变频器基础知识及故障分析

Craoline1224

　　1、什么是变频器？
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$ g9 r6 m) J' i　　变频器一般是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
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　　2、PWM和PAM的不同点是什么？
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　　PWM是英文PulseWidthModulation（脉冲宽度调制）缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。
　　
　　PAM是英文PulseAmplitudeModulation（脉冲幅度调制）缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。
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5 R  n& R; N# Q0 U　　3、电压型与电流型有什么不同？
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　　变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路的滤波是电感。
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　　4、为什么变频器的电压与电流成比例的改变？
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1 X1 A* X$ c& {+ M* {/ g  c- y　　异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。
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　　5、电动机使用工频电源驱动时，电压下降则电流增加；对于变频器驱动，如果频率下降时电压也下降，那么电流是否增加？
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0 x# x5 U1 g7 \* J0 f　　频率下降（低速）时，如果输出相同的功率，则电流增加，但在转矩一定的条件下，电流几乎不变。
　　
　　6、采用变频器运转时，电机的起动电流、起动转矩怎样？
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　　采用变频器运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被限制在150%额定电流以下（根据机种不同，为125%~200%）。用工频电源直接起动时，起动电流为6~7倍，因此，将产生机械电气上的冲击。采用变频器传动可以平滑地起动（起动时间变长）。起动电流为额定电流的1.2~1.5倍，起动转矩为70%~120%额定转矩；对于带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为100%以上，可以带全负载起动。
　　
　　7、V/f模式是什么意思？
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　　频率下降时电压V也成比例下降，这个问题已在回答4说明。V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的，通常在控制器的存储装置（ROM）中存有几种特性，可以用开关或标度盘进行选择。
　　
　　8、按比例地改V和f时，电机的转矩如何变化？
　　
　　频率下降时完全成比例地降低电压，那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变，将造成在低速下产生的转矩有减小的倾向。因此，在低频时给定V/f，要使输出电压提高一些，以便获得一定地起动转矩，这种补偿称增强起动。
　　
0 L! v2 ]. I. K8 n) ~. i* K' i　　可以采用各种方法实现，有自动进行的方法、选择V/f模式或调整电位器等方法。
　　
　　9、在说明书上写着变速范围60~6Hz，即10：1，那么在6Hz以下就没有输出功率吗？
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  i3 _3 Q; ]/ \　　在6Hz以下仍可输出功率，但根据电机温升和起动转矩的大小等条件，最低使用频率取6Hz左右，此时电动机可输出额定转矩而不会引起严重的发热问题。变频器实际输出频率（起动频率）根据机种为0.5~3Hz。
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　　10、对于一般电机的组合是在60Hz以上也要求转矩一定，是否可以？
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　　通常情况下是不可以的。在60Hz以上（也有50Hz以上的模式）电压不变，大体为恒功率特性，在高速下要求相同转矩时，必须注意电机与变频器容量的选择。
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% W- k+ N8 H) p6 L+ z　　11、所谓开环是什么意思？
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+ a0 D5 D! J% e% Q" ?　　给所使用的电机装置设速度检出器（PG），将实际转速反馈给控制装置进行控制的，称为“闭环”，不用PG运转的就叫作“开环”。通用变频器多为开环方式，也有的机种利用选件可进行PG反馈。
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+ A& y4 H/ D9 l3 J　　12、实际转速对于给定速度有偏差时如何办？
　　
　　开环时，变频器即使输出给定频率，电机在带负载运行时，电机的转速在额定转差率的范围内（1%~5%）变动。对于要求调速精度比较高，即使负载变动也要求在接近给定速度下运转的场合，可采用具有PG反馈功能的变频器（选用件）。
