變頻電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)、常見故障診斷與檢修措施

1變頻電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

1.1電磁設(shè)計(jì)

對(duì)普通異步電動(dòng)機(jī)來說，變頻電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的性能參數(shù)是過載能力、啟動(dòng)性能、效率和功率因數(shù)。而變頻電動(dòng)機(jī)，由于臨界轉(zhuǎn)差率反比于電源頻率，可以在臨界轉(zhuǎn)差率接近1時(shí)直接啟動(dòng)，因此，過載能力和啟動(dòng)性能不在需要過多考慮，而要解決的關(guān)鍵問題是如何改善電動(dòng)機(jī)對(duì)非正弦波電源的適應(yīng)能力。首先，盡可能的減小定子和轉(zhuǎn)子電阻。減小定子電阻即可降低基波銅耗，以彌補(bǔ)高次諧波引起的銅耗增[3]。其次，為抑制電流中的高次諧波，需適當(dāng)增加電動(dòng)機(jī)的電感。但轉(zhuǎn)子槽漏抗較大，其集膚效應(yīng)也大，高次諧波銅耗也增大。因此，電動(dòng)機(jī)漏抗的大小要兼顧到整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)阻抗匹配的合理性。除此之外，變頻電動(dòng)機(jī)的主磁路一般設(shè)計(jì)成不飽和狀態(tài)，一是考慮高次諧波會(huì)加深磁路飽和，二是考慮在低頻時(shí)，為了提高輸出轉(zhuǎn)矩而適當(dāng)提高變頻器的輸出電壓。

1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要也是考慮非正弦電源特性對(duì)變頻電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)、振動(dòng)、噪聲冷卻方式等方面的影響，首先在絕緣等級(jí)方面，一般為F級(jí)或更高，加強(qiáng)對(duì)地絕緣和線匝絕緣強(qiáng)度，特別要考慮絕緣耐沖擊電壓的能力。對(duì)電機(jī)的振動(dòng)、噪聲問題，要充分考慮電動(dòng)機(jī)構(gòu)件及整體的剛性，盡力提高其固有頻率，以避開與各次力波產(chǎn)生共振現(xiàn)象。一般采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，即主電機(jī)散熱風(fēng)扇采用獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)[4]。對(duì)容量超過160KW電動(dòng)機(jī)應(yīng)采用軸承絕緣措施，主要是易產(chǎn)生磁路不對(duì)稱，也會(huì)產(chǎn)生軸電流，當(dāng)其他高頻分量所產(chǎn)生的電流結(jié)合一起作用時(shí)，軸電流將大為增加，從而導(dǎo)致軸承損壞，所以一般要采取絕緣措施。另外，對(duì)恒功率變頻電動(dòng)機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3000/min時(shí)，應(yīng)采用耐高溫的特殊潤(rùn)滑脂，以補(bǔ)償軸承的溫度升高。

2變頻電機(jī)常見故障診斷

2.1匝間短路、局部放電

匝間短路和局部放電是目前變頻電機(jī)絕緣類型故障中較為常見的形式，其中匝間短路一般表現(xiàn)為電機(jī)當(dāng)中的某一個(gè)線圈出現(xiàn)大面積的損壞，局部放電則集中表現(xiàn)在電機(jī)線圈外觀較好，但是絕緣電阻已經(jīng)呈現(xiàn)為零的狀態(tài)。此時(shí)，電機(jī)絕緣系統(tǒng)受到的損壞影響，并不只是某一單一因素的影響，而是局部放電、局部介質(zhì)發(fā)熱等因素造成的。

局部放電：目前在中小容量變頻器運(yùn)行過程中，普遍都是選擇利用IGBT功率器件脈寬調(diào)制技術(shù)，該元件相互構(gòu)成的PWM調(diào)速裝置可以提供高聳的尖峰，波峰具有陡峭的前沿特征，同時(shí)其調(diào)制頻率較高，所以對(duì)絕緣帶來的危害影響較為嚴(yán)重。

