1、 引言
隨著變頻器在工業生產中日益廣泛的應用，了解變頻器的結構，主要器件的電氣特性和一些常用參數的作用及其常見故障對于實際工作越來越重要。
2、變頻器控制電路
給異步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的網絡，稱為控制回路，控制電路由頻率，電壓的運算電路，主電路的電壓，電流檢測電路，電動機的速度檢測電路，將運算電路的控制信號進行放大的驅動電路，以及逆變器和電動機的保護電路等組成。無速度檢測電路為開環控；在控制電路增加了速度檢測電路，即增加速度指令，可以對異步電動機的速度進行更精確的閉環控制。
（1）運算電路將外部的速度，轉矩等指令同檢測電路的電流，電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。
（2）電壓、電流檢測電路為與主回路電位隔離檢測電壓，電流等。
（3）驅動電路為驅動主電路器件的電路，它與控制電路隔離，控制主電路器件的導通與關斷。
（4）I/O電路使變頻更好地人機交互，其具有多信號（比如運行多段速度運行等）的輸入，還有各種內部參數（比如電流，頻率，保護動作驅動等）的輸入。
（5）速度檢測電路將裝在異步電動機軸上的速度檢測器（TG、PLG等）的信號設為速度信號，送入運算回路，根據指令和運算可使電動機按指令速度運轉。
（6）保護電路檢測主電路的電壓、電流等。當發生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓，電流值。逆變器控制電路中的保護電路，可分為逆變器保護和異步電動機保護兩種，保護功能如下：
（1）逆變器保護
①瞬時過電流保護，用于逆變電流負載側短路等，流過逆變電器回件的電流達到異常值（超過容許值）時，瞬時停止逆變器運轉，切斷電流，變流器的輸出電流達到異常值，也得同樣停止逆變器運轉。
②過載保護，逆變器輸出電流超過額定值，且持續流通超過規定時間，為防止逆變器器件、電線等損壞，要停止運轉，恰當的保護需要反時限特性，采用熱繼電器或電子熱保護，過載是由于負載的GD2（慣性）過大或因負載過大使電動機堵轉而產生。
③再生過電壓保護，應用逆變器使電動機快速減速時，由于再生功率使直流電路電壓升高，有時超過容許值，可以采取停止逆變器運轉或停止快速的方法，防止過電壓。
④瞬時停電保護，對于毫秒級內的瞬時斷電，控制電路工作正常。但瞬時停電如果達數10ms以上時，通常不僅控制電路誤動作，主電路也不供電，所以檢測出后使逆變器停止運轉。
⑤接地過電流保護，逆變器負載接地時，為了保護逆變器，要有接地過電流保護功能。但為了保證人身安全，需要裝設漏電保護斷路器。
⑥冷卻風機異常，有冷卻風機的裝置，當風機異常時裝置內溫度將上升，因此采用風機熱繼電器或器件散熱片溫度傳感器，檢測出異常后停止逆變電器工作。
（2）異步電動機的保護
①過載保護，過載檢測裝置與逆變器保護共用，但考慮低速運轉的過熱時，在異步電動機內埋入溫度檢出器，或者利用裝在逆變器內的電子熱保護來檢出過熱。動作過頻時，應考慮減輕電動機負荷，增加電動機及逆變器的容量等。
②超速保護，逆變器的輸出頻率或者異步電動機的速度超過規定值時，停止逆變器運轉。
（3）其他保護
①防止失速過電流，加速時，如果異步電動機跟蹤遲緩，則過電流保護電路動作，運轉就不能繼續進行（失速）。所以，在負載電流減小之前要進行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。對于恒速運轉中的過電流，有時也進行同樣的控制。
②防止失速再生過電壓，減速時產生的再生能量使主電路直流電壓上升，為防止再生過電壓電路保護動作，在直流電壓下降之前要進行控制，抑制頻率下降，防止不能運轉（失速）。
