機。變頻器通過檢測輸出電流，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、檢測方法及其處理措施。

2  變頻器輸入缺相的檢測方法

    當變頻器不發(fā)生缺相的正常情況下工作時，Udc上的電壓如圖2所示，一個工頻周期內將有6個波頭，此時直流電壓Udc將不會低于470V，實際上對于一個7.5kW的變頻器而言，其C的值大小一般為900uf，當滿載運行時，可以計算出周期性的電壓降落大致為40V，紋波系數(shù)不會超過7.5％。而當輸入缺相發(fā)生時，一個工頻周期中只有2個電壓波頭，且整流電壓最低值為零。此時在上述條件下，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行時，電容C將被反復大范圍的充電，這種情況是不允許的，它必然將使電容器損壞，從而造成整臺變頻器的損壞。并且，若負載較輕，雖然不會造成電容的損壞，但是直流電壓的紋波系數(shù)相比于正常時將會增大很多，而且目前變頻器一般具有恒電壓控制功能，這將造成開關占空比的振蕩和負載電流的振蕩。而負載較重時，則進一步損壞整流橋，促使變頻器故障幾率增大，如在送電時就發(fā)生缺相，由于單相大電流運行極易造成變頻器燒毀。

    檢測變頻器輸入缺相，最簡單的一種方法就是使用硬件檢測，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三相輸入有無缺相，當發(fā)生缺相時，C0上的電壓降低，光藕器件將不導通，A點的信號為高電平，對應缺相的發(fā)生。

                                圖3   變頻器輸入缺相的硬件檢測方法

    當然，還可以從軟件上進行輸入缺相的檢測，這是因為Udc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，因此通過檢測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策

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

    主回路電氣測量的說明如表1所示。

                                            表1   主回路電氣測量

    （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）檢查變頻器內部的主回路，包括整流橋、IGBT和驅動板。

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

                                       圖4  艾默生變頻器輸入側缺相故障定位

                               圖5   艾默生變頻器輸出側缺相故障定位

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220kW，正常運行電流300A，使用已有一年。最近使用中發(fā)現(xiàn)不定時輸出電流有突變，電流約增加1倍達到560A，電機振動厲害，但變頻器不報故障。

                                           圖6   江邊取水泵站控制示意

4.2 分析處理

    現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)變頻器輸出側和電機之間分別接有一個斷路器和接觸器，如圖7所示。斷開電機，變頻器空載運行，測量變頻器的三相輸出電壓均衡；再帶載運行，測量變頻器的三相輸出電壓、電流，三相均衡，沒有問題。正常運行約1小時后，電流突然增大，又出現(xiàn)了上述問題，這時用鉗型表測量三相輸出電流，發(fā)現(xiàn)U相電流為0，V相和W相嗲流為560A，再測量接觸器上端的三相電壓均正常，但測量接觸器下端時發(fā)現(xiàn)U相電壓為0，說明問題出在接觸器上。拆掉接觸器后直接運行，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。它利用主接點來開閉電路，用輔助接點來執(zhí)行控制指令。主接點一般只有常開接點，而輔助接點常有兩對具有常開和常閉功能的接點，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，由銀鎢合金制成，具有良好的導電性和耐高溫燒蝕性。 

    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、動鐵芯和靜鐵芯；(2) 觸頭系統(tǒng)，包括三副主觸頭和兩個常開、兩個常閉輔助觸頭，它和動鐵芯是連在一起互相聯(lián)動的；(3) 滅弧裝置，一般容量較大的交流接觸器都設有滅弧裝置，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、傳動機構、短路環(huán)、接線柱等。當線圈通電時，靜鐵芯產(chǎn)生電磁吸力，將動鐵芯吸合，由于觸頭系統(tǒng)是與動鐵芯聯(lián)動的，因此動鐵芯帶動三條動觸片同時運行，觸點閉合，從而接通電源。當線圈斷電時，吸力消失，動鐵芯聯(lián)動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所示為常見的CJ20系列接觸器結構，當接觸器擺放不合理或者觸頭吸合不平時，都會產(chǎn)生或這或那的問題。另外由于市場競爭激烈，國內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標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。造成在實際使用中，標的是100A的接觸器或短路器，其實際負載量只能在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置接觸器，除非用于多泵切換。

                                    圖8   CJ20接觸器結構圖

5  結束語

    變頻器的主回路配線包括進線開關、變頻器本體、電動機以及在三者之間的選配件組成的電路，依次為隔離開關、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、制動單元、制動電阻、輸出EMI濾波器、交流輸出電抗器。

    在變頻器的主回路連接中，有以下幾個要點：在電網(wǎng)進線和變頻器之間，必須安裝隔離開關等明顯分斷裝置，確保設備維修時人身安全；變頻器前必須安裝具有過流保護作用的斷路器或熔斷器，避免因后級設備故障造成故障范圍擴大；接觸器用于供電控制時，不要用接觸器來控制變頻器上下電和起停；為保護電源對變頻器的影響，保護變頻器和抑制高次諧波，應配置直流電抗器；當電網(wǎng)波形畸變嚴重，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，可增設交流輸入電抗器；當電動機到變頻器的連線超過80米時，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，避免電動機絕緣損壞、漏電流過大和變頻器頻繁保護；可選配EMI濾波器來抑制從變頻器電源線發(fā)出的高頻噪聲干擾；可選配EMI濾波器來抑制從變頻器輸出側發(fā)出的高頻噪聲干擾和導線漏電流。



參考文獻

[1] 李方園. 變頻器行業(yè)應用實踐[M]. 中國電力出版社: 北京. 2006.5.

[2] 李方園. 變頻器自動化工程實踐[M]. 電子工業(yè)出版社: 北京. 2007.4.

[3] 李方園. 變頻器故障排除[M]. 化學工業(yè)出版社: 北京. 2009.1.

[4] 馬駿，張騰. 濟鋼KR罐車變頻器F011過電流故障的處理[J]. 變頻器世界. 2007.5.