變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用及故障分析-正文文獻(xiàn)致謝

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(dòng)部件大都離不開電動(dòng)機(jī)，而在許多場合都要求電動(dòng)機(jī)能夠調(diào)速使用。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中，交流調(diào)速技術(shù)已在冶金、電力、鐵路、運(yùn)輸、油田、化工等各個(gè)領(lǐng)域得到普及。變頻器是從20世紀(jì)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(jī)的變頻調(diào)速，其在電氣傳動(dòng)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(jì)50年代誕生世界上第一個(gè)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(dòng)了直流調(diào)速控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，但其造價(jià)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

2、第二代電力電子器件。與此同時(shí)，對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)的高階、非線性、強(qiáng)耦合多變量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的研究，解決了異步電動(dòng)機(jī)矢量控制的理論，從此交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)突飛猛進(jìn)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(dòng)、保護(hù)、檢測和功率輸出單元集中在一個(gè)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(dá)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(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，相繼推出了一系列的變頻器并不斷進(jìn)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(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷、將

3、開關(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(shí)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可用式(1-1)表示： (1-1)式中：定子供電電源的頻率； 電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)； 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。由此可見，若均勻的改變定子供電頻率，則可以平滑的改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與供電頻率成正比。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。交直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)橹绷麟姡豢煽毓枘孀冸娐?，其作用是將整流輸出的直流電變換為頻率

4、可調(diào)的交流電；在整流和逆變之間的濾波環(huán)節(jié)對(duì)整流后的電壓或電流進(jìn)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(shí)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(diǎn)是直接交換、減少換流電路、減少損耗、效率高、波型好，缺點(diǎn)是調(diào)速范圍小、控制線路復(fù)雜、功率因數(shù)低，故現(xiàn)場使用較少。2.2 交直交變頻器的工作原理變頻器是利用電力半導(dǎo)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，分整流和逆變兩部分，即將交流電通過整流

5、器變?yōu)橹绷麟娫矗俳?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(gè)二極管接成橋式結(jié)構(gòu)。利用二極管的電流導(dǎo)向作用，在U2正半周內(nèi)D1、D4導(dǎo)通而D2、D3截止，RL上得到上正下負(fù)的輸出電壓；負(fù)半周內(nèi)正好相反，D1、D4截止而D2、D3導(dǎo)通，RL上的電壓依然是上正下負(fù)。因此，在交流電源的正、負(fù)半周內(nèi)，整流電路的負(fù)載上都有方向不變的脈動(dòng)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：圖2 使用SCR的逆變器原理圖由圖2可知，供電電源是一直流電源，晶閘管承受正向電壓，當(dāng)晶閘管KP1、KP4的門極觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，使其觸發(fā)

6、導(dǎo)通，晶閘管KP2、KP3關(guān)斷；當(dāng)KP2、KP3門極觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，KP1、KP4關(guān)斷。這兩組晶閘管不斷地輪流切換，從而實(shí)現(xiàn)了由直流電源供電，而在負(fù)載R上得到頻率可控的交流電壓即實(shí)現(xiàn)了從直流到交流的逆變。在交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中，常常要求電動(dòng)機(jī)不管在高速時(shí)運(yùn)行還是在低速時(shí)運(yùn)行，都要維持電動(dòng)機(jī)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(jī)的能力強(qiáng)，一旦電機(jī)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(fù)載大小進(jìn)行考慮。首先，電子器件在高于額定溫度后每升高10壽命下降一半，故選擇變頻器時(shí)要有完善的通風(fēng)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

7、采用輸出電壓隨輸出頻率變化的控制方式變頻器。對(duì)于負(fù)載變化范圍大、運(yùn)轉(zhuǎn)精度高，特別是低速時(shí)要求有穩(wěn)定的速度和負(fù)載能力時(shí)，則選用矢量控制等方式的變頻器。最后，一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，變頻器的輸出功率和電流必須大于或等于被驅(qū)動(dòng)的多臺(tái)異步電機(jī)的容量之和，不能用矢量控制模式。多臺(tái)逆變器共用一套直流母線時(shí)，有利于多臺(tái)逆變器制動(dòng)能量的儲(chǔ)存和利用，使用中多臺(tái)電機(jī)不能同時(shí)制動(dòng)。3 變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、牢固、價(jià)格便宜，而且運(yùn)行可靠，具有高效的驅(qū)動(dòng)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。3.1 變頻電機(jī)的特點(diǎn)1. 變頻調(diào)速的異步電動(dòng)機(jī)工作頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)，在低速時(shí)可以把

