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李方园（1973-）

男，浙江舟山人，毕业于浙江大学电气自动化专业，高级工程师，
长期从事于变频器等现代工控产品的应用与研究工作。



摘要：变频器的缺相主要分为输入缺相和输出缺相，其中输入缺相主要存在于三相变频器中。变频器输入缺相长期运行将损害整流桥，而变频器输出运行将损害电动机。本文将主要探讨变频器缺相故障形成的原因及其检测方法和处理措施，并以“水泵变频器缺相”案例阐述了缺相故障排除的步骤，同时对变频器的主回路接线提出了有用的建议。

关键词：变频器；缺相故障；直流电容；交流接触器

Abstract: The phase-failure of AC inverter includes the input phase-failure and 
output phase-failure. And the input phase-failure exists in the 3-phase inverter. 
The input phase-failure will damage the recififier for the long time running and 
output phase-failure will damage the motor. This paper analyzes the inverter 
phase-failure fault causes, as well as phase-failure problem to dectect and solve some common measures. Finnaly the example 
of “water pump inverter phase-failure” is explained and the phase-failure troubleshooting steps are carried out including the AC inverter main 
circuit connection suggestions.

Key words: AC inverter; Phase-failure fault; DC capacity; AC contactor

1  前言

    变频器产品中主要有单相220V与三相380V的区分，当然输入缺相检测只存在于三相的产品中。图1所示为变频器主电路，R、S、T为三相交流输入，当其中的一相因为熔断器或断路器的故障而断开时，便认为是发生了输入缺相故障。

                                           图1   变频器主回路

    变频器缺相故障除了输入缺相外，还有一种是输出缺相，这将直接导致电机缺相运行。缺相时，电机静止时启动，电机就转不起来。若是在运行中缺相十分危险，电机电流增大1.2倍，发热严重，震动加剧，急易烧坏电机。变频器通过检测输出电流，就可以判断三相输出是否缺相。

    本文将主要探讨变频器缺相故障的危害、检测方法及其处理措施。

2  变频器输入缺相的检测方法

    当变频器不发生缺相的正常情况下工作时，Udc上的电压如图2所示，一个工频周期内将有6个波头，此时直流电压Udc将不会低于470V，实际上对于一个7.5kW的变频器而言，其C的值大小一般为900uf，当满载运行时，可以计算出周期性的电压降落大致为40V，纹波系数不会超过7.5％。而当输入缺相发生时，一个工频周期中只有2个电压波头，且整流电压最低值为零。此时在上述条件下，可以估算出电压降落大致为150V，纹波系数要达到30％左右。

                                          图2   Udc上的电压波形

    由此可以看出，在变频器输入缺相后仍在运行时，电容C将被反复大范围的充电，这种情况是不允许的，它必然将使电容器损坏，从而造成整台变频器的损坏。并且，若负载较轻，虽然不会造成电容的损坏，但是直流电压的纹波系数相比于正常时将会增大很多，而且目前变频器一般具有恒电压控制功能，这将造成开关占空比的振荡和负载电流的振荡。而负载较重时，则进一步损坏整流桥，促使变频器故障几率增大，如在送电时就发生缺相，由于单相大电流运行极易造成变频器烧毁。

    检测变频器输入缺相，最简单的一种方法就是使用硬件检测，如图3所示是其中的一种方法。该电路中C0上的电压高低将反映R、S、T三相输入有无缺相，当发生缺相时，C0上的电压降低，光藕器件将不导通，A点的信号为高电平，对应缺相的发生。

                                图3   变频器输入缺相的硬件检测方法

    当然，还可以从软件上进行输入缺相的检测，这是因为Udc在正常情况下，除直流成分外，其主要交流成分的周期为3.33ms，而在缺相的情况下，其主要交流成分的周期将变为10ms，因此通过检测Udc的交流成分的周期，就可以判断其是否缺相。

3  变频器缺相故障的对策

    对于变频器发生缺相故障时，可以从以下几方面进行检查：首先，通过电压表或钳型表来判断变频器输入输出是否正常。

    主回路电气测量的说明如表1所示。

                                            表1   主回路电气测量

    （1）检查变频器的输入和输出线路是否正常。

    变频器的很多故障是来自于外围线路，如断路器、接触器、电抗器、滤波器等，只有确保外围线路是正确无误的情况下，才能使变频器工作在安全可靠的电气环境中。

    （2）检查变频器内部的主回路，包括整流桥、IGBT和驱动板。

    对于缺相故障，艾默生变频器EV/TD系列故障代码显示E008（输入侧缺相）、E009（输出侧缺相）。故障定位如图4和图5所示。

                                       图4  艾默生变频器输入侧缺相故障定位

                               图5   艾默生变频器输出侧缺相故障定位

4  案例分析：水泵输出缺相

4.1 故障现象

    某动力厂使用艾默生TD2000-4T2800P变频器用于江边取水泵站，如图6所示。水泵电机220kW，正常运行电流300A，使用已有一年。最近使用中发现不定时输出电流有突变，电流约增加1倍达到560A，电机振动厉害，但变频器不报故障。