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　　13、如果用带有PG的电机，进行反馈后速度精度能提高吗？
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* }: c" E  g" _* [　　具有PG反馈功能的变频器，精度有提高。但速度精度的值取决于PG本身的精度和变频器输出频率的分辨率。
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　　14、失速防止功能是什么意思？
　　
- B+ u" ?3 t# \4 j5 W4 w$ m1 w1 t　　如果给定的加速时间过短，变频器的输出频率变化远远超过转速（电角频率）的变化，变频器将因流过过电流而跳闸，运转停止，这就叫作失速。为了防止失速使电机继续运转，就要检出电流的大小进行频率控制。当加速电流过大时适当放慢加速速率。减速时也是如此。两者结合起来就是失速防止功能。
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　　15、有加速时间与减速时间可以分别给定的机种，和加减速时间共同给定的机种，这有什么意义？
　　
　　加减速可以分别给定的机种，对于短时间加速、缓慢减速场合，或者对于小型机床需要严格给定生产节拍时间的场合是适宜的，但对于风机传动等场合，加减速时间都较长，加速时间和减速时间可以共同给定。
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　　16、什么是再生制动？
　　
1 j$ F+ N3 l5 f/ o. }# d+ T　　电动机在运转中如果降低指令频率，则电动机变为异步发电机状态运行，作为制动器而工作，这就叫作再生（电气）制动。
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6 P; J0 U. }( R- A　　17、是否能得到更大的制动力？
　　
5 ?6 E2 }8 |% P" b+ C5 V  \/ q　　从电机再生出来的能量贮积在变频器的滤波电容器中，由于电容器的容量和耐压的关系，通用变频器的再生制动力约为额定转矩的10%~20%。
　　
　　如采用选用件制动单元，可以达到50%~100%。
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% [* t3 r$ V) R) [4 S/ j　　18、请说明变频器的保护功能？
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; [6 R. P1 a3 D' p" P　　保护功能可分为以下两类：
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# G6 L% p2 [, L8 }9 x　　（1）检知异常状态后自动地进行修正动作，如过电流失速防止，再生过电压失速防止。
　　
　　（2）检知异常后封锁电力半导体器件PWM控制信号，使电机自动停车。如过电流切断、再生过电压切断、半导体冷却风扇过热和瞬时停电保护等。
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- E: {6 B3 H4 ~/ O* v　　19、为什么用离合器连续负载时，变频器的保护功能就动作？
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, m& ]0 v. W- b　　用离合器连接负载时，在连接的瞬间，电机从空载状态向转差率大的区域急剧变化，流过的大电流导致变频器过电流跳闸，不能运转。
　　
# D) E& y: Y: }: {% b　　20、在同一工厂内大型电机一起动，运转中变频器就停止，这是为什么？
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　　电机起动时将流量和容量相对应的起动电流，电机定子侧的变压器产生电压降，电机容量大时此压降影响也大，连接在同一变压器上的变频器将做出欠压或瞬停的判断，因而有时保护功能（IPE）动作，造成停止运转。
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% P) v4 v3 M& }% T: B+ G' S　　21、什么是变频分辨率？有什么意义？
　　
# i6 P. A# U6 a3 w" X/ g7 K' M　　对于数字控制的变频器，即使频率指令为模拟信号，输出频率也是有级给定。这个级差的最小单位就称为变频分辨率。
　　
+ M& b& T8 L4 G  P( e$ C+ T　　变频分辨率通常取值为0.015~0.5Hz.例如，分辨率为0.5Hz，那么23Hz的上面可变为23.5、24.0Hz，因此电机的动作也是有级的跟随。这样对于像连续卷取控制的用途就造成问题。在这种情况下，如果分辨率为0.015Hz左右，对于4级电机1个级差为1r/min以下，也可充分适应。另外，有的机种给定分辨率与输出分辨率不相同。
　　
　　22、装设变频器时安装方向是否有限制。
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　　变频器内部和背面的结构考虑了冷却效果的，上下的关系对通风也是重要的，因此，对于单元型在盘内、挂在墙上的都取纵向位，尽可能垂直安装。
　　
　　23、不采用软起动，将电机直接投入到某固定频率的变频器时是否可以？
　　
　　在很低的频率下是可以的，但如果给定频率高则同工频电源直接起动的条件相近。将流过大的起动电流（6~7倍额定电流），由于变频器切断过电流，电机不能起动。
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4 u' j" S+ Z. X5 G2 C, Q; H　　24、电机超过60Hz运转时应注意什么问题？
　　
* n2 c; `, k9 r+ F3 v9 u2 {3 ~　　超过60Hz运转时应注意以下事项：
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; W  ?0 @8 c& M- r, m4 N　　（1）机械和装置在该速下运转要充分可能（机械强度、噪声、振动等）。
　　
" f$ J% [& b& B% G　　（2）电机进入恒功率输出范围，其输出转矩要能够维持工作（风机、泵等轴输出功率于速度的立方成比例增加，所以转速少许升高时也要注意）。
