变频器模块损坏原因探析
日期: 2021/2/24 浏览: 1 来源: 学海网收集整理 作者: 泰州技师学院 郭诗遥 江苏泰州 225300
（南通职业大学 技师学院 江苏南通 226007）
摘要：变频器模块工作在高压、大电流场合，属于故障高发，容易损坏的元件。本文分析了引起模块损坏的主要原因，并提出了防止模块损坏的具体方法，为正确使用、维修变频器提出了笔者的建议。
关键词：模块损坏、原因探析、解决方法
模块损坏占总变频器故障的50%左右。模块价格贵，占变频器总价格的20%左右。模块损坏后，修复费用占到变频器价格的30%左右。因此找出模块损坏的原因，对于减少模块损坏故障的发生，降低生产成本，具有现实意义。
1 模块构造。
图1是模块的内部电路图。它由整流电路、制动电路、逆变电路和热保护电路四部分
图1模块内部电路图
电路组成。整流电路是由六只二极管组成的三相整流桥。把三相交流电变成直流电。制动电路主要由一只IGBT管子组成，产生直流制动电流，输入三相电动机，使三相电动机停止时快速停止。逆变电路主要有六只IGBT管子组成，它的作用是在驱动电路送来的PWM控制信号作用下，有规律的依次导通和截止，将直流电变成频率可调的交流电。热保护电路由一只负温度系数的热敏电阻组成。模块温度过高时，热敏电阻阻值下降到某一值，使电位发生变化，CPU发出过热保护，防止模块过热损坏。模块整流电路和逆变电路经受高压、大电流冲击，这两个电路故障高发，占模块总故障的95%。所以模块损坏主要是整流二极管损坏和IGBT管子损坏。这里主要对模块整流电路和逆变电路损坏的原因进行探讨。模块制动电路和过热保护电路由于损坏原因简单，这里不作鳌述。
2 模块损坏原因分析
引起模块损坏的原因很多，根据笔者多年的维修总结，其主要原因大致有以下三种：一是变频器使用不当，引起模块损坏；二是外部设备或线路故障，导致模块损坏；三是变频器内部电路故障，导致模块损坏。
2.1 使用不当会导致模块损坏。
（1）选择变频器功率偏小 ，导致工作电流偏大，降低模块寿命，引起损坏。 我对电动机功率及选配变频器功率和实际负载电流与变频器模块寿命作了统计，统计结果见表1。由表1统计发现，变频器模块的寿命与实际工作电流占变频器额定电流的百分比值密切相关。即变频器模块寿命与变频器负荷量有关。当变频器负荷量低于50%时，模块寿命很长；当变频器负荷量在50%-70%之间，变频器模块寿命也可以。而当变频器负荷量超过80%时，变频器模块寿命急剧下降。在实践中，选配变频器时，负荷中等以下的，变频器功率可以和电动机功率同规格；大负荷、重载场合，变频器功率规格应高于电动机一个功率规格。即2.2KW电动机，应配3.7KW变频器。笔者多次遇到使用了3-6个月模块损坏的变频器，通过监测，其工作电流达到其额定电流的80%以上，有的甚至满负荷运行。根据笔者的总结，电动机可以满负荷运行，但变频器满负荷运行的话，模块寿命只有3-6个月。如果变频器工作电流控制在其额定电流的70%以下，则模块寿命很长。因此选择变频器的功率大小应根据电动机功率及负荷综合考虑，以变频器实际电流小于额定电流70%来决定较好。既做到经济性又保证变频器长寿命。
表1 变频器模块寿命与负荷量的关系
电动机功率 变频器功率 工作电流 工作电流\变频器额定电流 模块寿命
2.2KW 2.2KW ≤2.5A ≤50% ≥24个月
2.2KW 2.2KW ≤3.5A ≤70% ≥18个月
2.2KW 2.2KW ≥4.0A ≥80% ≤6个月
2.2KW 3.7KW 4.0A≤I≤5.0A ≤50% ≥24个月
（2）参数设置不当，导致工作电流偏大，缩短模块寿命。对于重载场合，启动时电流很大，这时加速时间1的正确设置很重要。加速时间是指变频器由最低频率上升到最高频率所用的时间。我对加速时间与变频器最大工作电流进行了试验。试验结果见表2。试验时，电动机为1.5KW，变频器为2.2KW，重负荷。试验结果表明，重载场合，启动时，加速时间为1秒时，变频器最大电流达到6.0A，是正常工作电流的2倍。加速时间5秒以上，最大电流和正常工作电流相差不大。因此，在满足启动要求的情况下，尽量加大加速时间。加速时间越长，启动电流就会越小。模块受到电流冲击越小。这样会延长模块的寿命。
反之，加速时间过短的话，启动电流过大，缩短模块的寿命。甚至会引起变频器过电流保护，而不能使用。但有的场合，要求设备动作迅速，加、减速时间就是在1秒以下。在这种场合，为确保变频器的寿命及工作正常进行，变频器应大于电动机两个规格配置。如0.75KW电动机，配2.2KW变频器。这样使得变频器最大电流小于其过电流保护值，确保工作正常进行。
表2 加速时间与变频器最大电流的关系
加速时间 变频器最大电流 变频器正常工作电流
1秒 6.0A 3.2A
5秒 4.0A 3.2A
10秒 3.3A 3.2A
