变频调速电动机的应用及故障分析-正文、文献、致谢

1、1 绪论随着现代化生产技术的提高，如今在大型的生产企业车间内的各种设备传动部件 大都离不开电动机，而在许多场合都要求电动机能够调速使用。在工业发达国家中，交流调速技术已在冶金、电力、铁路、运输、油田、化工等各个领域得到普及。变频 器是从 20 世纪中叶发展起来的一种交流调速设备，主要用于交流电机的变频调速，其在电气传动系统中占据的地位日趋重要，已获得巨大的节能效果。自 20 世纪 50 年代诞生世界上第一个晶闸管以来，就以其在功率放大、快速响应、 小功耗、高效等方面的优势推动了直流调速控制系统的快速发展，但其造价高、换相环节存在不足。70 年代陆续发明了功率晶体管、门极可关断晶闸管、场效应管、

2、绝 缘栅晶体管等，成为第二代电力电子器件。与此同时，对于异步电动机的高阶、非线 性、强耦合多变量系统数学模型的研究， 解决了异步电动机矢量控制的理论， 从此交 流电机变频调速技术突飞猛进的发展起来，成为了交流调速取代直流调速的里程碑。随着功率集成电路的出现，它把驱动、保护、检测和功率输出单元集中在一个芯 片上，成为第三代电力电子器件，交流变频调速技术上升到新的高度。 发达国家在结 合现代微处理器控制技术、电力电子技术、电极传动技术的基础上，相继推出了一系 列的变频器并不断进行更新换代。这些高精度、多功能、智能化的变频器将调速效率 和精度提高到了前所未有的水平。目前，国际上又推出谐振式逆变器，使

3、开关元件在 零电压或零电流时导通和关断、将开关损耗减少到最小程度，用较小的电感电容加入 到主回路中、可得到大功率输出，共振无尖峰的高压输出，实现无阻尼。2 变频调速的基本原理2.1 变频调速工作原理交流异步电动机的转子转速n可用式(1-1)表示：60 f n(1s)(1-1)P式中：f定子供电电源的频率；p 电动机的极对数；s 电动机的转差率。由此可见，若均匀的改变定子供电频率f，则可以平滑的改变电动机的转速n, 即电动机的转速n与供电频率f成正比。由此可知，变频调速技术的关键是如何调制 出可变频率的正弦波电源。变频技术大致可分为交 直 交变频与交 交变频两种。交一一直一一交变频器由三部分组成

4、： 可控硅整流电路，其作用是将交流电变为 直流电；可控硅逆变电路，其作用是将整流输出的直流电变换为频率可调的交流电；在整流和逆变之间的滤波环节对整流后的电压或电流进行滤波。根据滤波方式不同分为电压型变频器和电流型变频器。目前多以电压型变频器为主，它不仅可改变逆变器 输出电压，而且具有抑制谐波功能，是一种比较理想的方式。交一一交变频器是由两组反并联的整流电路组成， 直接将电网的交流电通过变频 电路同时调节电压和频率，变成电压和频率可调的交流电输出。其优点是直接交换、减少换流电路、减少损耗、效率高、波型好，缺点是调速范围小、控制线路复杂、功 率因数低，故现场使用较少。2.2 交一一直一一交变频器的

5、工作原理变频器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，分整流和逆变两部分，即将交流电通过整流器变为直流电源， 再经过逆变器 将其变为电压频率可调的交流电源。整流的基本工作原理如图 1 所示：图 1 中整流电路中采用四个二极管接成桥式结构。利用二极管的电流导向作用， 在 U2正半周内 D1、D4 导通而 D2、D3 截止，RL上得到上正下负的输出电压；负半周 内正好相反，D1、D4 截止而 D2 D3 导通，RL上的电压依然是上正下负。因此，在交 流电源的正、负半周内，整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。将直流转换为交流的装置为逆变器，其工作原理如图

6、2 所示：+1x-n.VKP1K济KP2REII鼻KP3KKP4图 2 2 使用 SCRSCR 的逆变器原理图由图 2 可知，供电电源是一直流电源，晶闸管承受正向电压，当晶闸管 KP1 KP4 的门极触发导通时，使其触发导通，晶闸管 KP2 KP3 关断；当 KP2 KP3 门极触发导 通时，KP1KP4 关断。这两组晶闸管不断地轮流切换，从而实现了由直流电源供电，而在负载 R 上得到频率可控的交流电压即实现了从直流到交流的逆变。在交流电动机的调速系统中， 常常要求电动机不管在高速时运行还是在低速时运 行，都要维持电动机的磁通密度为一恒定值。2.3 变频器的选用由于变频器的过载能力没有电机的能

7、力强， 一旦电机发生过载， 损坏的首先是变 频器。因此变频器的选用应根据使用要求、现场环境及负载大小进行考虑。首先，电子器件在高于额定温度后每升高 10C寿命下降一半，故选择变频器时要 有完善的通风冷却系统。其次，根据用途选用不同的变频器。一般用途可采用输出电压随输出频率变化的v/ f控制方式变频器。对于负载变化范围大、运转精度高，特别是低速时要求有稳 定的速度和负载能力时，则选用矢量控制等方式的变频器。最后，一台变频器驱动多台电动机时， 变频器的输出功率和电流必须大于或等于 被驱动的多台异步电机的容量之和， 不能用矢量控制模式。 多台逆变器共用一套直流 母线时，有利于多台逆变器制动能量的储存