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# E, L5 e+ B* m! y2 V　　（3）产生轴承的寿命问题，要充分加以考虑。
　　
　　（4）对于中容量以上的电机特别是2极电机，在60Hz以上运转时要与厂家仔细商讨。
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: C2 M/ n6 S5 y% }( \; Y　　25、变频器可以传动齿轮电机吗？
　　
　　根据减速机的结构和润滑方式不同，需要注意若干问题。在齿轮的结构上通常可考虑70~80Hz为最大极限，采用油润滑时，在低速下连续运转关系到齿轮的损坏等。
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　　26、变频器能用来驱动单相电机吗？可以使用单相电源吗？
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1 e4 k9 {# P4 e, i5 P( A% B( C　　单相电机基本上不能用。对于调速器开关起动式的单相电机，在工作点以下的调速范围时将烧毁
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　　辅助绕组；对于电容起动或电容运转方式的，将诱发电容器爆炸。变频器的电源通常为3相，但对于小容量的，也有用单相电源运转的机种。
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- v% E$ l: z& y* ^% i2 B　　27、变频器本身消耗的功率有多少？
　　
　　它与变频器的机种、运行状态、使用频率等有关，但要回答很困难。不过在60Hz以下的变频器效率大约为94%~96%，据此可推算损耗，但内藏再生制动式（FR-K）变频器，如果把制动时的损耗也考虑进去，功率消耗将变大，对于操作盘设计等必须注意。
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　　28、为什么不能在6~60Hz全区域连续运转使用？
　　
; l) t  M6 T8 K- B# V. g　　一般电机利用装在轴上的外扇或转子端环上的叶片进行冷却，若速度降低则冷却效果下降，因而不能承受与高速运转相同的发热，必须降低在低速下的负载转矩，或采用容量大的变频器与电机组合，或采用专用电机。
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: x9 T+ [/ w8 U3 ?$ V) D　　29、使用带制动器的电机时应注意什么？
　　
　　制动器励磁回路电源应取自变频器的输入侧。如果变频器正在输出功率时制动器动作，将造成过电流切断。所以要在变频器停止输出后再使制动器动作。
　　
* j. G& S; x( S　　30、想用变频器传动带有改善功率因数用电容器的电机，电机却不动，请说明原因
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　　变频器的电流流入改善功率因数用的电容器，由于其充电电流造成变频器过电流（OCT），所以不能起动，作为对策，请将电容器拆除后运转，甚至改善功率因数，在变频器的输入侧接入AC电抗器是有效的。
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) e  z2 A" H) N+ ]- i　　31、变频器的寿命有多久？
　　
　　变频器虽为静止装置，但也有像滤波电容器、冷却风扇那样的消耗器件，如果对它们进行定期的维护，可望有10年以上的寿命。
　　
　　32、变频器内藏有冷却风扇，风的方向如何？风扇若是坏了会怎样？
　　
　　对于小容量也有无冷却风扇的机种。有风扇的机种，风的方向是从下向上，所以装设变频器的地方，上、下部不要放置妨碍吸、排气的机械器材。还有，变频器上方不要放置怕热的零件等。风扇发生故障时，由电扇停止检测或冷却风扇上的过热检测进行保护
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　　33、滤波电容器为消耗品，那么怎样判断它的寿命？
　　
/ `5 R0 V" X4 G5 \6 H% R7 w　　作为滤波电容器使用的电容器，其静电容量随着时间的推移而缓缓减少，定期地测量静电容量，以达到产品额定容量的85%为基准来判断寿命。
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　　34、装设变频器时安装方向是否有限制？
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1 ?8 j/ B% E. d- d8 @/ e6 K　　应基本收藏在盘内，问题是采用全封闭结构的盘外形尺寸大，占用空间大，成本比较高。其措施有：
　　
8 ]7 r3 Q; x% F; \1 J　　（1）盘的设计要针对实际装置所需要的散热；
　　
- t/ d/ H$ n" m- r6 Y8 ^& z　　（2）利用铝散热片、翼片冷却剂等增加冷却面积；
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  |7 t4 t3 v( a　　（3）采用热导管。
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　　此外，已开发出变频器背面可以外露的型式。
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　　35、想提高原有输送带的速度，以80Hz运转，变频器的容量该怎样选择？
　　
* |' c  D4 ?* h& C- z6 H, k. U, v　　设基准速度为50Hz，50Hz以上为恒功率输出特性。像输送带这样的恒转矩特性负载增速时，容量需要增大为80/50≈1.6倍。电机容量也像变频器一样增大。
　　
　　变频器结构和故障判断简介
　　
　　变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。
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7 a6 O% |' X! G2 J' Y　　1.整流器，它与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。
　　
　　2.中间电路，有以下三种作用：