8、最大轉(zhuǎn)矩調(diào)到起動(dòng)點(diǎn)，獲得很好的起動(dòng)特性。2. 變頻電機(jī)通過調(diào)節(jié)電壓和頻率，在每一個(gè)運(yùn)行點(diǎn)可有多種運(yùn)行方式，對(duì)應(yīng)多種不同的轉(zhuǎn)差頻率，因而使電機(jī)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(jī)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(dòng)力，加速了絕緣材料的老化。4. 變頻供電時(shí)產(chǎn)生的軸電壓和軸向電流會(huì)縮短軸承使用壽命。較小的軸電流可適當(dāng)增大電機(jī)氣隙和選用專用潤滑脂；對(duì)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(diǎn)交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)和其它調(diào)速方式相比具有以下特點(diǎn)：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(dòng)力矩大等優(yōu)點(diǎn)。2

9、. 交流電機(jī)容量、速度和電壓等級(jí)可以做得很高?？梢愿鶕?jù)需要設(shè)計(jì)出高轉(zhuǎn)速、大容量的交流變頻供電大型交流電動(dòng)機(jī)。3.3變頻調(diào)速對(duì)電機(jī)的影響3.3.1 電動(dòng)機(jī)的損耗和溫升任何一種變頻器在工作中均會(huì)產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和諧波電流，使異步電動(dòng)機(jī)在非正弦電流下運(yùn)動(dòng)，會(huì)引起定子、轉(zhuǎn)子的鋁耗、鐵耗。集膚效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生附加銅耗。若是異步電動(dòng)機(jī)為改善起動(dòng)性能而采用了深槽、刀形槽等轉(zhuǎn)子槽形時(shí)，轉(zhuǎn)子鋁耗的增加將更大。這些損耗使得電機(jī)額外發(fā)熱，效率降低，輸出下降，如將普通異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)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%12%。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

10、kHz，這就使電動(dòng)機(jī)線圈需要承受很高的電壓上升率，影響電動(dòng)機(jī)的絕緣性能，在高電壓的反復(fù)沖擊下加速老化。3.3.2 諧波電磁噪聲與震動(dòng)變頻器電源中含有的各次諧波與電機(jī)電磁部分的固有諧波相互干擾，形成各種電磁激震力，當(dāng)電磁力波的頻率和結(jié)構(gòu)件的固有震動(dòng)頻率一致或接近時(shí)，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，加大噪聲。由于電機(jī)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(jī)各種結(jié)構(gòu)件的固有頻率。3.3.3 頻繁啟停及加速對(duì)電機(jī)的影響變頻控制系統(tǒng)可使電動(dòng)機(jī)在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流的方式起動(dòng)，并可使用各種制動(dòng)方式進(jìn)行快速制動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)頻繁起制動(dòng)創(chuàng)造了良好的條件。電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)處于循環(huán)交變的作

11、用下，給電動(dòng)機(jī)的機(jī)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(shí)，因普通異步電動(dòng)機(jī)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(fēng)扇的普通異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速降低時(shí)，冷卻風(fēng)量將與轉(zhuǎn)速的3次方成比例減少，這必將使電動(dòng)機(jī)的低速溫升急劇增加，而難以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。4 變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)在使用中常見故障及處理措施4.1 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(dòng)作及發(fā)生故障，或者無法滿足預(yù)期的運(yùn)行效果。為防患于未然，事先對(duì)故障和損壞原因進(jìn)行認(rèn)真分析顯得尤為重要，變頻器常見的故障有以下幾種。4.1.1 外部的電磁干擾變頻器周圍的干擾源會(huì)引起控制回路誤動(dòng)作，

12、造成工作不正?；蛲C(jī)，嚴(yán)重時(shí)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(shí)，在安裝變頻器時(shí)，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，如RC吸收器；對(duì)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(jìn)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(jìn)行，不能同電焊，動(dòng)力接地混用；變頻器入口安裝濾波器，避免由電源進(jìn)線引入干擾。4.1.2 變頻器運(yùn)行異常及損壞故障變頻器周圍不能安裝有直接起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，防止其啟停瞬間造成的供電系統(tǒng)電壓波動(dòng)。變頻器有時(shí)在缺相狀態(tài)下也能繼續(xù)工作，若長期運(yùn)行將對(duì)變頻器的壽命及可靠性造成不良

13、影響，應(yīng)及早檢查處理。電機(jī)軸承太緊、電機(jī)抱死、負(fù)載過大、軸承損壞及模塊和驅(qū)動(dòng)片的損壞都會(huì)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(fēng)機(jī)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(fēng)扇。變頻器長期使用，灰塵多、油泥多造成風(fēng)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(fēng)機(jī)必要定期清理，最好三個(gè)月清理一次。4.2 變頻電動(dòng)機(jī)的常見故障及處理措施變頻電機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)各種故障，歸納起來變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)使用過程中最常見的故障有以下幾種：4.2.1 電動(dòng)機(jī)定子繞組溫度高變頻器供電時(shí)諧波含量較大，損耗增加導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的額度電流加大，電動(dòng)機(jī)