8、和利用，使用中多台电机不能同时制动。3 变频调速电动机变频调速异步电动机结构简单、牢固、价格便宜，而且运行可靠，具有高效的驱 动性能和良好的控制特性，可节约大量电能，现场应用十分广泛。3.1 变频电机的特点1. 变频调速的异步电动机工作频率在一定范围内可调，在低速时可以把最大转 矩调到起动点，获得很好的起动特性。2. 变频电机通过调节电压和频率，在每一个运行点可有多种运行方式，对应多 种不同的转差频率，因而使电机的效率或功率因数在很宽的调速范围内都很高。3. 电机采用变频装置供电， 输入电流中含有较多的高次谐波， 局部放电和空间电 压增大了介质损耗发热和电磁振动力，加速了绝缘材料的老化。4.

9、变频供电时产生的轴电压和轴向电流会缩短轴承使用寿命。较小的轴电流可 适当增大电机气隙和选用专用润滑脂；对过高轴电压，应设法隔断轴电流的回路。3.2 变频调速系统的特点交流电机变频调速系统和其它调速方式相比具有以下特点：1. 变频调速系统具有调速平滑、方便、过载力矩和起动力矩大等优点。2. 交流电机容量、 速度和电压等级可以做得很高。 可以根据需要设计出高转速、 大容量的交流变频供电大型交流电动机。3.3 变频调速对电机的影响3.3.1电动机的损耗和温升任何一种变频器在工作中均会产生不同程度的谐波电压和谐波电流， 使异步电动 机在非正弦电流下运动，会引起定子、转子的铝耗、铁耗。集肤效应会产生附加

10、铜耗。 若是异步电动机为改善起动性能而采用了深槽、 刀形 槽等转子槽形时，转子铝耗的增加将更大。这些损耗使得电机额外发热，效率降低，输出下降，如将普通异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下， 其升温一般 约增加10%12%。目前中小容量变频器绝大多数采用 PWM控制方式。 其载波频率约为几kHz到十几 kHz,这就使电动机线圈需要承受很高的电压上升率，影响电动机的绝缘性能，在高 电压的反复冲击下加速老化。3.3.2谐波电磁噪声与震动 变频器电源中含有的各次谐波与电机电磁部分的固有谐波相互干扰， 形成各种电磁激震力， 当电磁力波的频率和结构件的固有震动频率一致或接近时， 将产生共振现 象，

11、加大噪声。由于电机工作的频率范围宽，转速变化的范围大，各种电磁力波的频 率很难避开电机各种结构件的固有频率。3.3.3频繁启停及加速对电机的影响变频控制系统可使电动机在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式起动， 并可 使用各种制动方式进行快速制动， 为实现频繁起制动创造了良好的条件。 电动机的结 构系统和电磁系统处于循环交变的作用下， 给电动机的机械结构和绝缘结构带来疲劳 和加速老化问题。在电源频率较大时， 因普通异步电动机的阻抗不尽理想， 使电源中高次谐波所引 起的损耗较大； 其次，自带风扇的普通异步电动机在转速降低时， 冷却风量将与转速 的 3 次方成比例减少， 这必将使电动机的低速温升急

12、剧增加， 而难以实现恒转矩输出。4 变频调速电动机在使用中常见故障及处理措施4.1 变频器常见故障及处理措施由于使用方法不正确或环境不合理， 容易造成变频器误动作及发生故障， 或者无 法满足预期的运行效果。为防患于未然，事先对故障和损坏原因进行认真分析显得尤 为重要，变频器常见的故障有以下几种。4.1.1外部的电磁干扰变频器周围的干扰源会引起控制回路误动作， 造成工作不正常或停机， 严重时甚 至损坏变频器。提高变频器自身的抗干扰能力非常必要；同时，在安装变频器时，其 周围所有继电器、接触器的控制线圈上需加装防止冲击电压的吸收装置，女口RC 吸收器；对变频器尽量缩短控制回路的配线距离， 并使其与

13、主线路分离； 指定采用屏蔽线 的回路，必须按规定进行，若线路较长，应采用合理的中继方式；变频器接地端子应 按规定进行，不能同电焊，动力接地混用；变频器入口安装滤波器，避免由电源进线 引入干扰。4.1.2变频器运行异常及损坏故障变频器周围不能安装有直接起动的电动机，防止其启停瞬间造成的供电系统电压 波动。变频器有时在缺相状态下也能继续工作， 若长期运行将对变频器的寿命及可靠 性造成不良影响，应及早检查处理。电机轴承太紧、电机抱死、负载过大、轴承损坏 及模块和驱动片的损坏都会造成变频器过流。变频器损坏包括主回路损坏、 控制回路的损坏、 冷却风机的损坏从而造成变频器 过温、过载、过流等现象。因此要定

