交流电动机变频调速系统的原理及故障维修高金国

高金国佟铁锋王维刚

北方华安工业集团有限公司黑龙江省齐齐哈尔市161046

摘要:：目前，被大多数行业公认为最有应用优势的交流调速方式是交流变频调速技术，交流变频调速技术的节能效果及变频调速的功能十分显著，这种交流调速方式促进了我国工业企业电气传动技术的发展。本文阐述了交流电机的工作原理以及取得的成果，对交流电机的变频调速进行了研究，对交流变频调速技术的发展具有重要的借鉴意义。

关键词：电动机；变频调速；交流

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。

一、变频调速的基本原理

变频调速交流电机的基本原理是基于变频调速电机的原理，即通过以下式子求出三相异步电动机的转速n：n=n1（1-s）=60f（1-s）/p其中，“n”表示“电机转速”；“n1”表示“电机的同步转速”；“p”表示“磁极对数”；“s”表示“转差率”；“f”表示“频率”。根据公式得出：实现异步电机的调速需要改变转差率、极对数和频率。改变转差率、极对数会出现一定的损耗，使电机的工作效率在一定程度上受到限制。变频调速实现电机转速的调整是通过改变子电源频率进而改变同步频率的。

二、变频调速对电机的影响

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。

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，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.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剧增加，而难以实现恒转矩输出。

三、变频调速电动机在使用中常见故障及处理措施

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。

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，如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。

1.2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。

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:

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%)。为了满足额定运行，额定电流增加造成绕组发热。

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中产生转矩振动。

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。

结语

本文从变频器和调速电机的工作原理入手，介绍了变频电动机的常见故障及处理措施，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;调试和修改程序方便、迅速。

与普通异步电动机不同，变频调速异步电动机采用变频器供电，有其特殊性，电动机在运行过程中出现的故障及原因也有别于普通异步电动机，也有共同之处。当系统出现问题时，最终都反映在电动机上，所以分析故障时，对整个系统都要分析才能找到真正的故障原因，同时在分析故障原因和解决方法上尤其要注意着眼于特殊性。开发、研制系列大型变频调速器，并扩大工业领域的应用，是大型企业的决策者应该考虑的问题之一。

参考文献：

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[2]安文举;变频调速异步电动机常见故障及解决措施;防爆电机,2008年第1期,第43卷。

[3]傅欣欣,刘晓祥,唐贤军;变频调速电动机的应用分析;山东冶金,2003年第3期,第25卷。

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