变频器常见故障及预防措施

1 引言
随着自动化控制技术和电力电子技术的创新发展，以及节能减排已成为时代共识的大形势下，变频控制技术作为目前世界上最有效的节能技术之一，变频器等节能产品在电气应用领域得到了快速发展，尤其是近几年来发展速度更加快速，每年的增长速度均超过10%以上。以胜利油田孤东采油厂为例，2005年全厂在用各种变频控制设备仅为210台，到2008年初，油田各种变频控制设备应用数量已达到480余台，变频器应用总数增长了130%。如何保证在用的各种变频器的工作运行质量，减少变频器的故障时间，保持节能设备的长效性，已越来越成为采油厂的一项重要研究课题。
笔者结合我厂在用变频器的现场运行情况和变频器维修实际工作，谈一谈变频器常见故障及预防措施，与同行们作一交流探讨。

2 变频器目前应用情况
目前胜利油田孤东采油厂在用各种变频器480余台，其中6kv高压变频器1台，660v中压变频器约20台，其余460余台为低压变频器，约总全厂总数的95%左右。从变频器应用生产方面来看，用途非常广泛，几乎覆盖了油田生产的各个领域。6kv高压变频器主要用于2300kw的大功率离心注水泵，660v中压变频器主要用于油井的大功率电潜泵和电潜螺杆泵，低压变频器的应用几乎涉及到油田低压电气系统各个方面，如注聚泵（往复泵和离心泵）站、注水泵（柱塞泵）站、注汽站（柱塞泵）、掺水泵（离心泵）站、输油泵（离心泵、单螺杆泵和双螺杆泵）站、供水泵（离心泵）站、排涝站（离心泵）、污水泵（离心泵）站、压缩机、鼓风机、游梁式抽油机、螺杆泵油井、水力喷射泵油井、油电加热管、油电加热杆以及中央空调系统等，其中注聚泵站达到270余台，约占低压变频器总数的58%。我厂早期使用的变频器以国外品牌的为主，主要有abb、罗宾康，日本的富士、安川、三垦、东芝和日立，德国的西门子、施耐德，但近两年来随着国产变频器在控制技术、功能、可靠性等方面的提高，国产变频器的应用数量得到逐步提高，主要有春日、西子、惠丰、安邦信、佳灵、森兰、华为等品牌。

3 变频器的节能特征
变频器节能特征主要表现在调速节能、提高功率因数节能和软启动节能三个方面。
3.1 变频调速节能
变频器变频节能主要体现在泵、风机、压缩机等用电设备降低功率运行，减少有功功率上。为了保证生产的可靠运行，各生产设备在设计配用动力驱动时，都留有一定的富裕量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成了电能的浪费。风机、泵类等设备的传统调节方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给流量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的节流过程中，而变频器是当今最好的电机调速控制设备，调节流量是通过控制泵或风机的转速来完成。
由液体力学可知，p（功率）=q（流量）×h（压力），流量q与转速n的一次方成正比，压力h与转速n的平方成比例下降，而此时电机轴输出功率p与n的立方关系下降，即电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。所以当所要求的流量q减少时，可调节变频器输出频率使电机转速n按比例降低。这时，电机功率p将按n的三次方关系大幅度地降低，比调节挡板、阀门的开度节能40%-60%。
3.2 提高功率因数节能
无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率供电能力的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部有滤波电容的作用，得到了有效的无功补偿，从而减少了无功损耗，提高了电网的功率因数，增加了电网的供配电能力。
3.3 实现电机软启动节能
绝大多数电机为直接启动或y/d启动，启动电流为4到7倍的额定电流，这样对机电设备和供电电网造成严重的冲击，启动时产生的大电流和震动对挡板、阀门的损害极大，对管线、设备的使用寿命极为不利，而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流最大值也不会超过电机的额定电流值，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备的使用寿命，既节省了设备的维护费用，又实现了节能降耗。