局部介質(zhì)發(fā)熱：如果在電機(jī)當(dāng)中的電場(chǎng)強(qiáng)度E已經(jīng)明顯的超過絕緣臨界值時(shí)，那么其介質(zhì)的損耗程度也會(huì)越來越嚴(yán)重。尤其是在頻率不斷上升的形勢(shì)下，局部放電也會(huì)有所增加，進(jìn)而產(chǎn)生熱量，這些熱量勢(shì)必會(huì)帶來更加嚴(yán)重的漏電流等問題[1]。久而久之，不僅會(huì)導(dǎo)致單位體積的損耗有所增加，而且電機(jī)的溫升也會(huì)不斷上升，無形中導(dǎo)致絕緣老化速度越來越快。

循環(huán)交變應(yīng)力：通過PWM變頻電源供電方式，變頻電機(jī)在投入正式使用時(shí)，可以直接通過變頻器提供的各種方式進(jìn)行制動(dòng)，電機(jī)絕緣在循環(huán)變應(yīng)力的影響下，其整個(gè)絕緣老化速度會(huì)越來越快。由于在前期設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)并沒有綜合考量電氣以及機(jī)械整體性等，所以電機(jī)的老化進(jìn)程速度會(huì)不斷提升。

2.2軸承損傷、振動(dòng)過大

結(jié)合PWM變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在投入正式運(yùn)行時(shí)的效果，整個(gè)變頻電機(jī)的軸承損傷問題會(huì)越來越嚴(yán)重，甚至經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)軸承損傷、振動(dòng)過大等問題。某高速線材廠內(nèi)一臺(tái)690kW的變頻電機(jī)在投入使用之后，短短3個(gè)月的時(shí)間，就已經(jīng)開始出現(xiàn)振動(dòng)嚴(yán)重等問題。針對(duì)該問題進(jìn)行故障診斷和維修時(shí)，將電機(jī)下線解體，發(fā)現(xiàn)軸承的表面灼點(diǎn)較多，同時(shí)這些灼點(diǎn)也較為明顯，究其原因是由于軸電流的影響，導(dǎo)致電機(jī)軸承受到嚴(yán)重的損傷。

2.3電流震蕩

結(jié)合實(shí)例展開分析時(shí)，某冷軋廠內(nèi)部現(xiàn)有一臺(tái)250kW/400V/430A的變頻電機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，已經(jīng)連續(xù)出現(xiàn)燒器件故障問題。針對(duì)該變頻器展開檢修處理時(shí)，提前對(duì)電機(jī)展開V/F的控制空載試驗(yàn)操作，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)電機(jī)在7至30Hz的范圍內(nèi)，電流呈現(xiàn)出異常情況，更為重要的是三相電流的幅值有明顯的震蕩，最高的震蕩電流幅值可以達(dá)到700A。在該故障問題出現(xiàn)之后，相關(guān)檢修人員立即針對(duì)該現(xiàn)有的相同類型電機(jī)、變頻器等展開試驗(yàn)處理，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)同樣頻率范圍內(nèi)的電機(jī)以及變頻器都存在不穩(wěn)定等問題[2]。在工頻附近，電機(jī)狀態(tài)較為穩(wěn)定，但是如果在40Hz的頻率下，尤其是20至30Hz的范圍內(nèi)，電機(jī)的電流會(huì)以10至20Hz左右的周期震蕩，此時(shí)的峰值如果過高，那么電機(jī)的整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)會(huì)受到嚴(yán)重影響。針對(duì)該情況展開分析，對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)來說，其如果處于轉(zhuǎn)差率為零的狀態(tài)，那么其暫態(tài)的轉(zhuǎn)矩正負(fù)變化就會(huì)存在不穩(wěn)定影響因素。更為重要的是逆變器驅(qū)動(dòng)下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，V/F的暫態(tài)變化都會(huì)引起較為明顯的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，這些都有可能會(huì)演變成為振動(dòng)，甚至?xí)掷m(xù)振動(dòng)。這種形勢(shì)下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與諧波電流等因素之間具有一定關(guān)聯(lián)性，如果變頻電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，其運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，切忌不能夠只是單純的認(rèn)為電機(jī)或者變頻器存在故障問題，而是要根據(jù)電機(jī)以及變頻器的參數(shù)，對(duì)兩者進(jìn)行綜合分析，這樣才能夠?qū)收线M(jìn)行合理的判斷。