3、變頻器控制回路的抗干擾措施
由于主回路的非線性（進行開關動作），變頻器本身就是諧波干擾源，而其周邊控制回路卻是小能量，弱信號回路，極易遭受其他裝置產生的干擾，造成變頻器自身和周邊設備無法正常工作。因此，變頻器在安裝使用時，必須對控制回路采取抗干擾措施。
（1）變頻器的基本控制回路
一般而言，同外部進行信號交流的基本回籠路有模擬與數字兩種：
①4～20MA電流信號回路（模擬）；1～5V/0～5V電壓信號回路（模擬）。
②開關信號回路，變頻器的開停指令，正反轉指令等（數字）。外部控制，指令信號通過上述基本回路導入變頻器，同時干擾源也在其回路上產生干擾電勢，以控制電纜為媒介侵入變頻器。
（2）干擾的基本類型及抗干擾措施
①靜電耦合干擾，指控制電纜與周圍電氣回路的靜電容耦合在電纜中產生的電勢。當加大與干擾源電纜的距離，達到導體直徑40倍以上時，干擾程度就會不太明顯，也可在兩電纜間設置屏敝導體，再將屏蔽導體接地。
②靜電感應干擾，指周圍電氣回路產生的磁通變化在電纜中感應出的電勢。其強度取決于干擾源電纜產生的磁通大小、控制電纜形成的閉環面積和干擾源電纜與控制電纜間的相對角度?？蓪⒖刂齐娎|與主回路電纜或其他動力電纜分離鋪設。分離距離通常應在30cm以上（較少不低于10cm）。分離困難時，將控制電纜穿過鐵管鋪設，也可將控制導體絞合，絞合間距越小，鋪設的路線越短，抗干擾效果越好。
③電波干擾，指控制電纜成為天線，由外來電波在電纜中產生電勢?？垢蓴_措施同①②，必要時將變頻器放入鐵箱內進行電波屏蔽，屏蔽用的鐵箱務必接地。
④接觸不良干擾，指變頻器控制電纜的電接點及繼電器觸點接觸不良，電阻發生變化在電纜中產生的干擾，對此，采用并聯觸點或提高電器件等級來解決。對于電纜連接點應定期做擰緊加固處理。
⑤接地干擾，指機體接地或信號接地，對于弱電壓，電流回路，任何不合理的接地均可誘發各種意想不到的干擾，比如設置兩個以上接地點，接地處會產生電位差，產生干擾?？蓪⑺俣冉o定的控制電纜取一點接地，接地線不作為信號的通路使用，電纜的接地在變頻器側進行，使用專設的接地端子，不與其他接地端子共用。
（3）其他注意事項
①裝有變頻器的控制柜，應盡量遠離大容量變壓器和電動機。其控制電纜線路也應避開這些漏磁通大的設備。
②弱電壓電流控制電纜不要接近易產生電弧的電器件。
③控制電纜建議采用1.25mm2或2mm2屏蔽絞合絕緣電纜。
④屏蔽電纜的屏蔽要連接到電纜導體同樣長。電纜在端子箱中連接時，屏蔽端子要互相連接。
4、變頻器的常見故障分析
（1）變頻器充電起動電路故障，通用變頻器一般為用壓型變頻器，采用交—直—交工作方式。當變頻器剛上電時，由于直流側的平波電容容量非常大，充電電流很大，通常采用一個起動電阻來限制充電電流，常見的兩種變頻起動電路如圖2所示。充電完成后，控制電路通過繼電器的觸點或昌閘管將電阻短路。起動電路故障一般表現為起動電阻燒壞，變頻器報警顯示為直流線線電壓故障。一般，變頻器的設計時，為了減小變頻器的體積而選擇較小起動電阻，其值多為10—50Ω，功率為10—50W；當變頻器的交流輸入電源頻繁接通，或者旁路觸器的觸點接觸不良時，都會導致起動電阻燒壞。因此在替換電阻的同時，必須找出原因，如果故障是由輸入側電源頻率開始引起的，必須消除這種現象才能將變頻器投入使用，如果故障只由旁路觸元件引起，則必須更換這些器件。
（2）變頻器無故障顯示，卻不能高速運行，經檢查變頻器參數設置正確，調速輸入信號正常，經上電運行測試，變頻器直流母線電壓只有450V左右（正常應在580V-600V），再測輸入側，發現缺了一相。故障原因是輸入側的一個空氣開關一相接觸不良造成的。造成變頻器輸入缺相不報警，仍能在低頻段工作，是因為多數變頻器的母線電壓下限為400V，只有當母線電壓降至400V以下時，變頻器才報告故障。而`當兩相輸入時，直流母線電壓為380V×1.2=452V＞400V。當變頻器不運行時，由于平波電容的作用，直流電壓也可達到正常值，新型的變頻器都采用PWM控制技術，調壓調頻的工作在逆變橋完成，所以在低頻段輸入缺相時仍可以正常工作，但因輸入電壓，輸出電壓低，造成異步電動機轉速低頻率上不去。
