变频电机的常见故障诊断与检修措施

1 变频电动机的特点

1.1 电磁设计

对普通异步电动机来说，变频电机设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因数。而变频电动机，由于临界转差率反比于电源频率，可以在临界转差率接近 1 时直接启动，因此，过载能力和启动性能不在需要过多考虑，而要解决的关键问题是如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力。首先，尽可能的减小定子和转子电阻。减小定子电阻即可降低基波铜耗，以弥补高次谐波引起的铜耗增 ^[3] 。其次，为抑制电流中的高次谐波，需适当增加电动机的电感。但转子槽漏抗较大，其集肤效应也大，高次谐波铜耗也增大。因此，电动机漏抗的大小要兼顾到整个调速范围内阻抗匹配的合理性。除此之外，变频电动机的主磁路一般设计成不饱和状态，一是考虑高次谐波会加深磁路饱和，二是考虑在低频时，为了提高输出转矩而适当提高变频器的输出电压。

1.2 结构设计

结构设计时，主要也是考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声冷却方式等方面的影响，首先在绝缘等级方面，一般为 F 级或更高，加强对地绝缘和线匝绝缘强度，特别要考虑绝缘耐冲击电压的能力。对电机的振动、噪声问题，要充分考虑电动机构件及整体的刚性，尽力提高其固有频率，以避开与各次力波产生共振现象。一般采用强迫通风冷却，即主电机散热风扇采用独立的电机驱动 ^[4] 。对容量超过 160KW 电动机应采用轴承绝缘措施，主要是易产生磁路不对称，也会产生轴电流，当其他高频分量所产生的电流结合一起作用时，轴电流将大为增加，从而导致轴承损坏，所以一般要采取绝缘措施。另外，对恒功率变频电动机，当转速超过 3000/min 时，应采用耐高温的特殊润滑脂，以补偿轴承的温度升高。

2 变频电机常见故障诊断

2.1 匝间短路、局部放电

匝间短路和局部放电是目前变频电机绝缘类型故障中较为常见的形式，其中匝间短路一般表现为电机当中的某一个线圈出现大面积的损坏，局部放电则集中表现在电机线圈外观较好，但是绝缘电阻已经呈现为零的状态。此时，电机绝缘系统受到的损坏影响，并不只是某一单一因素的影响，而是局部放电、局部介质发热等因素造成的。

局部放电：目前在中小容量变频器运行过程中，普遍都是选择利用 IGBT 功率器件脉宽调制技术，该元件相互构成的 PWM 调速装置可以提供高耸的尖峰，波峰具有陡峭的前沿特征，同时其调制频率较高，所以对绝缘带来的危害影响较为严重。

局部介质发热：如果在电机当中的电场强度 E 已经明显的超过绝缘临界值时，那么其介质的损耗程度也会越来越严重。尤其是在频率不断上升的形势下，局部放电也会有所增加，进而产生热量，这些热量势必会带来更加严重的漏电流等问题 ^[1] 。久而久之，不仅会导致单位体积的损耗有所增加，而且电机的温升也会不断上升，无形中导致绝缘老化速度越来越快。

循环交变应力：通过 PWM 变频电源供电方式，变频电机在投入正式使用时，可以直接通过变频器提供的各种方式进行制动，电机绝缘在循环变应力的影响下，其整个绝缘老化速度会越来越快。由于在前期设计环节并没有综合考量电气以及机械整体性等，所以电机的老化进程速度会不断提升。

2.2 轴承损伤、振动过大

结合 PWM 变频器驱动系统在投入正式运行时的效果，整个变频电机的轴承损伤问题会越来越严重，甚至经常会出现轴承损伤、振动过大等问题。某高速线材厂内一台 690kW 的变频电机在投入使用之后，短短 3 个月的时间，就已经开始出现振动严重等问题。针对该问题进行故障诊断和维修时，将电机下线解体，发现轴承的表面灼点较多，同时这些灼点也较为明显，究其原因是由于轴电流的影响，导致电机轴承受到严重的损伤。

