变频器故障诊断分析方法

近年来，变频器由于效率高、体积小、能耗少等诸多优点在电梯扶梯、纺织机械、电力机车等工业调速及动力传动控制系统中得到了广泛的应用。但其和大部分电子设备一样会因为意外发生或非正常操作而产生各种故障，从而导致控制系统停运带来不可估量的各类损失，因此，随着变频器不断普及，快速准确地诊断出变频器故障成为了一个迫切解决的问题。
　　根据笔者的归纳总结，变频器在应用过程经常会出现的故障有：输入缺相、输出过流、直流母线过压欠压、速度传感器故障(SSF)，IGBT开路故障(IGBT-OCF)、整流桥烧毁、母线电容损坏等。可将这些故障分为三个类别，各个类别有针对性的采用差异性的故障诊断方法。
　　1.变频器一类故障诊断
　　一类为无损故障，即通过故障诊断并采取处理措施后不会对变频器造成损坏，如输入缺相、输出过流、直流母线过压欠压等，这类故障一般可通过硬件电路加以诊断。
　　以输入缺相故障为例，最简单的诊断方法是通过硬件电路来诊断，将三相交流电压通过电阻分压后整流可得到一个较小的电压值，通过检测此电压值的大小来判断变频器是否发生输入缺相故障。当然还可以通过软件对输入缺相进行检测，只要检测Udc的交流成分周期就可判断是否缺相。
　　另外，通过硬件电路同样可实现变频器直流母线电压的过压欠压保护。母线电压过压一般在发电状态或在制动状态时容易发生，而欠压是在电网电压跌落，或者突然停电情况下发生，无论过压还是欠压都是将变频器能正常工作的母线电压给定值与实测的母线电压进行比较来实现诊断。
　　2.变频器二类故障诊断
　　第二类故障对变频器可能造成损害，但通过故障诊断加以处理后可使变频器继续运行，主要包括变频器速度传感器故障及逆变器开关器件开路故障两个方面。变频器SSF的发生可能会导致闭环系统的意外开环而发生系统飞车，损坏变频器及其他设备，甚至是造成人员伤亡。而变频器IGBT-OCF也是破坏性较大的故障，会导致突然停机，甚至长时间停机，造成不可估量的经济损失。因此，需要深入分析第二类故障诊断方法，这也将是本文的研究重点。
　　2.1 速度传感器故障诊断
　　速度传感器故障可采用硬件法和软件法两种进行诊断。硬件法又分为直接硬件检测法和基于脉冲分析的故障诊断法。硬件法检测速度快，但会增加系统成本，更致命的是只能检测电压输出类型的速度传感器。
　　直接硬件检测法需要速度传感器内部电路的支撑，根据断线前后信号接入点的电位来诊断SSF，输出端子输出低电平可以诊断出SSF，若为高电平则表示速度传感器没有发生SSF故障。
　　除了直接用硬件电路检测速度传感器故障外还可以通过文献[1]所提出的脉冲信号检测速度传感器故障。
　　软件法诊断速度传感器的故障有基于神经网络的方法，也有基于小波变换的方法，还有基于状态观测器的方法。神经网络和小波变换复杂，计算量大，在实际应用中并不合适。因此，有必要继续研究变频器速度传感器故障诊断方法。
　　2.2 变频器IGBT开路故障诊断
　　变频器中IGBT开路故障是一种出现频率较高的硬件故障，这种故障多发生于操作不当或意外过流，硬件没能及时保护变频器而导致，除此外IGBT开路故障还包括驱动开路故障。无论是发生那种类型的故障，只能停机维修或者更换变频器，严重影响设备的正常运行。
　　IGBT开路故障诊断也有硬件法和软件法之分，硬件法诊断速度快，能及时隔离故障。但硬件法需要测定逆变器特定点的电位，并结合PWM控制，来进行故障诊断。显然硬件法会增加系统成本，且由于逆变器死区时间的存在，使得用硬件诊断IGBT开路故障的方法可靠度降低，在死区调整后，又无法很好的配合故障诊断方法，因此这种方法的通用性较差。
　　软件诊断法且较易实现，目前有多种软件诊断IGBT开路故障的方法，其中三相电流平均值法最为简洁，其是基于计算电机电流平均值的诊断方法。利用三相电流平均值法诊断IGBT开路故障时，鉴于系统噪声的存在，必须设定一个合适的阈值才能较好的诊断IGBT开路故障。阈值的大小关系到故障诊断的灵敏度，其值如较大则不易判断出故障;如较小则该方法较灵敏，因此，需要合理取值。
　　3.变频器三类故障诊断
　　第三类故障为有损且不易控制的故障。此类故障不但对变频器造成重大硬件损坏，且在出现故障后不易修复，需要更换，如整流桥烧毁，母线电容损坏，控制电路和驱动电路内部短路，及开关器件短路等故障。此类故障的诊断时，首先应切断电源，作电阻特性参数测试，找出故障部位，加以更换。
　　文章结合笔者多年的维修经验，对变频器故障进行了分类故障诊断分析，对变频器故障诊断的方法应用具有一定的参考价值。特别是一些软件诊断方法还处于实验和探索阶段，需要进一步加强研究。