1變頻電動機的特點

1.1電磁設(shè)計

對普通異步電動機來說，變頻電機設(shè)計時主要考慮的性能參數(shù)是過載能力、啟動性能、效率和功率因數(shù)。而變頻電動機，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時直接啟動，因此，過載能力和啟動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機對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)增加電動機的電感。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，電動機漏抗的大小要兼顧到整個調(diào)速范圍內(nèi)阻抗匹配的合理性。除此之外，變頻電動機的主磁路一般設(shè)計成不飽和狀態(tài)，一是考慮高次諧波會加深磁路飽和，二是考慮在低頻時，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

結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要也是考慮非正弦電源特性對變頻電機的絕緣結(jié)構(gòu)、振動、噪聲冷卻方式等方面的影響，首先在絕緣等級方面，一般為F級或更高，加強對地絕緣和線匝絕緣強度，特別要考慮絕緣耐沖擊電壓的能力。對電機的振動、噪聲問題，要充分考慮電動機構(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。一般采用強迫通風(fēng)冷卻，即主電機散熱風(fēng)扇采用獨立的電機驅(qū)動[4]。對容量超過160KW電動機應(yīng)采用軸承絕緣措施，主要是易產(chǎn)生磁路不對稱，也會產(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，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，對恒功率變頻電動機，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3000/min時，應(yīng)采用耐高溫的特殊潤滑脂，以補償軸承的溫度升高。

2變頻電機常見故障診斷

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)為電機當(dāng)中的某一個線圈出現(xiàn)大面積的損壞，局部放電則集中表現(xiàn)在電機線圈外觀較好，但是絕緣電阻已經(jīng)呈現(xiàn)為零的狀態(tài)。此時，電機絕緣系統(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，同時其調(diào)制頻率較高，所以對絕緣帶來的危害影響較為嚴(yán)重。

局部介質(zhì)發(fā)熱：如果在電機當(dāng)中的電場強度E已經(jīng)明顯的超過絕緣臨界值時，那么其介質(zhì)的損耗程度也會越來越嚴(yán)重。尤其是在頻率不斷上升的形勢下，局部放電也會有所增加，進而產(chǎn)生熱量，這些熱量勢必會帶來更加嚴(yán)重的漏電流等問題[1]。久而久之，不僅會導(dǎo)致單位體積的損耗有所增加，而且電機的溫升也會不斷上升，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，變頻電機在投入正式使用時，可以直接通過變頻器提供的各種方式進行制動，電機絕緣在循環(huán)變應(yīng)力的影響下，其整個絕緣老化速度會越來越快。由于在前期設(shè)計環(huán)節(jié)并沒有綜合考量電氣以及機械整體性等，所以電機的老化進程速度會不斷提升。

2.2軸承損傷、振動過大

結(jié)合PWM變頻器驅(qū)動系統(tǒng)在投入正式運行時的效果，整個變頻電機的軸承損傷問題會越來越嚴(yán)重，甚至經(jīng)常會出現(xiàn)軸承損傷、振動過大等問題。某高速線材廠內(nèi)一臺690kW的變頻電機在投入使用之后，短短3個月的時間，就已經(jīng)開始出現(xiàn)振動嚴(yán)重等問題。針對該問題進行故障診斷和維修時，將電機下線解體，發(fā)現(xiàn)軸承的表面灼點較多，同時這些灼點也較為明顯，究其原因是由于軸電流的影響，導(dǎo)致電機軸承受到嚴(yán)重的損傷。

2.3電流震蕩

結(jié)合實例展開分析時，某冷軋廠內(nèi)部現(xiàn)有一臺250kW/400V/430A的變頻電機系統(tǒng)在運行時，已經(jīng)連續(xù)出現(xiàn)燒器件故障問題。針對該變頻器展開檢修處理時，提前對電機展開V/F的控制空載試驗操作，根據(jù)試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)電機在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到700A。在該故障問題出現(xiàn)之后，相關(guān)檢修人員立即針對該現(xiàn)有的相同類型電機、變頻器等展開試驗處理，根據(jù)試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)同樣頻率范圍內(nèi)的電機以及變頻器都存在不穩(wěn)定等問題[2]。在工頻附近，電機狀態(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)，電機的電流會以10至20Hz左右的周期震蕩，此時的峰值如果過高，那么電機的整個運行狀態(tài)會受到嚴(yán)重影響。針對該情況展開分析，對于異步電動機來說，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)變化就會存在不穩(wěn)定影響因素。更為重要的是逆變器驅(qū)動下的轉(zhuǎn)矩脈動，V/F的暫態(tài)變化都會引起較為明顯的轉(zhuǎn)矩波動，這些都有可能會演變成為振動，甚至?xí)掷m(xù)振動。這種形勢下的轉(zhuǎn)矩脈動與諧波電流等因素之間具有一定關(guān)聯(lián)性，如果變頻電機在運行時，其運行狀態(tài)不穩(wěn)定，切忌不能夠只是單純的認(rèn)為電機或者變頻器存在故障問題，而是要根據(jù)電機以及變頻器的參數(shù)，對兩者進行綜合分析，這樣才能夠?qū)收线M行合理的判斷。

