电机变频调速系统的调试与故障分析

随着变频器的应用范围越来越广泛，变频器运行中出现的问题也越来越多。主要表现为:过电压、过电流、高次谐波、振动与噪声、发热等。本文针对上述常见问题的产生进行原因分析并提出相应的处理方法。

一、过电压产生的原因及处理方法

1.1 过电压产生的原因

(1)分断变压器出现的过电压

按照截流过电压形成的理论，当断开变压器时，变压器电感中的电流不能突变、其中存储的磁场能量，在变压器励磁电感和对地电容间形成振荡，从而出现过电压。

(2)变压器带负载合闸产生的过电压

在实际试验中，合空载变压器曾检测到数倍于电源电压的过电压，其物理原理为:空载变压器仍可等值于一个励磁电感与变压器本身的等效电容的并联，如果变压器的中性点不接地，开关又是非周期合闸(一相或两相先合)，由于馈线电容、变压器对地电容、纵向电容与变压器电感产生振荡，结果产生较高的过电压，特别是变压器中性点过电压较高。

虽然变压器基本上都是带负载合闸，但是变压器带上负载后合闸也会产生过电压，只是相对空载时要小些。在真实负载中有比较大的电容，由于电容的储能不会突然增加，再加上输送电缆在传输高频率的振荡电压时有分布对地电容，这些电容对过电压有吸收作用。这两者的共同作用使变压器在合闸过程中的过电压受到抑制，但是有时候其数值仍然很高，甚至有可能高出元件的耐压值，这是很危险的。

(3)整流元件的换向过电压

整流元件在换向时，由于很高，所以转向过电压也很高。这不仅会损坏元件，而且还会产生电磁干扰。

1.2 过电压的处理方法

(1)对于变频器移相变压器的分断过电压，采用阻容吸收网络和氧化锌避雷器组成过电压吸收回路，取得较好效果。

(2)对于变压器带负载合闸产生的过电压，可以选用周期性能好的开关(开关长期操作后会出现不同期);采用良好的阻容吸收回路或者有源抑制器技术方案;采用带静电屏蔽措施的变压器，也可以有效地抑制合闸过电压。但是大功率变压器在制作静电屏蔽层的难度将是相当大的。

(3)对整流元件换向产生的过电压，注意点是:整流元件的反向耐压值要足够，其次就是吸收回路和续流回路必须措施得当。否则整流器件就有可能被过电压击穿。

(4)由于变频器工作时的过电压基本上是变压器分闸合闸时产生，因此应该从变压器开始想办法抑制变频器的过电压。可以采用:

①加大变压器励磁电感和对地电容，加大励磁电感即减小空载电流，这都会引起变压器成本的增加。②加大变压器对地电容：原理上容易分析，但是实际上由于变压器本身的结构和材料限制，要想做出任意绝缘方式或绝缘等级高的变压器是不太可能的，因此要想较大地增加变压器的对地电容C也是相当困难的。

二、过电流产生的原因及处理方法

2.1 过电流产生的原因

(1)工作中过电流

即拖动系统在工作过程中出现过电流。其原因大致来自以下几方面:

①电动机遇到冲击负载，或传动机构出现卡住现象，引起电动机电流的突然增加。

②变频器的输出侧短路，如输出端到电动机之间的连接线发生相互短路，或电动机内部发生短路等。

③变频器自身工作的不正常，如逆变桥中同一桥臂的两个逆变器件在不断交替的工作过程中出现异常。例如由于环境温度过高，或逆变器件本身老化等原因，使逆变器件的参数发生变化，导致在交替过程中，一个器件已经导通、而另一个器件却还未来得及关断，引起同一个桥臂的上、下两个器件的直通、使直流电压的正、负极间处于短路状态。

(2) 升速时过电流

当负载的惯性较大，而升速时间又设定得太短时，意味着在升速过程中，变频器的工作效率上升太快，电动机的同步转速迅速上升，而电动机转子的转速因负载惯性较大而跟不上去，结果是升速电流太大。

(3) 降速中的过电流

当负载的惯性较大，而降速时间设定得太短时，也会引起过电流。因为，降速时间太短，同步转速迅速下降，而电动机转子因负载的惯性大，仍维持较高的转速，这时同样可以是转子绕组切割磁力线的速度太大而产生过电流。

2.2 过电流处理方法

(1)起动时一升速就跳闸，这是过电流十分严重的现象，主要检查:工作机械有没有卡住;负载侧有没有短路，用兆欧表检查对地有没有短路;变频器功率模块有没有损坏; 电动机的起动转矩过小，拖动系统转不起来。

(2)起动时不马上跳闸，而在运行过程中跳闸，主要检查:升速时间设定太短，加长加速时间;减速时间设定太短，加长减速时间;转矩补偿(U/f比)设定太大，引起低频时空载电流过大:电子热继电器整定不当，动作电流设定得太小，引起变频器误动作。