（3）變頻器顯示過流，出現這種顯示時，首先檢查加速時間參數是否太短，力矩提升參數是否太大，然后檢查負載是否太重。如果沒有這些現象，可以斷開輸出側的電流互感器和直流側的霍爾電流檢測點，復位后運行，看是否出現過流現象。如果是，很可能是IPM模塊出現故障，因為IPM模塊內含有過壓過流，欠壓，過載、過熱，缺相、短路等保護功能，而這些故障信號都是經模塊控制引腳的輸出Fn引腳傳送到控制器的。微控制器接收到故障信息后，一方面封鎖脈沖輸出，另一方面將故障信息顯示在面板上。應更換IPM模塊。
（4）變頻器顯示過壓故障，變頻器出現過壓故障，一般是雷雨天氣，由于雷電串入變頻器的電源中，使變頻器直流側的電壓檢測器動作而跳閘，這種情形，通常只需斷開變頻器電源1分鐘左右再上電即可，另一種情況是變頻器驅動大慣性負載，而出現過電壓現象。這種情況下，一是將減速時間參數加長或增大制動電阻（制動單元）；二是將變頻器的停止方式設置為自由停車方式。
（5）電機發熱，變頻器顯示過載，對于已經投入運行的變頻器，必須檢查負載狀況，對于新安裝的變頻器出現這種故障，很可能是V/F曲線設置不當或電機參數設置有問題，此時必須正確設置好各種參數，另外，電機在低頻的工作時散熱性能變差，也會出現這種情況，這時就需加裝散熱裝置。
5、結束語
采用變頻器作為異步電動機驅動器，盡管其可靠性很高，但是如果使用不當或偶然事件，也會造成變頻器的損壞，要想在生產過程中，使用好變頻器，熟悉變頻器的結構原理，了解常見故障，對于技術人員尤為重要。
隨著變頻器在工業生產中日益廣泛的應用，了解變頻器的結構，主要器件的電氣特性和一些常用參數的作用及其常見故障對于實際工作越來越重要。
2、變頻器控制電路
給異步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的網絡，稱為控制回路，控制電路由頻率，電壓的運算電路，主電路的電壓，電流檢測電路，電動機的速度檢測電路，將運算電路的控制信號進行放大的驅動電路，以及逆變器和電動機的保護電路等組成。無速度檢測電路為開環控；在控制電路增加了速度檢測電路，即增加速度指令，可以對異步電動機的速度進行更精確的閉環控制。
（1）運算電路將外部的速度，轉矩等指令同檢測電路的電流，電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。
（2）電壓、電流檢測電路為與主回路電位隔離檢測電壓，電流等。
（3）驅動電路為驅動主電路器件的電路，它與控制電路隔離，控制主電路器件的導通與關斷。
（4）I/O電路使變頻更好地人機交互，其具有多信號（比如運行多段速度運行等）的輸入，還有各種內部參數（比如電流，頻率，保護動作驅動等）的輸入。
（5）速度檢測電路將裝在異步電動機軸上的速度檢測器（TG、PLG等）的信號設為速度信號，送入運算回路，根據指令和運算可使電動機按指令速度運轉。
（6）保護電路檢測主電路的電壓、電流等。當發生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓，電流值。逆變器控制電路中的保護電路，可分為逆變器保護和異步電動機保護兩種，保護功能如下：
（1）逆變器保護
①瞬時過電流保護，用于逆變電流負載側短路等，流過逆變電器回件的電流達到異常值（超過容許值）時，瞬時停止逆變器運轉，切斷電流，變流器的輸出電流達到異常值，也得同樣停止逆變器運轉。