3變頻電機故障的檢修措施

變頻電機的應(yīng)用越來越廣泛，對于變頻電機維修，需要針對變頻電機的特點，采取有效的措施，才能保證變頻電機的正常運行。

3.1變頻調(diào)速電機維修的要求

變頻調(diào)速電機一般均選擇4級電機，基頻工作點設(shè)計在50Hz，頻率0-50Hz（轉(zhuǎn)速0-1480r/min）范圍內(nèi)電機作恒轉(zhuǎn)矩運行，頻率50-100Hz（轉(zhuǎn)速1480-2800r/min）范圍內(nèi)電機作恒功率運行，整個調(diào)速范圍為(0-2800r/min），基本滿足一般驅(qū)動設(shè)備的要求，其工作特性與直流調(diào)速電機相同，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級或8級電機，但電機的體積相對要大一點[5]。由于變頻調(diào)速電機的電磁設(shè)計運用了靈活的CAD設(shè)計軟件，電機的基頻設(shè)計點可以隨時進行調(diào)整，我們可以在計算機上精確的模擬電機在各基頻點上的工作特性，由此也就擴大了電機的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍，根據(jù)電機的實際使用工況，我們可以在同一個機座號內(nèi)把電機的功率做的更大，也可以在使用同一臺變頻器的基礎(chǔ)上將電機的輸出轉(zhuǎn)矩提的更高，以滿足在各種工況條件下將電機的設(shè)計制造在最佳狀態(tài)。

變頻調(diào)速電機可以另外選配附加的轉(zhuǎn)速編碼器，可實現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)速、位置控制、快速動態(tài)特性響應(yīng)的優(yōu)點。也可配以電機專用的直流（或交流）制動器以實現(xiàn)電機快速、有效、安全、可靠的制動性能。由于變頻調(diào)速電機的基頻可調(diào)性設(shè)計，我們也可以制造出各種高速電機，在高速運行時保持恒轉(zhuǎn)矩的特性，在一定程度上替代了原來的中頻電機，而且價格低廉。變頻調(diào)速電機為三相交流同步或異步電動機，根據(jù)變頻器的輸出電源有三相380V或三相220V，所以電機電源也有三相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，由于變頻電機是以電機的基頻點（或拐點）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，所以變頻器基頻點和變頻電機基頻點的設(shè)置都非常重要。

3.2改進絕緣性能

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的分散以及化解處理，以此來提高漆膜的整個耐電暈性。槽絕緣材料目前選擇利用NHN、F級的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的有機性特征，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)品對比其他材料，在吸收樹脂方面具有明顯的優(yōu)勢特點，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在檢修時非常重要的工序之一，最為重要的一點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，這樣有利于及時消除其中的氣泡，不斷填充繞組內(nèi)的氣隙，同時還可以提高繞組的電氣以及機械強度，保證其自身的耐熱以及耐污能力得到強化。如果條件允許，可以通過紫外線加熱電流干燥法進行處理，可以達到良好的效果。

除此之外，需要注意的是在整個變頻電機檢修過程中，切忌避免造成短路等問題，保證電機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，否則勢必會影響電機絕緣性能。

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?；诖?，應(yīng)當(dāng)結(jié)合電機的具體使用環(huán)境、型式的特點等，采取有針對性的對策，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，同時還可以減少軸電流以及震動等不良影響。

軸承絕緣措施：對軸承采取有針對性的絕緣措施進行處理，也可以及時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，利用滾動軸承結(jié)構(gòu)時，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。利用滑動軸承結(jié)構(gòu)時，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，除了利用上述方法之外，還可以選擇利用監(jiān)測線路加強絕緣性能、改善電機運行環(huán)境等策略?？偠灾?，無論選擇利用任何一種方法，都要根據(jù)實際情況的特點和要求，從多個角度著手，才能夠取得良好的效果。

3.4改善電流震蕩問題

在經(jīng)過長期的試驗、總結(jié)和分析之后，為保證電流震蕩問題的有效處理，同時改良電流不穩(wěn)定的情況，可以通過不斷增加電機轉(zhuǎn)動慣量或者帶載的方式來實現(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影響。結(jié)合PWM控制逆變器的運行現(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。為改善電流震蕩問題，還可以利用具有高轉(zhuǎn)差率的電動機，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反饋，以此來保證變頻電機運行穩(wěn)定性的提升。

審核編輯：郭婷