三、谐波产生的原因及处理方法

3.1 谐波产生的原因

从结构上看、变频器可分为直接变频和间接变频两大类。间接变频将工频电流通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流换成可控频率的交流。直接变频器则将工频交流变换成可控频率的交流，没有中间环节。它的每相都是一个两相晶闸管整流装置反并联的可逆线路。正反两组按一定周期相互切换，在负荷上就获得了交变输出电压，其幅值决定于各整流装置的控制角，频率决定于两相整流装置的切换频率。目前应用较多的还是间接变频器。间接变频器有三种不同的结构形式：(1)用可控整流器变压，用逆变器变频，调压调频分别是在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合。(2)用不控整流器整流斩波器变压、逆变器变频，这种变频器整流环节用斩波器，用脉宽调压。(3)用不控整流器整流,PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)逆变器同时变频，这种变频器只有采用可控关断的全控式器件(加绝缘栅双极晶休管IGBT等)输出波形才会非常逼真的正弦波。

无论是哪一种的变频器，都大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件。不管采用哪种整流方式，变频器从电网中吸取能量的方式均不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流和电网的阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上，使电压发生畸变，经傅里叶级数分析可知，这种非周期正弦波电流是由频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成。

3.2 谐波的处理方法

为了消除谐波，主要采用以下对策:

(1)增加变频器供电电源内阴抗 通常情况下，电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用。这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。当电源容量相对变频器容量越小，内阻抗值相对越大，谐波含量越小;电源容量相对变频器容量越大，则内阻抗值相对越小，谐波含量越大。所以选择变频器供电电源变压器时，最好选择短路阻抗大的变压器。

(2)安装电抗器 安装电抗器实际是从外部增加变频器供电电源的内阻抗。在变频器的交流侧或变频器的直流侧安装电抗器或同时安装，可抑制谐波电流。

(3)变压器多相运行 通常变频器的整流部分是6脉波整流器，所以产生的谐波较大，应用变压器的多相运行，如使相位角互差30°的Y-Δ、Δ-Δ组合的2台变压器构成相当于12脉波整流器，则可减小谐波电流，起到谐波抑制作用。

(4)调节变频器的载波比 提高变频器载波比，可有效抑制低次谐波。

(5)应用滤波器 滤波器可检测变频器谐波电流的幅值和相位，并产生与谐波电流幅值相同、相位相反的电流，从而有效地吸收和消除谐波电流。[p] 四、振动与噪声产生的原因与处理方法

4.1 振动与噪声产生的原因

变频器工作时，输出波形中的高次谐波引起的磁场对许多机械部件产生电磁策动力，策动力的频率总能与某些机械部件的固有频率相近或重合，导致共振。对振动影响大的高次谐波主要是较低次的谐波分量，在PAM(Pulse Amplitude Modulation，脉冲幅度调制)方式和方波PWM方式时有较大的影响。但采用正弦波PWM方式时，低次的谐波分量小，影响变小。

用变频器传动电动机时，由于输出电压电流中含有高次谐波分量，气隙的高次谐波磁通增加，故噪声增大。电磁噪声有以下特征:由于变频器输出中的低次谐波分量与转子固有机械频率谐振，则转子固有频率附近的噪声增大。变频器输出中的高次谐波分量与铁心机壳轴承架等谐振，在这些部件的各自固有频率附近处的噪声增大。

变频器传动电动机产生的噪声特别是刺耳的噪声与PWM控制的开关频率有关，尤其在低频区更为显著。

采用变频器调速，将产生噪声和振动，这是变频器输出波形中含有高次谐波分量所产生的影响。随着运转频率的变化，基波分量、高次谐波分量都在大范围内变化，很可能引起与电动机的各个部分产生谐振等。

4.2 振动与噪声的处理方法

减弱或消除振动的方法，可以在变频器输出侧接入交流电抗器以吸收变频器输出电流中的高次谐波电流成分。使用PAM方式或方波PWM方式变频器时，可改用正弦波PWM方式变频器，以减小脉动转矩。为防止电动机与负载相连而成的机械系统振动，必须使整个系统不与电动机产生的电磁力谐振。

一般采用以下措施抑制和减小噪声:在变频器输出侧连接交流电抗器。如果电磁转矩有余量，可将U/f定小些。采用特殊电动机如在较低频的噪声音量较严重时，则要检查与轴系统(含负载)固有频率的谐振。

五、变频器发热产生的原因与处理方法

5.1 变频器发热产生的原因

变频器发热是由于内部的损耗而产生的，以主电路为主，约占98%，控制电路占2%。

5.2 变频器发热的处理方法

(1)采用风扇散热 变频器内装风扇可将变频器箱体内的热量带走。

(2)降低运行环境温度 变频器是电子装置，内含电子元件、电解电容等，所以温度对其寿命影响较大。通用变频器的环境运行温度一般要求-10℃～+50℃，如果能降低变频器运行温度，就延长了变频器的使用寿命，性能也稳定。