#變頻調(diào)速電動機的應(yīng)用和故障分析

1、1緒論隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，如今在大型的生產(chǎn)企業(yè)車間內(nèi)的各種設(shè)備傳動部件大都離不開電動機，而在許多場合都要求電動機能夠調(diào)速使用。在工業(yè)發(fā)達國家中，交流調(diào)速技術(shù)已在冶金、電力、鐵路、運輸、油田、化工等各個領(lǐng)域得到普及。變頻器是從20世紀中葉發(fā)展起來的一種交流調(diào)速設(shè)備，主要用于交流電機的變頻調(diào)速，其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要，已獲得巨大的節(jié)能效果。自20世紀50年代誕生世界上第一個晶閘管以來，就以其在功率放大、快速響應(yīng)、小功耗、高效等方面的優(yōu)勢推動了直流調(diào)速控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，但其造價高、換相環(huán)節(jié)存在不足。70年代陸續(xù)發(fā)明了功率晶體管、門極可關(guān)斷晶閘管、場效應(yīng)管、絕緣柵晶體管等，成為第

2、二代電力電子器件。與此同時，對于異步電動機的高階、非線性、強耦合多變量系統(tǒng)數(shù)學模型的研究，解決了異步電動機矢量控制的理論，從此交流電機變頻調(diào)速技術(shù)突飛猛進的發(fā)展起來，成為了交流調(diào)速取代直流調(diào)速的里程碑。隨著功率集成電路的出現(xiàn)，它把驅(qū)動、保護、檢測和功率輸出單元集中在一個芯片上，成為第三代電力電子器件，交流變頻調(diào)速技術(shù)上升到新的高度。發(fā)達國家在結(jié)合現(xiàn)代微處理器控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、電極傳動技術(shù)的基礎(chǔ)上，相繼推出了一系列的變頻器并不斷進行更新?lián)Q代。這些高精度、多功能、智能化的變頻器將調(diào)速效率和精度提高到了前所未有的水平。目前，國際上又推出諧振式逆變器，使開關(guān)元件在零電壓或零電流時導通和關(guān)斷、將開

3、關(guān)損耗減少到最小程度，用較小的電感電容加入到主回路中、可得到大功率輸出，共振無尖峰的高壓輸出，實現(xiàn)無阻尼。2變頻調(diào)速的基本原理2.1變頻調(diào)速工作原理交流異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n可用式(1-1)表示：60fn(1s)(1-1)P式中：f定子供電電源的頻率；p電動機的極對數(shù)；s電動機的轉(zhuǎn)差率。由此可見，若均勻的改變定子供電頻率f，則可以平滑的改變電動機的轉(zhuǎn)速n,即電動機的轉(zhuǎn)速n與供電頻率f成正比。由此可知，變頻調(diào)速技術(shù)的關(guān)鍵是如何調(diào)制出可變頻率的正弦波電源。變頻技術(shù)大致可分為交直交變頻與交交變頻兩種。交一一直一一交變頻器由三部分組成：可控硅整流電路，其作用是將交流電變?yōu)橹绷麟?；可控硅逆變電路，其作?/p>

4、是將整流輸出的直流電變換為頻率可調(diào)的交流電；在整流和逆變之間的濾波環(huán)節(jié)對整流后的電壓或電流進行濾波。根據(jù)濾波方式不同分為電壓型變頻器和電流型變頻器。目前多以電壓型變頻器為主，它不僅可改變逆變器輸出電壓，而且具有抑制諧波功能，是一種比較理想的方式。交一一交變頻器是由兩組反并聯(lián)的整流電路組成，直接將電網(wǎng)的交流電通過變頻電路同時調(diào)節(jié)電壓和頻率，變成電壓和頻率可調(diào)的交流電輸出。其優(yōu)點是直接交換、減少換流電路、減少損耗、效率高、波型好，缺點是調(diào)速范圍小、控制線路復雜、功率因數(shù)低，故現(xiàn)場使用較少。2.2交一一直一一交變頻器的工作原理變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置

5、，分整流和逆變兩部分，即將交流電通過整流器變?yōu)橹绷麟娫?，再?jīng)過逆變器將其變?yōu)殡妷侯l率可調(diào)的交流電源。整流的基本工作原理如圖1所示：圖1整流工作原理圖1中整流電路中采用四個二極管接成橋式結(jié)構(gòu)。利用二極管的電流導向作用，在U2正半周內(nèi)D1、D4導通而D2、D3截止，RL上得到上正下負的輸出電壓；負半周內(nèi)正好相反，D1、D4截止而D2D3導通，RL上的電壓依然是上正下負。因此，在交流電源的正、負半周內(nèi)，整流電路的負載上都有方向不變的脈動直流電壓和電流。將直流轉(zhuǎn)換為交流的裝置為逆變器，其工作原理如圖2所示：+I1VkP1K沖KP2REIIKP3K“KP4圖2使用SCR的逆變器原理圖由圖2可知，供電電源

