高速永磁電機(jī)試驗(yàn)時(shí)變頻器無(wú)法起動(dòng)的故障分析與解決

羅 亮，陳國(guó)橋，賓 倩

（中車株洲電機(jī)有限公司 株洲 412000）

1 序言

高速永磁變頻電機(jī)指轉(zhuǎn)速超過(guò)10000r/min，一般都是幾萬(wàn)轉(zhuǎn)甚至達(dá)到幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)。電機(jī)具有轉(zhuǎn)速高，尺寸小、功率密度大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在制冷離心壓縮機(jī)、飛輪儲(chǔ)能、機(jī)床等諸多場(chǎng)合具有廣泛的應(yīng)用[1]。高速電機(jī)的可靠性需在出廠時(shí)進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試。本文在對(duì)A型號(hào)高速永磁電機(jī)（315kW/600A）試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，變頻器設(shè)置好參數(shù)并對(duì)電機(jī)進(jìn)行自學(xué)習(xí)后電機(jī)無(wú)法起動(dòng)，試驗(yàn)時(shí)報(bào)過(guò)流和轉(zhuǎn)速偏差過(guò)大故障（故障代碼：E42，如圖1），同時(shí)電機(jī)發(fā)出異常的電磁噪聲。而前期B型號(hào)電機(jī)（165kW/280A）試驗(yàn)時(shí)變頻器運(yùn)行正常，未出現(xiàn)此類似狀況。

圖1 變頻器故障顯示

該變頻器故障導(dǎo)致A型號(hào)高速永磁電機(jī)無(wú)法正常進(jìn)行出廠試驗(yàn)，該故障將嚴(yán)重影響產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和交付周期，須深入分析該故障產(chǎn)生的原因，盡快排除故障以恢復(fù)試驗(yàn)，完成電機(jī)交付。本文對(duì)出廠試驗(yàn)時(shí)變頻器無(wú)法起動(dòng)進(jìn)行分析，進(jìn)而就該問(wèn)題提出一個(gè)行之有效的解決方案。

2 問(wèn)題分析

2.1 查找故障原因過(guò)程

采用頭腦風(fēng)暴法，項(xiàng)目小組從人、機(jī)、料、法、環(huán)五個(gè)方面對(duì)變頻器啟動(dòng)故障的原因進(jìn)行了分析，繪制了如下魚(yú)骨圖：

圖2 故障原因分析魚(yú)骨圖

2.1.1 人員方面

試驗(yàn)人員均參與了該變頻器與其他電機(jī)的試驗(yàn)，熟練掌握了變頻器的使用方法，經(jīng)自檢互檢，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)操作錯(cuò)誤問(wèn)題，因此人員方面的問(wèn)題可以排除；

2.1.2 機(jī)器（設(shè)備）方面

檢查變頻器輸入電壓和母線電壓，均正常。逐個(gè)檢查輸入變頻器的電機(jī)參數(shù)，電機(jī)參數(shù)均設(shè)置正確，起動(dòng)變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行自學(xué)習(xí)，檢查變頻器自學(xué)習(xí)反饋回的交軸電感和直軸電感等參數(shù)，均在正常范圍內(nèi)，由此可認(rèn)為變頻器自學(xué)習(xí)功能正常。

更換變頻器控制模式，將控制模式由開(kāi)環(huán)矢量控制更改為V/F控制，電機(jī)能夠正常起動(dòng)，且轉(zhuǎn)速和電流都很穩(wěn)定，由此可認(rèn)為變頻器在硬件上是正常的，能夠有效輸出電壓、電流。因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)在V/F控制模式下存在失步風(fēng)險(xiǎn)，所以高速永磁電機(jī)因其轉(zhuǎn)速較高的原因無(wú)法在V/F控制模式下進(jìn)行出廠試驗(yàn)，因此還需要對(duì)故障原因進(jìn)行深入排查[2]。

2.1.3 物料（電機(jī)）方面

再次檢查電機(jī)直流電阻值、絕緣電阻及反電動(dòng)勢(shì)等參數(shù)，電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)均在正常范圍內(nèi)，將電機(jī)與配套變頻器進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)（圖3），電機(jī)在額定工況下運(yùn)行正常，由此可確定電機(jī)狀態(tài)正常，故障原因不在電機(jī)側(cè)。

