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变频器在日常使用中的问题及故障防范

由于使用方法不正确或安装环境不合理，很容易造成变频器误动作及发生故障，或者无法满足预期的运行效果。

为防患于未然，事先对故障原因进行认真分析显得尤为重要。

一、安装环境

变频器属于电子器件装置，在其规格书中有详细安装使用环境的要求。

在特殊情况下，若确实无法满足这些要求，必须尽量采用相应抑制措施：

①安装环境振动是对电子器件造成机械损伤的主要原因，对于振动冲击较大的场合，应采用橡胶等避振措施；

②潮湿、腐蚀性气体及尘埃等将造成电子器件生锈、接触不良、绝缘降低而形成短路。

应将对控制板进行防腐防尘处理，并采用封闭式结构作为防范措施；③温度是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素，特别是半导体器件，应根据装置要求的环境条件安装空调或避免日光直射。

除上述3点外，定期检查变频器的空气滤清器、散热片及冷却风扇也是必要的。

对于特殊的高寒场合，为防止微处理器因温度过低不能正常工作，应采取设置空间加热器等必要措施。

二、外部的电磁感应干扰

如果变频器周围存在干扰源，它们将通过辐射或电源线侵入变频器的内部，引起控制回路误动作，造成工作不正常或停机，严重时甚至损坏变频器。

提高变频器自身的抗干扰能力固然重要，但由于受装置成本限制，在外部采取噪声抑制

措施，消除干扰源显得更合理、更必要。

以下几项措施是对噪声干扰实行“三不”原则的具体方法：

变频器周围所有继电器、接触器的控制线圈上需加装防止冲击电压的吸收装置，如RC吸收器；尽量缩短控制回路的配线距离，并使其与主线路分离；指定采用屏蔽线回路，须按规定进行，若线路较长，应采用合理的中继方式；变频器接地端子应按规定进行，不能同电焊、动力接地混用；变频器输入端安装噪声滤波器，避免由电源进线引入干扰。

三、电源异常

电源异常表现为各种形式，但大致分以下3种，即缺相、低电压、停电，有时也出现它们的混和形式。

这些异常现象多半是由输电线路遭受风、雪、雷击造成的，有时也因为同一供电系统内出现对地短路及相间短路。

而雷击因地域和季节有很大差异。

除电压波动外，有些电网或自行发电单位，也会出现频率波动，并且这些现象有时在短时间内重复出现，为保证设备的正常运行，对变频器供电电源也提出相应要求。

如果附近有直接起动电动机和电磁炉等设备，为防止这些设备投入时造成的电压降低，应和变频器供电系统分离，减小相互影响；对于要求瞬时停电后仍能继续运行的场合，除选择合适价格的变频器外，还因预先考虑负载电机的降速比例。

变频器和外部控制回路采用瞬停补偿方式，当电压回复后，通过速度追踪和测速电机的检测来防止在加速中的过电流；对于要求必须量需运行的设备，要对变频器加装自动切换的不停电电源装置。

二极管输入及使用单相控制电源的变频器，虽然在缺相状态也能继续工作，但整流器中个别器件电流过大及电容器的脉冲电流过大，若长期运行将对变频器的寿命及可靠性造成不良影响，应及早检查处理。