3變頻電機(jī)故障的檢修措施

變頻電機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)于變頻電機(jī)維修，需要針對(duì)變頻電機(jī)的特點(diǎn)，采取有效的措施，才能保證變頻電機(jī)的正常運(yùn)行。

3.1變頻調(diào)速電機(jī)維修的要求

變頻調(diào)速電機(jī)一般均選擇4級(jí)電機(jī)，基頻工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在50Hz，頻率0-50Hz（轉(zhuǎn)速0-1480r/min）范圍內(nèi)電機(jī)作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，頻率50-100Hz（轉(zhuǎn)速1480-2800r/min）范圍內(nèi)電機(jī)作恒功率運(yùn)行，整個(gè)調(diào)速范圍為(0-2800r/min），基本滿足一般驅(qū)動(dòng)設(shè)備的要求，其工作特性與直流調(diào)速電機(jī)相同，調(diào)速平滑穩(wěn)定。如果在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍內(nèi)

要提高輸出轉(zhuǎn)矩，也可以選擇6級(jí)或8級(jí)電機(jī)，但電機(jī)的體積相對(duì)要大一點(diǎn)[5]。由于變頻調(diào)速電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)運(yùn)用了靈活的CAD設(shè)計(jì)軟件，電機(jī)的基頻設(shè)計(jì)點(diǎn)可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，我們可以在計(jì)算機(jī)上精確的模擬電機(jī)在各基頻點(diǎn)上的工作特性，由此也就擴(kuò)大了電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際使用工況，我們可以在同一個(gè)機(jī)座號(hào)內(nèi)把電機(jī)的功率做的更大，也可以在使用同一臺(tái)變頻器的基礎(chǔ)上將電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩提的更高，以滿足在各種工況條件下將電機(jī)的設(shè)計(jì)制造在最佳狀態(tài)。

變頻調(diào)速電機(jī)可以另外選配附加的轉(zhuǎn)速編碼器，可實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)速、位置控制、快速動(dòng)態(tài)特性響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。也可配以電機(jī)專用的直流（或交流）制動(dòng)器以實(shí)現(xiàn)電機(jī)快速、有效、安全、可靠的制動(dòng)性能。由于變頻調(diào)速電機(jī)的基頻可調(diào)性設(shè)計(jì)，我們也可以制造出各種高速電機(jī)，在高速運(yùn)行時(shí)保持恒轉(zhuǎn)矩的特性，在一定程度上替代了原來的中頻電機(jī)，而且價(jià)格低廉。變頻調(diào)速電機(jī)為三相交流同步或異步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)變頻器的輸出電源有三相380V或三相220V，所以電機(jī)電源也有三相380V或三相220V的不同區(qū)別，一般4KW以下的變頻器才有三相220V，由于變頻電機(jī)是以電機(jī)的基頻點(diǎn)（或拐點(diǎn)）來劃分不同的恒功率調(diào)速區(qū)和恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)的，所以變頻器基頻點(diǎn)和變頻電機(jī)基頻點(diǎn)的設(shè)置都非常重要。

3.2改進(jìn)絕緣性能

通過耐電暈漆包線的合理利用，有利于適當(dāng)?shù)脑黾悠疗崮?，通過量子化學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，可以直接將屏蔽使用的化工材料參與漆基高分子的縮聚反應(yīng)作為漆膜的主要材料，保證高頻耐沖電壓可以得到及時(shí)的分散以及化解處理，以此來提高漆膜的整個(gè)耐電暈性。槽絕緣材料目前選擇利用NHN、F級(jí)的DMD等幾種不同混合物相互制作而成，這種類型材料具有較強(qiáng)的有機(jī)性特征，所以并不具備耐電暈性?；诖耍x擇利用含有云母的新型槽絕緣，云母的加入有利于提高耐電暈性。在相間絕緣方面，應(yīng)當(dāng)選擇表面有聚酯絨布的產(chǎn)品類型，這種類型的產(chǎn)品對(duì)比其他材料，在吸收樹脂方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，有利于與導(dǎo)線之間形成有效的粘接。