②過載保護，逆變器輸出電流超過額定值，且持續流通超過規定時間，為防止逆變器器件、電線等損壞，要停止運轉，恰當的保護需要反時限特性，采用熱繼電器或電子熱保護，過載是由于負載的GD2（慣性）過大或因負載過大使電動機堵轉而產生。
③再生過電壓保護，應用逆變器使電動機快速減速時，由于再生功率使直流電路電壓升高，有時超過容許值，可以采取停止逆變器運轉或停止快速的方法，防止過電壓。
④瞬時停電保護，對于毫秒級內的瞬時斷電，控制電路工作正常。但瞬時停電如果達數10ms以上時，通常不僅控制電路誤動作，主電路也不供電，所以檢測出后使逆變器停止運轉。
⑤接地過電流保護，逆變器負載接地時，為了保護逆變器，要有接地過電流保護功能。但為了保證人身安全，需要裝設漏電保護斷路器。
⑥冷卻風機異常，有冷卻風機的裝置，當風機異常時裝置內溫度將上升，因此采用風機熱繼電器或器件散熱片溫度傳感器，檢測出異常后停止逆變電器工作。
（2）異步電動機的保護
①過載保護，過載檢測裝置與逆變器保護共用，但考慮低速運轉的過熱時，在異步電動機內埋入溫度檢出器，或者利用裝在逆變器內的電子熱保護來檢出過熱。動作過頻時，應考慮減輕電動機負荷，增加電動機及逆變器的容量等。
②超速保護，逆變器的輸出頻率或者異步電動機的速度超過規定值時，停止逆變器運轉。
（3）其他保護
①防止失速過電流，加速時，如果異步電動機跟蹤遲緩，則過電流保護電路動作，運轉就不能繼續進行（失速）。所以，在負載電流減小之前要進行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。對于恒速運轉中的過電流，有時也進行同樣的控制。
②防止失速再生過電壓，減速時產生的再生能量使主電路直流電壓上升，為防止再生過電壓電路保護動作，在直流電壓下降之前要進行控制，抑制頻率下降，防止不能運轉（失速）。
3、變頻器控制回路的抗干擾措施
由于主回路的非線性（進行開關動作），變頻器本身就是諧波干擾源，而其周邊控制回路卻是小能量，弱信號回路，極易遭受其他裝置產生的干擾，造成變頻器自身和周邊設備無法正常工作。因此，變頻器在安裝使用時，必須對控制回路采取抗干擾措施。
（1）變頻器的基本控制回路
一般而言，同外部進行信號交流的基本回籠路有模擬與數字兩種：
①4～20MA電流信號回路（模擬）；1～5V/0～5V電壓信號回路（模擬）。
②開關信號回路，變頻器的開停指令，正反轉指令等（數字）。外部控制，指令信號通過上述基本回路導入變頻器，同時干擾源也在其回路上產生干擾電勢，以控制電纜為媒介侵入變頻器。
（2）干擾的基本類型及抗干擾措施
①靜電耦合干擾，指控制電纜與周圍電氣回路的靜電容耦合在電纜中產生的電勢。當加大與干擾源電纜的距離，達到導體直徑40倍以上時，干擾程度就會不太明顯，也可在兩電纜間設置屏敝導體，再將屏蔽導體接地。
②靜電感應干擾，指周圍電氣回路產生的磁通變化在電纜中感應出的電勢。其強度取決于干擾源電纜產生的磁通大小、控制電纜形成的閉環面積和干擾源電纜與控制電纜間的相對角度?？蓪⒖刂齐娎|與主回路電纜或其他動力電纜分離鋪設。分離距離通常應在30cm以上（較少不低于10cm）。分離困難時，將控制電纜穿過鐵管鋪設，也可將控制導體絞合，絞合間距越小，鋪設的路線越短，抗干擾效果越好。
③電波干擾，指控制電纜成為天線，由外來電波在電纜中產生電勢?？垢蓴_措施同①②，必要時將變頻器放入鐵箱內進行電波屏蔽，屏蔽用的鐵箱務必接地。
④接觸不良干擾，指變頻器控制電纜的電接點及繼電器觸點接觸不良，電阻發生變化在電纜中產生的干擾，對此，采用并聯觸點或提高電器件等級來解決。對于電纜連接點應定期做擰緊加固處理。