4 变频器常见故障
胜利油田孤东采油厂自2005年开展变频控制设备维修工作以来，已累计完成各种变频控制设备达到220余台次，维修设备总功率达到近10000kw。从维修情况来看，变频控制设备发生故障或器件损坏的特征，主要表现为两大类：一类是在生产连续运行过程中，变频器突然出现自动停机现象，变频器控制面板的液晶显示器随即显示出相应的设备故障代码，维修技术人员可以根据设备故障显示代码，严格按照变频器使用说明书上提供的故障原因指倒查找方法，进行一步一步地查找和分析，找出故障真正原因，然后采取相对的对策措施加以解决。这类故障一般是由于变频器运行参数不合理、或者是变频器生产运行工况发生改变、现有工况条件已不适合原变频器调试运行设置参数，不能满足变频器正常使用要求所产生的一种变频器自动保护停机现象，在故障排除前有的变频器出于设备安全运行考虑不能重新启动，有的变频器可以重新开机，但会出现频繁自动停机现象；另一类是由于使用环境恶劣，高温、导电粉尘引起的短路、潮湿引起的绝缘性能降低或击穿，变频器因使用年限较长造成元件老化损坏、电网系统工作不正常造成变频器主板电路、电源电路故障等问题，严重时可能会出现打火、爆炸等异常现象发生。
具体表现为以下几个方面：
4.1 变频器控制电路故障
主要包括主控制电路板、开关电源板、功率变换器、滤波电容等控制电路的故障。该故障主要表现为+5v、+12v直流开关电源电路烧坏、整流桥滤波电容击穿、中间直流回路故障、igbt功率变换器因过热烧坏、控制电路板输出继电器烧坏、驱动电路故障、充放电电路故障等。
4.2 变频器冷却直流风扇的故障
风扇属于易损件，对连续工作的场合，其工作寿命一般为2～5年，但由于油田生产场合多数在野外，受风沙、盐碱等不良环境影响，直流风扇的故障是油田应用变频器故障最频繁的一个。同时，由于变频器品牌和型号较多，各种变频器所选择的直流风扇的额定电流和大小也各不相同，不能实现相互通用，这给现场维修工作带来较大不便。
4.3 大容量滤波电容故障
对长期连续运行的变频器一般情况下，应2～5年更换维护一次大容量滤波电容，否则就容易出现电容故障。电容故障主要因击穿产生漏液、鼓包等现象，达不到平滑直流的工作要求。
4.4 控制器操作面板故障
该故障多数故障特征为操作面板无显示或操作键失灵故障，现场变频器故障维修主要有操作面板与主机连接线断路、操作面板接头松动、操作键老化以及操作键操作锁定等原因引起。
4.5 变频器外围控制电路器件的故障
变频器本身无故障，但外部控制电路发生故障。主要表现有交流接触器、各种继电器、空气开关、plc、谐波抑制器、变频柜散热交流风扇、保险熔断丝、现场显示仪表和报警电路器件等控制电路器件的故障。
4.6 变频器安装位置不合理、变频柜整机设计不合理
主要表现在变频柜整机内部过于狭窄，散热通风效果差，导致散热不良；部分变频器工作环境恶劣，变频柜内风沙和尘土集聚较多，严重影响变频器正常运行，甚至造成停机故障；变频柜散热导流交流风扇属于易损件，使用寿命一般为2年左右，尤其在夏天，由于部分变频柜安装在野外或者室内的周围环境温度较高的场所，通风散热系统一旦不畅，就会引起变频器过热停机报警频发等现象的发生。
4.7 功率不匹配，造成“小马拉大车”问题而产生的变频器故障
由于变频器节能改造投入时生产工艺条件要求，变频器在低功率下运行，考虑到投入资金成本，当时选择了变频器功率小于电机额定功率，但随着生产运行参数的变化，需要在较高频率下运行，就出现了“小马拉大车”问题，最终导致变频器长时间在过负荷下运行，而产生主控电路故障，不能正常运行。如用于孤东油田一号联合站的污水外输泵和三号联合站污水提升泵的3台变频器，以及新滩油田kd18号油气水处理站用于注水泵的1台abb变频器等。
4.8 变频器驱动电路故障
造成驱动电路损坏的原因有各种各样的，一般来说出现的问题也无非是u、v、w三相无输出，或者输出不平衡，再或者是输出平衡，但在低频运行的时候出现抖动，还有启动报警等故障现象。

5 变频器主要故障原因及预防措施
由于使用方法不正确或调试运行参数设置不合理，将容易造成变频器误动作及停机故障报警，不能满足现场生产工作要求，为确保变频节能控制设备的良好运行，做好对变频器故障原因分析和预防工作非常必要。变频器在正常使用6-10年后，就进入故障频率的高发期，经常出现元器件烧坏、失效、保护停机功能频繁动作等故障现象，严重影响其正常运行。
5.1 外部的电磁感应干扰易造成的故障
如果变频器周围存在干扰，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。在外部采取噪声抑制措施，消除干扰源显得尤其必要。具体解决办法有：一是尽量缩短控制回路的配线距离，并使其与主线路分离；二是变频器接地端子应按规定进行，不能同电焊、大功率动力设备接地混用；三是变频器输入安装噪声滤波器，避免由电源线引入干扰。

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