2.3 电流震荡

结合实例展开分析时，某冷轧厂内部现有一台 250kW/400V/430A 的变频电机系统在运行时，已经连续出现烧器件故障问题。针对该变频器展开检修处理时，提前对电机展开 V/F 的控制空载试验操作，根据试验结果，发现电机在 7 至 30Hz 的范围内，电流呈现出异常情况，更为重要的是三相电流的幅值有明显的震荡，最高的震荡电流幅值可以达到 700A 。在该故障问题出现之后，相关检修人员立即针对该现有的相同类型电机、变频器等展开试验处理，根据试验结果，发现同样频率范围内的电机以及变频器都存在不稳定等问题 ^[2] 。在工频附近，电机状态较为稳定，但是如果在 40Hz 的频率下，尤其是 20 至 30Hz 的范围内，电机的电流会以 10 至 20Hz 左右的周期震荡，此时的峰值如果过高，那么电机的整个运行状态会受到严重影响。针对该情况展开分析，对于异步电动机来说，其如果处于转差率为零的状态，那么其暂态的转矩正负变化就会存在不稳定影响因素。更为重要的是逆变器驱动下的转矩脉动， V/F 的暂态变化都会引起较为明显的转矩波动，这些都有可能会演变成为振动，甚至会持续振动。这种形势下的转矩脉动与谐波电流等因素之间具有一定关联性，如果变频电机在运行时，其运行状态不稳定，切忌不能够只是单纯的认为电机或者变频器存在故障问题，而是要根据电机以及变频器的参数，对两者进行综合分析，这样才能够对故障进行合理的判断。

3 变频电机故障的检修措施

变频电机的应用越来越广泛，对于变频电机维修，需要针对变频电机的特点，采取有效的措施，才能保证变频电机的正常运行。

3.1 变频调速电机维修的要求

变频调速电机一般均选择 4 级电机，基频工作点设计在 50Hz ，频率 0-50Hz （转速 0-1480r/min ）范围内电机作恒转矩运行，频率 50-100Hz （转速 1480-2800r/min ）范围内电机作恒功率运行，整个调速范围为 (0-2800r/min ），基本满足一般驱动设备的要求，其工作特性与直流调速电机相同，调速平滑稳定。如果在恒转矩调速范围内

要提高输出转矩，也可以选择 6 级或 8 级电机，但电机的体积相对要大一点 ^[5] 。由于变频调速电机的电磁设计运用了灵活的 CAD  设计软件，电机的基频设计点可以随时进行调整，我们可以在计算机上精确的模拟电机在各基频点上的工作特性，由此也就扩大了电机的恒转矩调速范围，根据电机的实际使用工况，我们可以在同一个机座号内把电机的功率做的更大，也可以在使用同一台变频器的基础上将电机的输出转矩提的更高，以满足在各种工况条件下将电机的设计制造在最佳状态。

变频调速电机可以另外选配附加的转速编码器，可实现高精度转速、位置控制、快速动态特性响应的优点。也可配以电机专用的直流（或交流）制动器以实现电机快速、有效、安全、可靠的制动性能。由于变频调速电机的基频可调性设计，我们也可以制造出各种高速电机，在高速运行时保持恒转矩的特性，在一定程度上替代了原来的中频电机，而且价格低廉。变频调速电机为三相交流同步或异步电动机，根据变频器的输出电源有三相 380V 或三相 220V ，所以电机电源也有三相 380V 或三相 220V 的不同区别，一般 4KW 以下的变频器才有三相 220V ，由于变频电机是以电机的基频点（或拐点）来划分不同的恒功率调速区和恒转矩调速区的，所以变频器基频点和变频电机基频点的设置都非常重要。