6、是一直流電源，晶閘管承受正向電壓，當晶閘管KP1KP4的門極觸發(fā)導通時，使其觸發(fā)導通，晶閘管KP2KP3關(guān)斷；當KP2KP3門極觸發(fā)導通時，KP1KP4關(guān)斷。這兩組晶閘管不斷地輪流切換，從而實現(xiàn)了由直流電源供電，而在負載R上得到頻率可控的交流電壓即實現(xiàn)了從直流到交流的逆變。在交流電動機的調(diào)速系統(tǒng)中，常常要求電動機不管在高速時運行還是在低速時運行，都要維持電動機的磁通密度為一恒定值。2.3變頻器的選用由于變頻器的過載能力沒有電機的能力強，一旦電機發(fā)生過載，損壞的首先是變頻器。因此變頻器的選用應(yīng)根據(jù)使用要求、現(xiàn)場環(huán)境及負載大小進行考慮。首先，電子器件在高于額定溫度后每升高10°C壽命下降

7、一半，故選擇變頻器時要有完善的通風冷卻系統(tǒng)。其次，根據(jù)用途選用不同的變頻器。一般用途可采用輸出電壓隨輸出頻率變化的v/f控制方式變頻器。對于負載變化范圍大、運轉(zhuǎn)精度高，特別是低速時要求有穩(wěn)定的速度和負載能力時，則選用矢量控制等方式的變頻器。最后，一臺變頻器驅(qū)動多臺電動機時，變頻器的輸出功率和電流必須大于或等于被驅(qū)動的多臺異步電機的容量之和，不能用矢量控制模式。多臺逆變器共用一套直流母線時，有利于多臺逆變器制動能量的儲存和利用，使用中多臺電機不能同時制動。3變頻調(diào)速電動機變頻調(diào)速異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、牢固、價格便宜，而且運行可靠，具有高效的驅(qū)動性能和良好的控制特性，可節(jié)約大量電能，現(xiàn)場應(yīng)用十分廣泛

8、。3.1 變頻電機的特點1. 變頻調(diào)速的異步電動機工作頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)，在低速時可以把最大轉(zhuǎn)矩調(diào)到起動點，獲得很好的起動特性。2. 變頻電機通過調(diào)節(jié)電壓和頻率，在每一個運行點可有多種運行方式，對應(yīng)多種不同的轉(zhuǎn)差頻率，因而使電機的效率或功率因數(shù)在很寬的調(diào)速范圍內(nèi)都很高。3. 電機采用變頻裝置供電，輸入電流中含有較多的高次諧波，局部放電和空間電壓增大了介質(zhì)損耗發(fā)熱和電磁振動力，加速了絕緣材料的老化。4. 變頻供電時產(chǎn)生的軸電壓和軸向電流會縮短軸承使用壽命。較小的軸電流可適當增大電機氣隙和選用專用潤滑脂；對過高軸電壓，應(yīng)設(shè)法隔斷軸電流的回路。3.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)和其它調(diào)

9、速方式相比具有以下特點：1. 變頻調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速平滑、方便、過載力矩和起動力矩大等優(yōu)點。2. 交流電機容量、速度和電壓等級可以做得很高。可以根據(jù)需要設(shè)計出高轉(zhuǎn)速、大容量的交流變頻供電大型交流電動機。3.3 變頻調(diào)速對電機的影響電動機的損耗和溫升任何一種變頻器在工作中均會產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和諧波電流，使異步電動機在非正弦電流下運動，會引起定子、轉(zhuǎn)子的鋁耗、鐵耗。集膚效應(yīng)會產(chǎn)生附加銅耗。若是異步電動機為改善起動性能而采用了深槽、刀形槽等轉(zhuǎn)子槽形時，轉(zhuǎn)子鋁耗的增加將更大。這些損耗使得電機額外發(fā)熱，效率降低，輸出下降，如將普通異步電動機運行于變頻器輸出的非正弦電源條件下，其升溫一般約增加10%1