四、雷击、感应雷电

雷击或感应雷击形成的冲击电压有时也能造成变频器的损坏。

此外，当电源系统一次侧带有真空断路器时，短路器开闭也能产生较高的冲击电压。

变压器一次侧真空断路器断开时，通过耦合在二次侧形成很高的电压冲击尖峰。

为防止因冲击电压造成过电压损坏，通常需要在变频器的输入端加压敏电阻等吸收器件，保证输入电压不高于变频器主回路期间所允许的最大电压。

当使用真空断路器时，应尽量采用冲击形成追加RC浪涌吸收器。

若变压器一次侧有真空断路器，因在控制时序上保证真空断路器动作前先将变频器断开。

过去的晶体管变频器主要有以下缺点：

容易跳闸、不容易再起动、过负载能力低。

由于IGBT及CPU的迅速发展，变频器内部增加了完善的自诊断及故障防范功能，大幅度提高了变频器的可靠性。

如果使用矢量控制变频器中的“全领域自动转矩补偿功能”，其中“起动转矩不足”、“环境条件变化造成出力下降”等故障原因，将得到很好的克服。

该功能是利用变频器内部的微型计算机的高速运算，计算出当前时刻所需要的转矩，迅速对输出电压进行修正和补偿，以抵消因外部条件变化而造成的变频器输出转矩变化。

此外，由于变频器的软件开发更加完善，可以预先在变频器的内部设置各种故障防止措施，并使故障化解后仍能保持继续运行，例如：

对自由停车过程中的电机进行再起动；对内部故障自动复位并保持连续运行；负载转矩过大时能自动调整运行曲线，避免Trip；能够对机械系统的异常转矩进行检测。

变频器对周边设备的影响及故障防范

变频器的安装使用也将对其他设备产生影响，有时甚至导致其他设备故障。

因此，对这些影响因素进行分析探讨，并研究应该采取哪些措施是非常必要的。

五、电源高次谐波

由于目前的变频器几乎都采用PWM控制方式，这样的脉冲调制形式使得变频器运行时在电源侧产生高次谐波电流，并造成电压波形畸变，对电源系统产生严重影响，通常采用以下处理措施：

采用专用变压器对变频器供电，与其它供电系统分离；在变频器输入侧加装滤波电抗器或多种整流桥回路，降低高次谐波分量，对于有进相电容器的场合因高次谐波电流将电容电流增加造成发热严重，必须在电容前串接电抗器，以减小谐波分量，对电抗器的电感应合理分析计算，避免形成LC振荡。

电动机温度过高及运行范围过窄。

对于现有电机进行变频调速改造时，由于自冷电机在低速运行时冷却能力下降造成电机过热。

此外，因为变频器输出波形中所含有的高次谐波势必增加电机的铁损和铜损，因此在确认电机的负载状态和运行范围之后，采取以下的相应措施：

对电机进行强冷通风或提高电机规格等级；更换变频专用电机；限定运行范围，避开低速区。

六、机振、噪声

机振通常是由电机的脉动转矩及机械系统的共振引起的，特别是当脉动转矩与机械共振电恰好一致时更为严重。

噪声通常分为变频装置噪声和电动机噪声，对于不同的安装场所应采取不同的处理措施：

变频器在调试过程中，在保证控制精度的前提下，应尽量减小脉冲转矩成分；调试确认机械共振点，利用变频器的频率屏蔽功能，使这些共振点排除在运行范围之外；由于变频器噪声主要由冷却

风扇机电抗器产生，应选用低噪声器件；在电动机与变频器之间合理设置交流电抗器，减小因PWM调制方式造成的高次谐波。

七、高频开关形成尖峰电压对电机绝缘不利

在变频器的输出电压中，含有高频尖峰浪用电压。

这些高次谐波冲击电压将会降低电动机绕组的绝缘强度，尤其以PWM控制型变频器更为明显，应采取以下措施：

尽量缩短变频器到电机的配线距离；采用阻断二极管的浪涌电压吸收装置，对变频器输出电压进行处理.

八、接地的重要性

从上述几个问题要妥协解决好及如何提高控制系统抗干扰能力和可靠性的角度出发，针对变频器实际应用系统中，接地是抑制电磁干扰，提高电子设备电磁兼容性的重要手段之一。

正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰，又能降低设备本身对外界的干扰。

在实际应用系统中，由于系统电源零线（中线）、地线（保护接地、系统接地）不分、控制系统屏蔽地（控制信号屏蔽地和主电路导线屏蔽地）的混乱连接，大大降低了系统的稳定性和可靠性。