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　　a.使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用。
　　
　　b.通过开关电源为各个控制线路供电。
　　
　　c.可以配置滤波或制动装置以提高变频器性能。
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4 }$ q  G$ K# f　　3.逆变器，将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。
　　
　　4.控制电路，它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来自这些部分的信号。其主要组成部分是：输出驱动电路、操作控制电路。主要功能是：
　　
  S* R6 O. q  t7 w7 W　　a.利用信号来开关逆变器的半导体器件。
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  C; r& b3 w8 M& r3 ~　　b.提供操作变频器的各种控制信号。
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+ _  h) o% F+ R( O! F　　c.监视变频器的工作状态，提供保护功能。
　　
　　在现场对变频器以及周边控制装置的进行操作的人员，如果对一些常见的故障情况能作出判断和处理，就能大大提高工作效率，并且避免一些不必要的损失。为此，我们总结了一些变频器的基本故障，供大家作参考。以下检测过程无需打开变频器机壳，仅仅在外部对一些常见现象进行检测和判断。
　　
0 \. A$ y% n. C　　1，上电跳闸或变频器主电源接线端子部分出现火花。
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　　检测办法和判断：断开电源线，检查变频器输入端子是否短路，检查变频器中间电路直流侧端子P、N是否短路。
　　
& t/ T7 s. P, Y, D　　可能原因是整流器损坏或中间电路短路。
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4 g! H4 V! h/ [2 A　　2，上电无显示
　　
　　检测办法和判断：断开电源线，检查电源是否是否有缺相或断路情况，如果电源正常则再次上电后则检查检查变频器中间电路直流侧端子P、N是否有电压，如果上述检查正常则判断变频器内部开关电源损坏。
　　
　　3，开机运行无输出（电动机不启动）
　　
　　检测办法和判断：断开输出电机线，再次开机后观察变频器面板显示的输入频率，同时测量交流输出端子。可能原因是变频器启动参数设置或运行端子接线错误、也可能是逆变部分损坏或电动机没有正确链接到变频器。
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% }& ?1 p8 g1 n2 G　　4，运行时“过电压”保护，变频器停止输出
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　　检测办法和判断：检查电网电压是否过高，或者是电机负载惯性太大并且加减速时间太短导致的制动问题，请参考8条。
　　
0 a: Q8 v  x$ z　　5，运行时“过电流”保护，变频器停止输出
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　　检测办法和判断：电机堵转或负载过大。可以检查负载情况或适当调整变频器参数。如无法奏效则说明逆变器部分出现老化或损坏。
　　
3 B  Q7 w+ \+ o* t　　6，运行时“过热”保护，变频器停止输出
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　　检测办法和判断：视各品牌型号的变频器配置不同，可能是环境温度过高超过了变频器允许限额，检查散热风机是否运转或是电动机过热导致保护关闭。
　　
2 [: y) Q$ P1 {5 h$ N; m" H0 Z　　7，运行时“接地”保护，变频器停止输出
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　　检测办法和判断：参考操作手册，检查变频器及电机是否可靠接地，或者测量电机的绝缘度是否正常。
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+ m+ R2 k5 q! I$ P: }　　8，制动问题（过电压保护）
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　　检测办法和判断：如果电机负载确实过大并需要在短时间内停车，则需购买带有制动单元的变频器并配置相当功率的制动电阻。如果已经配置了制动功能，则可能是制动电阻损坏或制动单元检测失效。
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　　9，变频器内部发出腐臭般的异味
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$ G, [4 o# J* n# S8 i5 T$ F　　检测办法和判断：切勿开机，很可能是变频器内部主滤波电容有破损漏液现象。
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: L* `) G2 o5 [( m　　10，如判断出变频器部件损坏，则联系供应商或送交专业维修中心处理。
　　
4 A0 s7 l. _- H; \$ y8 r　　变频器故障分析
　　
　　目前人们所说的交流调速系统，主要指电子式电力变换器对交流电动机的变频调速系统。变频调速系统以其优越于直流传动的特点，在很多场合中都被作为首选的传动方案，现代变频调速基本都采用16位或32位单片机作为控制核心，从而实现全数字化控制，调速性能与直流调速基本相近，但使用变频器时，其维护工作要比直流复杂，一旦发生故障，企业的普通电气人员就很难处理，这里就变频器常见的故障分析一下故障产生的原因及处理方法。
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　　一、参数设置类故障
　　
　　常用变频器在使用中，是否能满足传动系统的要求，变频器的参数设置非常重要，如果参数设置不正确，会导致变频器不能正常工作。
　　
　　1、参数设置