10、2%。目前中小容量變頻器絕大多數(shù)采用PWM控制方式。其載波頻率約為幾kHz到十幾kHz,這就使電動機線圈需要承受很高的電壓上升率，影響電動機的絕緣性能，在高電壓的反復沖擊下加速老化。3.3.1 諧波電磁噪聲與震動變頻器電源中含有的各次諧波與電機電磁部分的固有諧波相互干擾，形成各種電磁激震力，當電磁力波的頻率和結(jié)構(gòu)件的固有震動頻率一致或接近時，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，加大噪聲。由于電機工作的頻率范圍寬，轉(zhuǎn)速變化的范圍大，各種電磁力波的頻率很難避開電機各種結(jié)構(gòu)件的固有頻率。3.3.2 頻繁啟停及加速對電機的影響變頻控制系統(tǒng)可使電動機在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流的方式起動，并可使用各種制動方式進行快速制

11、動，為實現(xiàn)頻繁起制動創(chuàng)造了良好的條件。電動機的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)處于循環(huán)交變的作用下，給電動機的機械結(jié)構(gòu)和絕緣結(jié)構(gòu)帶來疲勞和加速老化問題。在電源頻率較大時，因普通異步電動機的阻抗不盡理想，使電源中高次諧波所引起的損耗較大；其次，自帶風扇的普通異步電動機在轉(zhuǎn)速降低時，冷卻風量將與轉(zhuǎn)速的3次方成比例減少，這必將使電動機的低速溫升急劇增加，而難以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。4變頻調(diào)速電動機在使用中常見故障及處理措施變頻器常見故障及處理措施由于使用方法不正確或環(huán)境不合理，容易造成變頻器誤動作及發(fā)生故障，或者無法滿足預期的運行效果。為防患于未然，事先對故障和損壞原因進行認真分析顯得尤為重要，變頻器常見的故障有以下幾

12、種。4.1.1 外部的電磁干擾變頻器周圍的干擾源會引起控制回路誤動作，造成工作不正?；蛲C，嚴重時甚至損壞變頻器。提高變頻器自身的抗干擾能力非常必要；同時，在安裝變頻器時，其周圍所有繼電器、接觸器的控制線圈上需加裝防止沖擊電壓的吸收裝置，女口RC吸收器；對變頻器盡量縮短控制回路的配線距離，并使其與主線路分離；指定采用屏蔽線的回路，必須按規(guī)定進行，若線路較長，應(yīng)采用合理的中繼方式；變頻器接地端子應(yīng)按規(guī)定進行，不能同電焊，動力接地混用；變頻器入口安裝濾波器，避免由電源進線引入干擾。4.1.2 變頻器運行異常及損壞故障變頻器周圍不能安裝有直接起動的電動機，防止其啟停瞬間造成的供電系統(tǒng)電壓波動。變頻器

13、有時在缺相狀態(tài)下也能繼續(xù)工作，若長期運行將對變頻器的壽命及可靠性造成不良影響，應(yīng)及早檢查處理。電機軸承太緊、電機抱死、負載過大、軸承損壞及模塊和驅(qū)動片的損壞都會造成變頻器過流。變頻器損壞包括主回路損壞、控制回路的損壞、冷卻風機的損壞從而造成變頻器過溫、過載、過流等現(xiàn)象。因此要定期檢查變頻器的空氣過濾網(wǎng)及冷卻風扇。變頻器長期使用，灰塵多、油泥多造成風扇不轉(zhuǎn)甚至損壞，從而造成變頻器過溫，所以變頻器的冷卻風機必要定期清理，最好三個月清理一次。4.1 變頻電動機的常見故障及處理措施變頻電機在運行過程中會出現(xiàn)各種故障，歸納起來變頻調(diào)速異步電動機使用過程中最常見的故障有以下幾種：電動機定子繞組溫度高變頻器

14、供電時諧波含量較大，損耗增加導致電動機的額度電流加大，電動機的溫度有所提高，故電動機要有溫升裕度并選擇好的冷卻方法?？刂凭€路壓降大。電動機的電源線過長，電纜線截面積小，線路壓降比較大，所以在電動機接線端子處的電壓低于標準電壓（包括容差±2%）。為了滿足額定運行，額定電流增加造成繞組發(fā)熱。4.2.2 電動機存在噪聲及共振頻率點設(shè)定適當?shù)淖冾l器載波頻率可降低諧波、減小電動機運行噪聲和振動。載波頻率越高波形越接近正弦波，但隨載波頻率的升高變頻器內(nèi)部功率開關(guān)器件的功耗急劇加大。故應(yīng)適當?shù)倪x擇載波頻率減少其引起的電動機運行時的噪聲或振動。電動機調(diào)節(jié)頻率和振動頻率相同時產(chǎn)生共振。電動機整機和各部