                                           图6   江边取水泵站控制示意

4.2 分析处理

    现场检查发现变频器输出侧和电机之间分别接有一个断路器和接触器，如图7所示。断开电机，变频器空载运行，测量变频器的三相输出电压均衡；再带载运行，测量变频器的三相输出电压、电流，三相均衡，没有问题。正常运行约1小时后，电流突然增大，又出现了上述问题，这时用钳型表测量三相输出电流，发现U相电流为0，V相和W相嗲流为560A，再测量接触器上端的三相电压均正常，但测量接触器下端时发现U相电压为0，说明问题出在接触器上。拆掉接触器后直接运行，故障消除。

                                    图7   变频器外部器件图

4.3 案例归纳

    交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路。它利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。 

    交流接触器主要有四部分组成：(1) 电磁系统，包括吸引线圈、动铁芯和静铁芯；(2) 触头系统，包括三副主触头和两个常开、两个常闭辅助触头，它和动铁芯是连在一起互相联动的；(3) 灭弧装置，一般容量较大的交流接触器都设有灭弧装置，以便迅速切断电弧，免于烧坏主触头；(4) 绝缘外壳及附件，各种弹簧、传动机构、短路环、接线柱等。当线圈通电时，静铁芯产生电磁吸力，将动铁芯吸合，由于触头系统是与动铁芯联动的，因此动铁芯带动三条动触片同时运行，触点闭合，从而接通电源。当线圈断电时，吸力消失，动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离，使主触头断开，切断电源。 

    图8所示为常见的CJ20系列接触器结构，当接触器摆放不合理或者触头吸合不平时，都会产生或这或那的问题。另外由于市场竞争激烈，国内有些厂家为降低成本，已经在偷工减料，比如：在线圈的制作减小线径甚至少绕匝数，在触头上用不符合国标的材料或厚度和截面都不够。这种情况不仅体现在接触器上，在其他如短路器等产品上也是如此。造成在实际使用中，标的是100A的接触器或短路器，其实际负载量只能在80A甚至更低，故障率很高。因此，很多变频器都不建议在输出端设置接触器，除非用于多泵切换。

                                    图8   CJ20接触器结构图

5  结束语

    变频器的主回路配线包括进线开关、变频器本体、电动机以及在三者之间的选配件组成的电路，依次为隔离开关、断路器或熔断器、交流输入电抗器、接触器、输入EMI滤波器、直流电抗器、制动单元、制动电阻、输出EMI滤波器、交流输出电抗器。

    在变频器的主回路连接中，有以下几个要点：在电网进线和变频器之间，必须安装隔离开关等明显分断装置，确保设备维修时人身安全；变频器前必须安装具有过流保护作用的断路器或熔断器，避免因后级设备故障造成故障范围扩大；接触器用于供电控制时，不要用接触器来控制变频器上下电和起停；为保护电源对变频器的影响，保护变频器和抑制高次谐波，应配置直流电抗器；当电网波形畸变严重，或变频器在配置直流电抗器后，变频器与电源之间高次谐波的相互影响还不能满足要去时，可增设交流输入电抗器；当电动机到变频器的连线超过80米时，建议采用多绞线并安装可抑制高频振荡的交流输出电抗器，避免电动机绝缘损坏、漏电流过大和变频器频繁保护；可选配EMI滤波器来抑制从变频器电源线发出的高频噪声干扰；可选配EMI滤波器来抑制从变频器输出侧发出的高频噪声干扰和导线漏电流。



参考文献

[1] 李方园. 变频器行业应用实践[M]. 中国电力出版社: 北京. 2006.5.

[2] 李方园. 变频器自动化工程实践[M]. 电子工业出版社: 北京. 2007.4.

[3] 李方园. 变频器故障排除[M]. 化学工业出版社: 北京. 2009.1.

[4] 马骏，张腾. 济钢KR罐车变频器F011过电流故障的处理[J]. 变频器世界. 2007.5.