浸漬工藝一直以來都是變頻電機(jī)在檢修時(shí)非常重要的工序之一，最為重要的一點(diǎn)就是要避免樹脂流出。通常選擇利用VPI來處理，或者在經(jīng)過VPI處理之后，可以適當(dāng)?shù)脑黾咏n工藝，這樣有利于及時(shí)消除其中的氣泡，不斷填充繞組內(nèi)的氣隙，同時(shí)還可以提高繞組的電氣以及機(jī)械強(qiáng)度，保證其自身的耐熱以及耐污能力得到強(qiáng)化。如果條件允許，可以通過紫外線加熱電流干燥法進(jìn)行處理，可以達(dá)到良好的效果。

除此之外，需要注意的是在整個(gè)變頻電機(jī)檢修過程中，切忌避免造成短路等問題，保證電機(jī)軸承等各種部件的裝配可以滿足基本精度要求，盡量避免由于渦流損耗而引起嚴(yán)重的局部發(fā)熱等問題，否則勢(shì)必會(huì)影響電機(jī)絕緣性能。

3.3消除軸電流的影響

為保證軸電流可以降低到無害化的水平，通常需要保證軸電流控制在0.4A/mm2或者0.35mV以下。基于此，應(yīng)當(dāng)結(jié)合電機(jī)的具體使用環(huán)境、型式的特點(diǎn)等，采取有針對(duì)性的對(duì)策，以此來消除軸電流帶來的不良影響。

抑制電源諧波：為消除軸電流帶來的影響，通過逆變器供電調(diào)速系統(tǒng)的合理應(yīng)用，可以直接在其中增加濾波器，或者利用配套的變頻調(diào)速裝置，這樣有利于降低諧波，同時(shí)還可以減少軸電流以及震動(dòng)等不良影響。

軸承絕緣措施：對(duì)軸承采取有針對(duì)性的絕緣措施進(jìn)行處理，也可以及時(shí)的消除軸電流帶來的不良影響。目前常見的方法是通過電機(jī)負(fù)荷側(cè)軸承接地、非負(fù)荷側(cè)軸承絕緣等手段，利用滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)時(shí)，可以選擇將絕緣軸承作為其中的主要軸承形式，或者在軸承內(nèi)圈、外圈的表面等部位，利用離子噴涂法均勻噴涂50至100mm的絕緣層。除此之外，還可以根據(jù)實(shí)際情況的不同，直接在端蓋軸承室加套處理，套與端蓋之間增加絕緣層，做好內(nèi)外蓋軸承的緊固。利用滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)時(shí)，可以直接在固定軸承位置處，適當(dāng)?shù)脑黾訅|環(huán)氧玻璃布板，或者在進(jìn)出油管道位置處，增設(shè)絕緣管接頭等，使用這些方法都可以有效消除軸電流的不良影響。

在消除軸電流時(shí)，除了利用上述方法之外，還可以選擇利用監(jiān)測(cè)線路加強(qiáng)絕緣性能、改善電機(jī)運(yùn)行環(huán)境等策略?？偠灾?，無論選擇利用任何一種方法，都要根據(jù)實(shí)際情況的特點(diǎn)和要求，從多個(gè)角度著手，才能夠取得良好的效果。

3.4改善電流震蕩問題

在經(jīng)過長(zhǎng)期的試驗(yàn)、總結(jié)和分析之后，為保證電流震蕩問題的有效處理，同時(shí)改良電流不穩(wěn)定的情況，可以通過不斷增加電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或者帶載的方式來實(shí)現(xiàn)，或者還可以適當(dāng)?shù)脑黾与妷盒湍孀兤鞯闹绷鱾?cè)電容量，這樣有利于減少電壓的波動(dòng)影響。結(jié)合PWM控制逆變器的運(yùn)行現(xiàn)狀，利用快速開關(guān)的元件或者直接降低PWM的調(diào)制頻率，這樣有利于避免輸出電壓的受死區(qū)受到影響而出現(xiàn)波動(dòng)。為改善電流震蕩問題，還可以利用具有高轉(zhuǎn)差率的電動(dòng)機(jī)，利用電流反饋等方式，可以保證電路的矢量控制情況等得到及時(shí)反饋，以此來保證變頻電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的提升。

審核編輯：郭婷