（3）设备操作不正确，导致变频器模块损坏。设备惯性大的场合，为防止出现过电压保护，变频器的停止方式往往由减速停车，设置成自由停车。这样变频器在接到停止命令后，电动机自由停车，在设备惯性作用下，电动机要和设备一起旋转一段时间，才能停止。如果在电动机停止前，再次启动变频器，则变频器首先要输出一个制动电流，先让电动机停下来，然后再正常输出，让电动机由静止开始运转。这个制动电流相当大，有时模块在这个瞬间就击穿损坏。因此，减速方式设置成自由停车方式时，一定要告知客户，必须要等电动机完全停止后，方可再次启动变频器。
2.2 外部设备或线路损坏，导致模块损坏。
变频器设计了完善的保护电路，对电动机的过流、过压进行有效的保护。特别是经常发生机械卡死现象的场合，有了变频器的保护，电动机烧毁的情况大为减少。因为设备经常出现机械卡死现象，导致电动机停转，这时电动机中电流急剧升高，电动机线圈温度迅速升高，线圈会立刻烧毁。如果有了变频器的保护，电动机由于机械卡死，电动机线圈中的电流迅速升高，一旦达到变频器的过流保护值，变频器会立刻停止输出，并发出过电流报警。这个保护动作迅速，一秒就能完成。因此电动机一般不会损坏。既然有了变频器的保护，那么为什么还会发生，电动机损坏导致变频器模块损坏的情况发生？而且这种变频器模块的损坏，大多数是发生在设备工作过程中，而不是设备开始启动的时候。究其原因，我认为在工作过程中，如果突然发生电动机线圈短路、搭铁损坏等故障，电动机中的电流异常增大，在突然大电流冲击下，有可能变频器的保护电路来不及作出反应，模块就损坏了。除了电动机使用中线圈突然损坏，容易导致变频器模块损坏外，电动机的引线，即变频器到电动机之间的三根线，如果在使用中突然发生绝缘老化短路故障，也有可能损坏模块。所以，对于损坏模块的场合，重新安装变频器之前，应仔细检查设备和电动机引线，排除存在的故障隐患，这对于避免再次损坏变频器至关重要。如果检查不出外部设备或线路存在故障，在通电试机时，应把速度旋钮归零，启动时，缓慢增加速度，同时检测工作电流，电流正常，方可加大速度。如果电流异常，及时关闭，找出电流大的原因。切不可，高速运行试机。因此，正确试机，也能减少再次损坏变频器的概率。
2.3 变频器内部电路故障，导致模块损坏。
模块逆变电路由六只IGBT管子组成，六只IGBT管子分成三组，每组由两只管子组成，构成一相电路。两只IGBT管子，一只称为上管，另一只称为下管。工作时同一相电路中的上管和下管不能同时饱和导通，否则导致模块损坏。六只IGBT管子由驱动电路中六只光耦来驱动。六只光耦将CPU送来的PWM控制信号，经放大、高、低压物理隔离后，送到六只IGBT管子的触发极，控制管子的导通与截止。静态时，即变频器未运行时，六只IGBT管子处于截止状态，因此驱动光耦加在IGBT管子触发极上的是负电位或零电位。如果驱动电路异常，加在IGBT管子触发极上的电位变成了正电位，则一运行，该相上、下管同时饱和导通，上下管子立刻击穿损坏。经过统计，驱动电路异常导致的模块损坏，往往发生在，变频器运行的瞬间。所以，为了防止因驱动电路异常，导致变频器模块再次损坏，试机时，应有防损坏保护措施。这个保护措施就是在直流电源与变频器模块逆变电路直流电源输入端之间串联两个220VAC,60W的电灯泡。如果驱动电路异常，流过模块中电流非常大，串联的电灯泡会立刻发光，由于电灯泡发光后，电灯泡两端产生电压降，使得加到模块逆变电路上的电压很低，模块就不会击穿。如果驱动电路正常，电灯泡一般就不会发光。驱动电路中的光耦、电阻、稳压二极管、整流二极管等元器件损坏或性能不良，都会导致IGBT触发极电位偏离负电位或零电位，引起模块损坏。因此，在更换模块时，仔细检查驱动电路中每一个电器元件，仔细测量IGBT管子触发极的正、反特性及偏置电压，非常重要。只有六路光耦驱动触发电路，完全对称、一致，方可在有保护的条件下，运行变频器。这样可有效减少因驱动电路异常导致模块损坏。
3 结语
（1）选择变频器时，变频器的功率应大于或等于电动机功率，变频器的实际工作电流应小于额定电流的70%，这样可有效延长模块的使用寿命。
（2）重载场合，应尽量延长加速时间，可有效降低启动电流，减少大电流对模块的冲击，有效延长模块使用寿命。
（3）外部设备或线路故障会导致模块损坏。更换变频器时，应先排除外部设备和线路故障，才能运行变频器。
（4）驱动电路异常会导致模块损坏。驱动电路修复后，应在有过流保护措施下，运行变频器，防止再次损坏模块。
参考文献：
[1] 吕汀，石红梅．编．《变频技术原理与应用》．机械工业出版社．
[2]王廷才．主编．《变频器原理及应用》．机械工业出版社 ．
[3] 张全善.浅议变频设备的维修以及维护管理工作 [J].现代科技资讯 ,2010(9):
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作者简介：管云忠（1967-），男，江苏南通人，高级工程师，研究方向：变频器的应用与维修。 联系电话：13862959730