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　　常用变频器，一般出厂时，厂家对每一个参数都有一个默认值，这些参数叫工厂值。在这些参数值的情况下，用户能以面板操作方式正常运行的，但以面板操作并不满足大多数传动系统的要求。所以，用户在正确使用变频器之前，要对变频器参数时从以下几个方面进行：
　　
　　（1）确认电机参数，变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。
　　
　　（2）变频器采取的控制方式，即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。
) n7 Y. x* K/ ^" T# H　　
　　（3）设定变频器的启动方式，一般变频器在出厂时设定从面板启动，用户可以根据实际情况选择启动方式，可以用面板、外部端子、通讯方式等几种。
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　　（4）给定信号的选择，一般变频器的频率给定也可以有多种方式，面板给定、外部给定、外部电压或电流给定、通讯方式给定，当然对于变频器的频率给定也可以是这几种方式的一种或几种方式之和。正确设置以上参数之后，变频器基本上能正常工作，如要获得更好的控制效果则只能根据实际情况修改相关参数。
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, Z6 t3 K# D& `8 `0 M　　2、参数设置类故障的处理
# A) O( d- g" F- ?0 A6 v* u　　
! Z4 J6 [, R* }6 x( j; d+ D5 E　　一旦发生了参数设置类故障后，变频器都不能正常运行，一般可根据说明书进行修改参数。如果以上不行，最好是能够把所有参数恢复出厂值，然后按上述步骤重新设置，对于每一个公司的变频器其参数恢复方式也不相同。
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　　二、过压类故障
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4 i! h" k# e" P3 ?$ `6 t0 m　　变频器的过电压集中表现在直流母线的支流电压上。正常情况下，变频器直流电为三相全波整流后的平均值。若以380V线电压计算，则平均直流电压Ud=1.35U线＝513V。在过电压发生时，直流母线的储能电容将被充电，当电压上至760V左右时，变频器过电压保护动作。因此，变频器来说，都有一个正常的工作电压范围，当电压超过这个范围时很可能损坏变频器，常见的过电压有两类。
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$ Y+ ]: R6 r4 m. `) n1 c　　1、输入交流电源过压
　　
　　这种情况是指输入电压超过正常范围，一般发生在节假日负载较轻，电压升高或降低而线路出现故障，此时最好断开电源，检查、处理。
　　
　　2、发电类过电压
　　
. u5 |, e5 w$ Y3 R( Y& J0 _' h　　这种情况出现的概率较高，主要是电机的同步转速比实际转速还高，使电动机处于发电状态，而变频器又没有安装制动单元，有两起情况可以引起这一故障。
　　
　　（1）当变频器拖动大惯性负载时，其减速时间设的比较小，在减速过程中，变频器输出的速度比较快，而负载靠本身阻力减速比较慢，使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高，电动机处于发电状态，而变频器没有能量回馈单元，因而变频器支流直流回路电压升高，超出保护值，出现故障，而纸机中经常发生在干燥部分，处理这种故障可以增加再生制动单元，或者修改变频器参数，把变频器减速时间设的长一些。
　　
: A0 i7 e& S8 c　　增加再生制动单元功能包括能量消耗型，并联直流母线吸收型、能量回馈型。能量消耗型在变频器直流回路中并联一个制动电阻，通过检测直流母线电压来控制功率管的通断。并联直流母线吸收型使用在多电机传动系统，这种系统往往有一台或几台电机经常工作于发电状态，产生再生能量，这些能量通过并联母线被处于电动状态的电机吸收。能量回馈型的变频器网侧变流器是可逆的，当有再生能量产生时可逆变流器就将再生能量回馈给电网。
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　　（2）多个电动施动同一个负载时，也可能出现这一故障，主要由于没有负荷分配引起的。以两台电动机拖动一个负载为例，当一台电动机的实际转速大于另一台电动机的同步转速时，则转速高的电动机相当于原动机，转速低的处于发电状态，引起故障。在纸机经常发生在榨部及网部，处理时需加负荷分配控制。可以把处于纸机传动速度链分支的变频器特性调节软一些。
　　
　　三、过流故障
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5 _3 k5 ~: l+ A3 q) f, Z) |1 p　　过流故障可分为加速、减速、恒速过电流。其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均，输出短路等原因引起的。这时一般可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查。如果断开负载变频器还是过流故障，说明变频器逆变电路已环，需要更换变频器。
　　
　　四、过载故障
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. ~* t4 G/ R5 Z* z　　过载故障包括变频过载和电机器过载。其可能是加速时间太短，直流制动量过大、电网电压太低、负载过重等原因引起的。一般可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等。负载过重，所选的电机和变频器不能拖动该负载，也可能是由于机械润滑不好引起。如前者则必须更换大功率的电机和变频器；如后者则要对生产机械进行检修。
　　
　　五、其他故障
　　
　　1、欠压
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　　说明变频器电源输入部分有问题，需检查后才可以运行。
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　　2、温度过高
　　
, I! a8 a! `3 G" C. u- S　　如电动机有温度检测装置，检查电动机的散热情况；变频器温度过高，检查变频器的通风情况。