①主回路接地

对于变频器，主回路端子PE（E、G）的正确接地是提高变频器抑制噪声能力和减小变频器干扰的重要手段，因此在实际应用中一定要非常重视。

在变频器等电力电子设备中，为了提高装置的抗干扰和防雷击能力，在电源输入侧均有电容C1或者压敏电阻R1组成的电源滤波和压敏电阻R1、放电管D1组成的防雷击电路。

②对于两种电源方式，为了提高抗干扰能力，一般不采用浮地和与系统直接接地方式，而是采用电容接地方式。

C2一般选用安规电容，要求具有良好的高

频特性和足够的耐压能力，从而为高频干扰分量提供对地通路，抑制分布电容的影响，缺点是对于低频和直流仍旧是开路，一般通过加安规电阻R2来进行弥补。

由于变频器内部控制端子上控制屏蔽接地及采用线性电源变压器的屏蔽层均连接至PE，因此PE的连接情况直接关系到变频器的可靠性。

在我国，大多数工厂采用三相四线制，有些用户因没有地线，干脆不接，或者为了简单将PE接至零线。

在这种情况下，由于防浪涌电路中的电容及压敏电阻漏电流IC和IR较大，一般为几十至几百毫安，在接地情况不够良好的情况下，R0较大，零线与地之间的电压达到几十伏，甚至上百伏，既不符合消防安全规范，也对系统的可靠性产生重大影响，因此在条件允许的情况下应尽量采用专用接地线，避免与其他设备公用接地。

变频器接地导线的截面积一般应不小于2.5mm2，长度控制在20m以内。

建议变频器的接地与其它动力设备接地点分开，不能共地。

③控制线屏蔽接地

3.1通信线屏蔽接地

在采用上位机PC/PLC通过RS232/485通信控制时，最容易犯的错误是两点接地。

由于接地点不在一起，不同接地点之间会出现地电位差，在屏蔽线中形成地回路，不仅起不到屏蔽作用，反而带来干扰。

特别是在上位机侧，一般用户没有专用接地，电源插座的接地端子往往采用接零线方式，会造成计算机或者变频器的损坏。

在某些PC或PLC中，开关电源采用非隔离方式，即使采用变频器方面的单侧接地，也会造成通信接口的损坏。

由于变频器通信控制信号一般低于100kHz，所以一般不用带状电缆，而采用屏蔽电缆或者双绞线。

但是，在实际应用过程中，由于接地不当，经常出现接

地比不接地通信误码率高的现象，从而使人产生了屏蔽电缆要不要接地，如果要接地，是采用一点、两点还是多点接地的疑惑。

据有关资料和实践证明，在通信速率低于100kHz时，选用一点接地效果较好，对于采用Profibus，Modbus总线控制的高速率通信控制电缆的屏蔽层应该选用多点接地，最少也应该两端接地，并且采取在通信线路较长时在网络的终端加终端匹配电阻等抗干扰措施。

对于电缆的多点接地，一个附加的好处是可以减少屏蔽层的静电耦合。

另外，还有一个根据传输信号的波长来判别接地方式的参考标准。

以传输信号的波长λ的1/4为界，通信传输线长度小于λ/4时采用一点接地;长度大于λ/4时，由于屏蔽层也能起到天线作用，应采用多点接地，在多点接地时，最理想的情况是每隔0.05～0.1λ有一个接地点。

另外，在传输上升下降沿非常陡峭的信号时，也应按照变频信号来处理，实施多点接地。

最后要说明的一点：

如果从干扰角度讲，低频干扰严重时采用屏蔽单点接地，在高频干扰情况下要多点接地，同时建议在通讯电缆中提供一根等电位线将各节点的通讯地串起来，以提高抗干扰能力。

3.2传感器信号屏蔽接地问题

在采用变频器调速的高精度快速响应控制系统中，一般要安装速度传感器（如脉冲编码器、旋转变压器）来进行速度或位置闭环，或者在生产线和设备上安装压力、温度、张力、线速度等检测传感器。