⑤接地干擾，指機體接地或信號接地，對于弱電壓，電流回路，任何不合理的接地均可誘發各種意想不到的干擾，比如設置兩個以上接地點，接地處會產生電位差，產生干擾?？蓪⑺俣冉o定的控制電纜取一點接地，接地線不作為信號的通路使用，電纜的接地在變頻器側進行，使用專設的接地端子，不與其他接地端子共用。
（3）其他注意事項
①裝有變頻器的控制柜，應盡量遠離大容量變壓器和電動機。其控制電纜線路也應避開這些漏磁通大的設備。
②弱電壓電流控制電纜不要接近易產生電弧的電器件。
③控制電纜建議采用1.25mm2或2mm2屏蔽絞合絕緣電纜。
④屏蔽電纜的屏蔽要連接到電纜導體同樣長。電纜在端子箱中連接時，屏蔽端子要互相連接。
4、變頻器的常見故障分析
（1）變頻器充電起動電路故障，通用變頻器一般為用壓型變頻器，采用交—直—交工作方式。當變頻器剛上電時，由于直流側的平波電容容量非常大，充電電流很大，通常采用一個起動電阻來限制充電電流，常見的兩種變頻起動電路如圖2所示。充電完成后，控制電路通過繼電器的觸點或昌閘管將電阻短路。起動電路故障一般表現為起動電阻燒壞，變頻器報警顯示為直流線線電壓故障。一般，變頻器的設計時，為了減小變頻器的體積而選擇較小起動電阻，其值多為10—50Ω，功率為10—50W；當變頻器的交流輸入電源頻繁接通，或者旁路觸器的觸點接觸不良時，都會導致起動電阻燒壞。因此在替換電阻的同時，必須找出原因，如果故障是由輸入側電源頻率開始引起的，必須消除這種現象才能將變頻器投入使用，如果故障只由旁路觸元件引起，則必須更換這些器件。
（2）變頻器無故障顯示，卻不能高速運行，經檢查變頻器參數設置正確，調速輸入信號正常，經上電運行測試，變頻器直流母線電壓只有450V左右（正常應在580V-600V），再測輸入側，發現缺了一相。故障原因是輸入側的一個空氣開關一相接觸不良造成的。造成變頻器輸入缺相不報警，仍能在低頻段工作，是因為多數變頻器的母線電壓下限為400V，只有當母線電壓降至400V以下時，變頻器才報告故障。而`當兩相輸入時，直流母線電壓為380V×1.2=452V＞400V。當變頻器不運行時，由于平波電容的作用，直流電壓也可達到正常值，新型的變頻器都采用PWM控制技術，調壓調頻的工作在逆變橋完成，所以在低頻段輸入缺相時仍可以正常工作，但因輸入電壓，輸出電壓低，造成異步電動機轉速低頻率上不去。
（3）變頻器顯示過流，出現這種顯示時，首先檢查加速時間參數是否太短，力矩提升參數是否太大，然后檢查負載是否太重。如果沒有這些現象，可以斷開輸出側的電流互感器和直流側的霍爾電流檢測點，復位后運行，看是否出現過流現象。如果是，很可能是IPM模塊出現故障，因為IPM模塊內含有過壓過流，欠壓，過載、過熱，缺相、短路等保護功能，而這些故障信號都是經模塊控制引腳的輸出Fn引腳傳送到控制器的。微控制器接收到故障信息后，一方面封鎖脈沖輸出，另一方面將故障信息顯示在面板上。應更換IPM模塊。
（4）變頻器顯示過壓故障，變頻器出現過壓故障，一般是雷雨天氣，由于雷電串入變頻器的電源中，使變頻器直流側的電壓檢測器動作而跳閘，這種情形，通常只需斷開變頻器電源1分鐘左右再上電即可，另一種情況是變頻器驅動大慣性負載，而出現過電壓現象。這種情況下，一是將減速時間參數加長或增大制動電阻（制動單元）；二是將變頻器的停止方式設置為自由停車方式。
（5）電機發熱，變頻器顯示過載，對于已經投入運行的變頻器，必須檢查負載狀況，對于新安裝的變頻器出現這種故障，很可能是V/F曲線設置不當或電機參數設置有問題，此時必須正確設置好各種參數，另外，電機在低頻的工作時散熱性能變差，也會出現這種情況，這時就需加裝散熱裝置。
5、結束語
采用變頻器作為異步電動機驅動器，盡管其可靠性很高，但是如果使用不當或偶然事件，也會造成變頻器的損壞，要想在生產過程中，使用好變頻器，熟悉變頻器的結構原理，了解常見故障，對于技術人員尤為重要。