3.2 改进绝缘性能

通过耐电晕漆包线的合理利用，有利于适当的增加屏漆膜层，通过量子化学技术的应用，可以直接将屏蔽使用的化工材料参与漆基高分子的缩聚反应作为漆膜的主要材料，保证高频耐冲电压可以得到及时的分散以及化解处理，以此来提高漆膜的整个耐电晕性。槽绝缘材料目前选择利用 NHN 、 F 级的 DMD 等几种不同混合物相互制作而成，这种类型材料具有较强的有机性特征，所以并不具备耐电晕性。基于此，选择利用含有云母的新型槽绝缘，云母的加入有利于提高耐电晕性。在相间绝缘方面，应当选择表面有聚酯绒布的产品类型，这种类型的产品对比其他材料，在吸收树脂方面具有明显的优势特点，有利于与导线之间形成有效的粘接。

浸渍工艺一直以来都是变频电机在检修时非常重要的工序之一，最为重要的一点就是要避免树脂流出。通常选择利用 VPI 来处理，或者在经过 VPI 处理之后，可以适当的增加浸渍工艺，这样有利于及时消除其中的气泡，不断填充绕组内的气隙，同时还可以提高绕组的电气以及机械强度，保证其自身的耐热以及耐污能力得到强化。如果条件允许，可以通过紫外线加热电流干燥法进行处理，可以达到良好的效果。

除此之外，需要注意的是在整个变频电机检修过程中，切忌避免造成短路等问题，保证电机轴承等各种部件的装配可以满足基本精度要求，尽量避免由于涡流损耗而引起严重的局部发热等问题，否则势必会影响电机绝缘性能。

3.3 消除轴电流的影响

为保证轴电流可以降低到无害化的水平，通常需要保证轴电流控制在 0.4A/mm ² 或者 0.35mV 以下。基于此，应当结合电机的具体使用环境、型式的特点等，采取有针对性的对策，以此来消除轴电流带来的不良影响。

抑制电源谐波：为消除轴电流带来的影响，通过逆变器供电调速系统的合理应用，可以直接在其中增加滤波器，或者利用配套的变频调速装置，这样有利于降低谐波，同时还可以减少轴电流以及震动等不良影响。

轴承绝缘措施：对轴承采取有针对性的绝缘措施进行处理，也可以及时的消除轴电流带来的不良影响。目前常见的方法是通过电机负荷侧轴承接地、非负荷侧轴承绝缘等手段，利用滚动轴承结构时，可以选择将绝缘轴承作为其中的主要轴承形式，或者在轴承内圈、外圈的表面等部位，利用离子喷涂法均匀喷涂 50 至 100mm 的绝缘层。除此之外，还可以根据实际情况的不同，直接在端盖轴承室加套处理，套与端盖之间增加绝缘层，做好内外盖轴承的紧固。利用滑动轴承结构时，可以直接在固定轴承位置处，适当的增加垫环氧玻璃布板，或者在进出油管道位置处，增设绝缘管接头等，使用这些方法都可以有效消除轴电流的不良影响。

在消除轴电流时，除了利用上述方法之外，还可以选择利用监测线路加强绝缘性能、改善电机运行环境等策略。总而言之，无论选择利用任何一种方法，都要根据实际情况的特点和要求，从多个角度着手，才能够取得良好的效果。

3.4 改善电流震荡问题

在经过长期的试验、总结和分析之后，为保证电流震荡问题的有效处理，同时改良电流不稳定的情况，可以通过不断增加电机转动惯量或者带载的方式来实现，或者还可以适当的增加电压型逆变器的直流侧电容量，这样有利于减少电压的波动影响。结合 PWM 控制逆变器的运行现状，利用快速开关的元件或者直接降低 PWM 的调制频率，这样有利于避免输出电压的受死区受到影响而出现波动。为改善电流震荡问题，还可以利用具有高转差率的电动机，利用电流反馈等方式，可以保证电路的矢量控制情况等得到及时反馈，以此来保证变频电机运行稳定性的提升。