这些传感器的一个共同特点是：

为了提高抗干扰能力，信号线均采用屏蔽线，而且屏蔽线在传感器内部与传感器壳体接在一起。

当传感器安装在电机、管道或者生产线上时，屏蔽层就与这些设备相连接;而在传感器与变频器或其他控制设备连接时，屏蔽层又连接至PE端子。

如果此时变频器或外部设备接地不良（RE、RG大于接地标准最大电阻或者严重不

等），就会出现通过屏蔽层接地的情况，因此，在采用外部传感器的闭环控制系统中，距离较远时，一定要保证外部设备和变频器的可靠独立接地，或者选用传感器外壳不与控制屏蔽层连接的传感器，在变频器侧实施一点接地;距离较近时，可采用公共接地母排接地，保证传感器与控制设备接地点之间电位差近似为零，从而消除地环流形成的干扰。

3.3模拟信号屏蔽层接地

实践证明，双绞线或双绞屏蔽线对磁场的屏蔽效果明显优于单芯屏蔽线，对于采用标准4～20mA/0～10V/1～5V模拟信号控制变频器频率/转速的系统，一定要采用双绞线或屏蔽电缆。

由于模拟信号频带较窄，原则上在接地的控制器或变频器一侧实施接地。

控制装置之间的信号电缆应在线路对地分布电容大的一端接地，这样能够减少信号电缆对地分布电容的影响。

实际系统中，一般在信号电缆数量多的控制装置一侧接地。

另外，对于抗干扰要求非常高的场合，可采用双重静电屏蔽的电缆，此时，外屏蔽层接至屏蔽地线，内屏蔽层接至系统地线。

系统地线可以是变频器外部控制隔离地、模拟控制地，或者是系统独立的接地线。

对于共模干扰严重的场合，可通过添加共模电感来消除共模干扰;对于多点地电位浮动频繁的场合，可采用DC/DC隔离模块来实现电气隔离，彻底杜绝干扰。

④其他变频器附件接地问题

交直交电压型变频器输入采用三相不可控整流电路，谐波大，功率因数低，对于电网的污染严重。

因此，可针对不同的要求，采取相应措施。

比如，要求输入具有较高的功率因数时，必须加装直流电抗器L2或交流输入电抗器L1;要求减少变频器输出与电机的连接导线的无线电辐射干扰和延长变频器与电机之间连线时，必须在变频器输出侧加装交流电抗器L3;要求减少变频器的使用对周围

设备的干扰时，必须在变频器输入侧加装EMI滤波器，以减少传导干扰，提高周边设备如PLC控制设备及自动化仪表的可靠性。

由于每个选件都有相应的屏蔽层，为了充分发挥性能，接地点的连线非常重要。

对于在同一控制柜中的中小功率变频调速系统，建议采用公共母排接地方式;对于不在同一控制单元，较为分散的系统，推荐不同单元之间采用独立接地方式。

⑤测试中的接地问题

在变频器产品的维修过程中，由于采用三相逆变桥控制，在输出功率模块损坏时，需采用示波器观察三相驱动与输出电压、电流波形。

一般对于小功率变频器，T1、T3、T5采用三组独立的驱动电源，T4、T6、T2采用一组驱动电源，四组电源间及与大地之间绝缘电压要求达到2000VDC以上;而对于大功率变频器，为了减少彼此之间干扰，T1~T6采用六组独立电源。

因此，在采用示波器测量PWM驱动波形时，最好不要直接测量，建议采用高压探头进行测量。

如无隔离措施，建议将示波器电源接地端子拔掉，以确保示波器机壳带电部分与其他电源或线路绝缘，特别是将示波器放置于导电的防静电实验台上时，要注意其外露金属壳体部分不与导电桌布接触，然后采用带衰减的示波器探头直接测量。