15、件都有其固有頻率，變頻調(diào)速時，頻率范圍較廣，在某個頻率點或頻率段產(chǎn)生共振是不可避免的。在使用時，對變頻器進行頻率設(shè)定時，要將共振頻率點跳過。脈動轉(zhuǎn)矩。變頻器供電電動機轉(zhuǎn)軸上易產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，脈動轉(zhuǎn)矩的振幅及頻率可以在剛性連接的機械系統(tǒng)中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩振動。4.2.3 繞組匝間燒毀變頻調(diào)速電動機絕緣損壞。變頻器終端和電動機的阻抗不匹配產(chǎn)生反射波，在每個脈沖的前沿產(chǎn)生比原脈沖電壓高得多的尖峰電壓，加上開關(guān)頻率又很高，這樣在電動機繞組上形成高電壓。另外，高壓脈沖在傳輸開始的瞬間有超過75%的高電壓加在繞組首匝線圈上，繞組匝與匝之間會產(chǎn)生電暈并在絕緣層中的缺陷處放電，放電逐漸擴大，最終導致電動絕緣被擊穿損壞。

16、解決的辦法有以下幾種。改變一般傳統(tǒng)電動機絕緣結(jié)構(gòu)，適用于變頻調(diào)速系統(tǒng)的絕緣結(jié)構(gòu)；電動機電源電纜選擇屏蔽電纜；在變頻器柜內(nèi)安裝輸出電抗器；增加由電容器、電感器和二極管或電阻器組成的一種限壓濾波器，降低峰值電壓幅值和延長峰值電壓上升時間；電動機上增加終端器，防止電動機產(chǎn)生電壓反射。以上解決辦法中，最主要的是電動機的絕緣結(jié)構(gòu)，如何能滿足變頻調(diào)速系統(tǒng)的要求是最重要的。424軸承損壞由于不對稱的磁路產(chǎn)生環(huán)形交流磁通，感應(yīng)電在軸、軸承和機座中形成回路，此感應(yīng)電使得內(nèi)外軸承套工作面上有電蝕的麻點，嚴重者有深坑。當軸承潤滑脂絕緣性能下降時在軸承處就有電源通過，電流越大對軸承的損壞越嚴重。高頻軸電流有三種。磁不

17、對稱產(chǎn)生的循環(huán)電流；泄漏到定子機座中的電流經(jīng)軸承的接地電流；電機內(nèi)部元件間電容上的共模電壓使軸承電壓加高產(chǎn)生電容放電電流。預防軸電流的方法有以下幾種：選擇正確的控制線路和接線系統(tǒng)；切斷軸電流回路，使電流不流經(jīng)軸承；使用濾波器減小共軛電壓；在軸和機座間使電刷接地。防軸電流采取不同措施預其效果表1所示：表1預防軸電流各種措施的對比注：DE-傳動端；NDE-非傳動端。電流類型采取措施循環(huán)電流軸接地電流電容放電電流附加說明NDE和DE絕緣或陶瓷滾動元件有效有效有效小機座最有效，大機座不太適用(2)NDE絕緣，一個DE電刷接觸有效，此類電流不需要電刷有效，但不保護從動負載軸承有效，須注意確保電刷接觸阻抗

18、低需要維修，對大機座最適用。(3)個電刷接觸；無軸承絕緣無效，僅保護一個軸承有效，不保護從動負載軸承有效，須注意確保電刷接觸電阻低需要維修(4)兩個電刷接觸DE和NDE各一個。有效，須確保電刷接觸阻抗低有效，不保護從動負載軸承須注意確保電刷接觸阻抗低需要維修(5)共模電壓濾波器有效，減小咼頻電壓也使低頻電流降低有效有效最好裝在變頻器輸出端變頻調(diào)速系統(tǒng)由變頻調(diào)速電動機、變頻器控制線路、控制設(shè)備等組成。當變頻器、控制線路及控制設(shè)備的安裝、調(diào)試和使用不當時，問題最終都反映在電動機上。所以查找問題就要對整個變頻調(diào)速系統(tǒng)都查到。結(jié)束語本文從變頻器和調(diào)速電機的工作原理入手，介紹了變頻器和電機使用中應(yīng)該注意的事項，使用變頻調(diào)速電動機可改善了設(shè)備運行的啟動、制動性能，消除了沖擊慣性；運行平穩(wěn)，調(diào)速自動平滑，提高了設(shè)備運行的安全、可靠性和穩(wěn)定性，提高了設(shè)備的使用壽命；運行維護方便、簡捷，并降低了設(shè)備的故障率