14、期检查变频器的空气过滤网及冷却风扇。变频器 长期使用，灰尘多、油泥多造成风扇不转甚至损坏，从而造成变频器过温，所以变频 器的冷却风机必要定期清理，最好三个月清理一次。4.2 变频电动机的常见故障及处理措施变频电机在运行过程中会出现各种故障， 归纳起来变频调速异步电动机使用过程 中最常见的故障有以下几种：4.2.1 电动机定子绕组温度高变频器供电时谐波含量较大， 损耗增加导致电动机的额度电流加大， 电动机的温 度有所提高，故电动机要有温升裕度并选择好的冷却方法。控制线路压降大。电动机的电源线过长，电缆线截面积小，线路压降比较大，所 以在电动机接线端子处的电压低于标准电压 （ 包括容差 2%）。为

15、了满足额定运行， 额 定电流增加造成绕组发热。4.2.2电动机存在噪声及共振频率点设定适当的变频器载波频率可降低谐波、 减小电动机运行噪声和振动。 载波频率 越高波形越接近正弦波， 但随载波频率的升高变频器内部功率开关器件的功耗急剧加 大。故应适当的选择载波频率减少其引起的电动机运行时的噪声或振动。电动机调节频率和振动频率相同时产生共振。 电动机整机和各部件都有其固有频 率，变频调速时，频率范围较广，在某个频率点或频率段产生共振是不可避免的。在 使用时，对变频器进行频率设定时，要将共振频率点跳过。脉动转矩。 变频器供电电动机转轴上易产生脉动转矩， 脉动转矩的振幅及频率可 以在刚性连接的机械系统

16、中产生转矩振动。4.2.3绕组匝间烧毁变频调速电动机绝缘损坏。 变频器终端和电动机的阻抗不匹配产生反射波， 在每 个脉冲的前沿产生比原脉冲电压高得多的尖峰电压， 加上开关频率又很高， 这样在电 动机绕组上形成高电压。另外，高压脉冲在传输开始的瞬间有超过75%的高电压加在绕组首匝线圈上，绕组匝与匝之间会产生电晕并在绝缘层中的缺陷处放电，放电逐渐 扩大，最终导致电动绝缘被击穿损坏。解决的办法有以下几种。 改变一般传统电动机绝缘结构， 适用于变频调速系统的 绝缘结构；电动机电源电缆选择屏蔽电缆；在变频器柜内安装输出电抗器；增加由电 容器、电感器和二极管或电阻器组成的一种限压滤波器，降低峰值电压幅值和

17、延长峰 值电压上升时间；电动机上增加终端器，防止电动机产生电压反射。以上解决办法中，最主要的是电动机的绝缘结构，如何能满足变频调速系统的要 求是最重要的。424 轴承损坏由于不对称的磁路产生环形交流磁通， 感应电在轴、轴承和机座中形成回路，此 感应电使得内外轴承套工作面上有电蚀的麻点，严重者有深坑。当轴承润滑脂绝缘性能下降时在轴承处就有电源通过，电流越大对轴承的损坏越严重。高频轴电流有三种。磁不对称产生的循环电流；泄漏到定子机座中的电流经轴承 的接地电流；电机内部元件间电容上的共模电压使轴承电压加高产生电容放电电流。预防轴电流的方法有以下几种：选择正确的控制线路和接线系统； 切断轴电 流回路，

18、使电流不流经轴承；使用滤波器减小共轭电压；在轴和机座间使电刷接 地。防轴电流采取不同措施预其效果表 1 所示：表 1 1 预防轴电流各种措施的对比电流类型采取措施循环电流轴接地电流电容放电电流附加说明NDENDE 和 DEDE 绝缘或陶瓷滚动元件有效有效有效小机座最有效，大机座不太适用(2)NDE(2)NDE 绝缘，一个 DEDE 电刷接触有效，此类电流不需要电刷有效，但不保护从动负载轴承有效，须注意确保电刷接触阻抗低需要维修，对大机座最适用。(3)(3) 个电刷接 触；无轴承绝缘无效，仅保护一个轴承有效，不保护从动负载轴承有效，须注意确保电刷接触电阻低需要维修(4)(4)两个电刷接触DEDE

19、 和 NDENDE 各一个。有效，须确保电刷 接触阻抗低有效，不保护从动负载轴承须注意确保电刷接触阻抗低需要维修(5)(5)共模电压滤波 器有效，减小咼频电 压也使低频电流 降低有效有效最好装在变频器输出端注：DE-DE-传动端；NDE-NDE-非传动端。变频调速系统由变频调速电动机、变频器控制线路、控制设备等组成。当变频器、 控制线路及控制设备的安装、调试和使用不当时，问题最终都反映在电动机上。所以 查找问题就要对整个变频调速系统都查到。结束语本文从变频器和调速电机的工作原理入手， 介绍了变频器和电机使用中应该注意 的事项，使用变频调速电动机可改善了设备运行的启动、制动性能，消除了冲击惯性；运行平稳，调速自动平滑，提高了设备运行的安全、可靠性和稳定性，提高了设备的 使用寿命；运行维护方便、简捷，并降低了设备的故障率；调试和修改程序方