变频器输出三相不平衡故障分析

1 引言
在上世纪80、90年代变频器刚开始进入我国市场发展到目前广泛被接受，并应用于冶金，纺织，印染，印刷，烟机生产线，及楼宇，供水等领域。由于变频器确实在电气传动调速方面比传统调速有多方面的优越性，如节能，设备小型化，提高舒适性,如电梯，电车等，可实现自动化控制提高控制精度，提高产品的质量，提高生产效率和产品合格率，变频器今后在我国会日益广泛应用。
变频器由于是电子产品, 理论上它有设计使用年限, 在实际应用中有时要报警出故障, 它的故障概率如图1所示。

　

图1 变频器的故障示意图
实际应用中变频器故障率与正确使用，维护保养和使用环境也有关系。从图1中不难看出变频器维修领域的前景。变频器不平衡输出是变频器常见典型故障，在这里浅谈供广大同行讨论。

2 变频器的逆变器基本工作原理
变频器三相(u v w)交流输出频率波形质量和电压平衡的程度直接影响异步电动机调速运行的状态与电机寿命，更重要是影响变频器的寿命，一台经维修后的变频器，U、V、W三相交流输出的波形符合要求和电压平衡是最基本的。
通常变频器主要有:主电路IGBT，或GTO等功率开关器件构成逆变器给异步电动机提供调压调频的电源，此电源输出的电压或电流及频率由控制回路的控制指令进行控制，而控制指令是由外部的运转指令运算获得，对于需要精密控制速度或快速响应的场合其运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号以进行闭环控制。保护电路的构成，除应防止因变频器主电路的过电压保护，过电流保护，主电路过热保护引起的故障外，还应保护异步电动机及传动系统等等，因此直接影响U、V、W输出主电路的逆变器故障是至关重要的。
逆变器同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要频率的交流功率，以所确定的时间使上桥与下桥的６个功率开关器件导通和关断。如图2所示。

图2 逆变器示意图
图2中，S1~S6组成了桥式逆变电路，这6个开关交替接通和关断就可以在输出端U、V、W三相上得到相位互相差2/3π的三相交流电压。由此可见驱动电路中S1~S6开与关时电压波形一致，对输出电压平衡尤其重要。图3是在维修变频器中碰到比较典型的IGBT栅极驱动电路。

图3 典型的栅极驱动电路
栅极驱动电路开通时，输出一个15V的正栅极电压。这个值足够令IGBT产生完全饱和，并使其通态损耗减至最小，同时也限制了短路电流和它所带来的功率应力。当栅极电压处于零时，IGBT处于断态是为了保证IGBT在集电极--发射极电压出现dv/dt噪声时仍保持关断，需要在栅极上施加一个关断偏压，采用反向偏压还可以减少关断损耗。H系列IGBT反向偏压在-5V~15V范围内。
3 变频器输出不平衡及对策
在实际维修中U、V、W输出不平衡可分为三种情况:
(1) 变频器显示器显示:(MISSMG MOTO PHASE)输出缺相，如排除检测电路故障，则通过直接检查IGBT模块和驱动电路，结论为IGBT模块损坏，同时驱动电路也有问题。通过更换IGBT模块和驱动电路上元器件如光耦, PNP,NPN一对驱动晶体管, 电解电容, 稳压管等基本能解决问题。
(2) 变频器输出U、V、W之间相差100V左右，(输出380V为例)驱动电路中S1~S6中间的某一路驱动电路无驱动电压和驱动信号波形, 通过测量输出端子U、V、W—P之间。
(3) U、V、W—N之间直流电压，可找到这一路驱动电压不正常或没有驱动信号波形，它导致U、V、W中的某一相不能正常工作所引起相位差。
解决办法为检查驱动电路电压是否正常，光耦是否坏了，电解电容是否漏液等。通过示波器测量6路波形符合技术要求，问题也就可解决了。
还有另一种现象是变频器U、V、W三相输出交流电压之间相差大于3%，虽然能使用，但是不能长期使用和大负载使用。这主要是驱动电路S1~S6之间主要器件不对称所至，如晶体管的技术参数，稳压管的参数，电容的液枯,漏液和漏电等，6路驱动电路上器件的耗损使其参数上有一定的差别，导致变频器输出U、V、 W之间产生微小的电位差。上述情况虽然能使用，但是技术上是不能容许的。我公司追求精益求精对各种器件通过筛选老化，如晶体管技术参数和稳压管技术参数一致、配对等，保证驱动电路中驱动信号符合技术要求，确保IGBT模块饱和，导通时间上一致是由器件上的质量保证，修理好的变频器在做负载试验时，电动机运转中电动机声音轻盈，在修理前和修理后带相同功率电动机和相同功率负载，后者的电动机三相电流相对要小得多。
4 结束语
变频器输出三相不平衡是变频器的典型常见故障，但是在实践中可能碰到各种不同的复杂问题，希望大家能够共同交流，同时我们也希望更好的为广大客户服务。