另外要特别提醒的是：

尽管大多数电源插座未接地线，但插在同一插座上的设备地线也可能形成了地回路，如使用不当，有时会造成多台设备损坏的局面。

测试设备的电源最好全部采用隔离电源。

即使采取这些措施，也有可能造成测试设备的损坏。

⑥几个值得商榷的问题

6.1在三相四线制式中用电设备不宜采用独立接地体

我国绝大部分低压供电系统为三相四线制，按照国外特别是欧洲电气公司的要求，用电设备的PE线要采用独立接地体的三相五线制式，我认为，在三相五

线制未实施的现场如果采用PE独立接地，能提高系统的抗干扰能力，但不能避免触电事故。

6.2控制系统PE线中漏电流超标

前面已经讲过，在变频器的输入回路一般均安装电源浪涌抑制器或EMI滤波器等电路，在直流侧加装直流电抗器，在输出侧安装电抗器等附件，附件屏蔽层对地线之间产生很大的漏电流。

经过测试，目前许多变频器PE端子接入系统地线时漏电流达到了300mA以上，而我国消防有关规定，要求PE地线中漏电流应小于210mA，这样许多变频器是不符合防火要求的。

因此对于火警危险的工作场所，在使用变频器等产品时一定要确认地线对地漏电流是否符合标准，以防止由于绝缘故障引起的火灾。

6.3三相五线制中零线与地线之间的电压不合标准

目前，我国正在推行三线五线制供电模式，但是往往由于各种人为原因，造成零线与地线在变电站接在一起，或是为了节省成本，地线埋设严重不合要求，或是地线、零线线径不符合标准，造成零线、地线与大地间电阻超过标准10Ω，从而导致零线、地线分别对地及零线与地线之间电压很高，严重时超过36V安全电压，造成安全隐患并且降低系统的抗干扰能力。

为了减小部分电气设备的接地系统引起的电气噪声，中性线与接地之间的电压应小于1V。

6.4静电问题

在工业生产过程中，许多设备（如塑料机械）本体与变频器共用同一个系统地线，由于许多厂家无单独地线，仍旧采用零线替代，结果使整个系统产生电压很高的静电，此高压将产生很强的电场，干扰控制器和变频器的正常工作。

我曾经遇到一木楼梯厂家设备连续工作3日左右，控制系统（含变频器）均频繁报警，故

障复位后仍旧不能正常工作，但掉电后放置2天左右，又能正常工作3天的情况。

重新埋设了系统地线，结果故障迎刃而解。

6.5关于机箱的错误观点

在我国，对于变频器类工业化产品，人们对采用塑胶壳，体积小、重量轻的以日本为代表的产品较为青睐，而不看好符合EMC标准的价格较高的板筋件或以铸铝结构为主的欧洲型产品。

由于变频器内部使用高速开关器件（如IGBT、IPM），其快速的开通关断产生很大的dv/dt，尽管机内加装snubber电路，但仍旧产生很大的电磁波辐射，对于一般电气控制柜内的设备造成很大干扰，此时板筋件产品明显优于塑胶件产品，因此在采用变频器时必须从价格、美观和EMC要求三方面权衡考虑，合理选择机型。

尽管某些厂家在塑胶机壳中塑喷导电胶或加装屏蔽锡纸，但效果并不十分理想。

6.6系统地线与保护地线不分

对于小型小功率的电气控制系统，如果系统地线与保护地线不分，系统还是可以正常工作的。

但是对钢丝绳厂大型如轧钢机设备等用高压大功率变流装置，系统抗干扰能力和安全保护可靠性的要求尤为突出，必须实施系统地线与保护地线的分离。

系统保护地母线一般采用与厂房钢结构连接而实现良好接地，而对于整个控制系统的系统地及屏蔽地通过地线汇流排连接至符合标准的单独接地极接地。

地线汇流排一般要采用25mm2以上大截面绝缘导线或镀绝缘漆铜排，以保证一点接地。

此时要注意屏蔽地接地电极与变压器零线等其它强电设备接地电极的距离大于15m。

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九、结论

随着电力电子技术的发展，变频器的运用越来越广，该半导体变流装置出现的问题越来越多，对于电网污染越来越严重，与绿色工业的矛盾日益突出。

我从变频器实际应用几个方面提出存在的问题,至于解决方法和一系列值得商榷的问题，有待同行指教及在以后学习、工作中探索。

施健2011年8月12

（素材和资料部分来自网络，供参考。

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