14、的溫度有所提高，故電動(dòng)機(jī)要有溫升裕度并選擇好的冷卻方法?？刂凭€路壓降大。電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)接線端子處的電壓低于標(biāo)準(zhǔn)電壓(包括容差2%)。為了滿足額定運(yùn)行，額定電流增加造成繞組發(fā)熱。4.2.2 電動(dòng)機(jī)存在噪聲及共振頻率點(diǎn)設(shè)定適當(dāng)?shù)淖冾l器載波頻率可降低諧波、減小電動(dòng)機(jī)運(yùn)行噪聲和振動(dòng)。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(dāng)?shù)倪x擇載波頻率減少其引起的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲或振動(dòng)。電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)頻率和振動(dòng)頻率相同時(shí)產(chǎn)生共振。電動(dòng)機(jī)整機(jī)和各部件都有其固有頻率，變頻調(diào)速時(shí)，頻率范圍較廣，在某個(gè)頻率點(diǎn)或頻率段產(chǎn)生共振

15、是不可避免的。在使用時(shí)，對(duì)變頻器進(jìn)行頻率設(shè)定時(shí)，要將共振頻率點(diǎn)跳過。脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。變頻器供電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上易產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的振幅及頻率可以在剛性連接的機(jī)械系統(tǒng)中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩振動(dòng)。4.2.3 繞組匝間燒毀變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)絕緣損壞。變頻器終端和電動(dòng)機(jī)的阻抗不匹配產(chǎn)生反射波，在每個(gè)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(dòng)機(jī)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(huì)產(chǎn)生電暈并在絕緣層中的缺陷處放電，放電逐漸擴(kuò)大，最終導(dǎo)致電動(dòng)絕緣被擊穿損壞。解決的辦法有以下幾種。改變一般傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)，適用于變頻調(diào)速系統(tǒng)的絕

16、緣結(jié)構(gòu)；電動(dòng)機(jī)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(shí)間；電動(dòng)機(jī)上增加終端器，防止電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電壓反射。以上解決辦法中，最主要的是電動(dòng)機(jī)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。4.2.4 軸承損壞由于不對(duì)稱的磁路產(chǎn)生環(huán)形交流磁通，感應(yīng)電在軸、軸承和機(jī)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(diǎn)，嚴(yán)重者有深坑。當(dāng)軸承潤滑脂絕緣性能下降時(shí)在軸承處就有電源通過，電流越大對(duì)軸承的損壞越嚴(yán)重。高頻軸電流有三種。磁不對(duì)稱產(chǎn)生的循環(huán)電流；泄漏到定子機(jī)座中的電流經(jīng)軸承的接地電流；電機(jī)內(nèi)

17、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(yù)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(jī)座間使電刷接地。防軸電流采取不同措施預(yù)其效果表1所示：表1 預(yù)防軸電流各種措施的對(duì)比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(1)NDE和DE絕緣或陶瓷滾動(dòng)元件有效有效有效小機(jī)座最有效，大機(jī)座不太適用(2)NDE絕緣，一個(gè)DE電刷接觸有效，此類電流不需要電刷有效，但不保護(hù)從動(dòng)負(fù)載軸承有效，須注意確保電刷接觸阻抗低需要維修，對(duì)大機(jī)座最適用。(3)一個(gè)電刷接觸；無軸承絕緣無效，僅保護(hù)一個(gè)軸承有效，不保護(hù)從動(dòng)

18、負(fù)載軸承有效，須注意確保電刷接觸電阻低需要維修(4)兩個(gè)電刷接觸DE和NDE各一個(gè)。有效，須確保電刷接觸阻抗低有效，不保護(hù)從動(dòng)負(fù)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，減小高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注：DE-傳動(dòng)端；NDE-非傳動(dòng)端。變頻調(diào)速系統(tǒng)由變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)、變頻器控制線路、控制設(shè)備等組成。當(dāng)變頻器、控制線路及控制設(shè)備的安裝、調(diào)試和使用不當(dāng)時(shí)，問題最終都反映在電動(dòng)機(jī)上。所以查找問題就要對(duì)整個(gè)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(jī)的工作原理入手，介紹了變頻器和電機(jī)使用中應(yīng)該注意的事項(xiàng)，使用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)可改善了設(shè)備運(yùn)行的啟動(dòng)、制動(dòng)性能，消除了沖擊慣性；運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速自動(dòng)平滑，提高了設(shè)備運(yùn)行的安全、可靠性和穩(wěn)定性，提高了設(shè)備的使用壽命；運(yùn)行維護(hù)方便、簡捷，并降低了設(shè)備的故障率；