圖3 電機(jī)與配套變頻器負(fù)載試驗(yàn)配置

2.1.4 環(huán)境方面

試驗(yàn)環(huán)境溫濕度、噪聲、電磁干擾等均滿足試驗(yàn)條件，可以排除該因素。

2.1.5 方法（參數(shù)設(shè)置）方面

接線方面：經(jīng)反復(fù)檢查電機(jī)和變頻器接線，未發(fā)現(xiàn)接線錯(cuò)誤，該原因可排除。

變頻器參數(shù)設(shè)置方面：將控制模式重新更改為開(kāi)環(huán)矢量控制，變頻器仍然報(bào)轉(zhuǎn)速偏差過(guò)大故障。用示波器檢測(cè)電機(jī)起動(dòng)時(shí)變頻器輸出的電壓電流波形（圖4），發(fā)現(xiàn)變頻器在起動(dòng)過(guò)程中起動(dòng)電流非常大（超過(guò)電機(jī)額定電流）且電流波形三相不對(duì)稱，由于電機(jī)為變頻起動(dòng)，且電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)為空載，電機(jī)起動(dòng)電流理論上很小，由此可初步判定電機(jī)起動(dòng)故障的原因在開(kāi)環(huán)矢量控制模式的控制方式上[3]。

圖4 電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中電壓電流異常波形

仔細(xì)檢查變頻器開(kāi)環(huán)矢量控制模式的控制參數(shù)設(shè)置，發(fā)現(xiàn)將變頻器輸出最大頻率設(shè)置為600Hz時(shí)（電機(jī)額定頻率為400Hz），電機(jī)能夠正常運(yùn)行，且轉(zhuǎn)速、電流等參數(shù)均正常并且運(yùn)行很穩(wěn)定（圖5）。但是將變頻器最大頻率設(shè)置為1000Hz后（技術(shù)協(xié)議要求變頻器具備1000Hz輸出能力），起動(dòng)電機(jī)時(shí)變頻器報(bào)轉(zhuǎn)速偏差過(guò)大故障。

圖5 電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的電流電壓波形

2.2 故障產(chǎn)生原因確定

為了使變頻器具備1000Hz輸出能力，滿足技術(shù)協(xié)議要求，我們查閱了大量變頻器相關(guān)技術(shù)資料并與變頻器廠家人員不斷溝通，了解到當(dāng)修改變頻器最大頻率時(shí)，變頻器相應(yīng)的載波頻率也要相應(yīng)變大，而變頻器的電流輸出能力與載波頻率大小成反比，即載波頻率越大變頻器的電流輸出能力就越小[3]。因此我們將變頻器最大輸出頻率設(shè)置為1000Hz時(shí)，A型號(hào)電機(jī)的額定電流值超過(guò)了變頻器的輸出能力，變頻器的控制算法是根據(jù)變頻器自身參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電流軟件保護(hù)值，當(dāng)電機(jī)額定電流大于變頻器輸出電流軟件保護(hù)值時(shí)，變頻器無(wú)法起動(dòng)。

3 解決方案

針對(duì)以上故障原因進(jìn)行分析，進(jìn)而提出了以下2種解決方案：

方案一：保持變頻器最大輸出頻率參數(shù)1000Hz不變，將電機(jī)的額定電流參數(shù)做相應(yīng)的折算后再輸入變頻器，如上文中的A型號(hào)電機(jī)將變頻器內(nèi)電機(jī)額定電流參數(shù)設(shè)置為實(shí)際值的60%后，電機(jī)即能夠正常運(yùn)行。

方案二：在變頻器內(nèi)設(shè)置電機(jī)參數(shù)時(shí)同時(shí)更改變頻器的最大輸出頻率參數(shù)，使變頻器最大輸出頻率略大于電機(jī)最高運(yùn)行頻率，這樣設(shè)置可不用對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行任何折算處理電機(jī)即可正常運(yùn)行。并且與試驗(yàn)臺(tái)承建廠家溝通后，在上位機(jī)軟件添加上述參數(shù)的修改的功能（圖6），以達(dá)到在控制臺(tái)遠(yuǎn)程操作的目的，節(jié)省操作步驟，提高工作效率。

圖6 上位機(jī)操作界面

使用上述2種方案對(duì)變頻器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后，A型號(hào)電機(jī)均能正常進(jìn)行出廠試驗(yàn)，得到有效的試驗(yàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)（圖7）。

圖7 A型號(hào)電機(jī)出廠試驗(yàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)

綜上，方案一和方案二均能解決變頻器的現(xiàn)有故障，但是2種方案有不同適用特點(diǎn)，方案一適用于高頻大功率的電機(jī)，而方案2適用于低頻大功率的電機(jī)，通過(guò)對(duì)2種方案的靈活運(yùn)用，可適當(dāng)擴(kuò)充該變頻器的試驗(yàn)電機(jī)覆蓋范圍。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上故障原因的查找、分析及采取解決措施，圓滿地解決了高速永磁電機(jī)試驗(yàn)時(shí)變頻器無(wú)法起動(dòng)的難題，避免了因變頻器故障而造成產(chǎn)品交期延遲，同時(shí)試驗(yàn)人員對(duì)變頻器的控制方式、變頻器的控制算法及高頻降容有了更清晰的了解，可以更好的為以后新產(chǎn)品的試驗(yàn)提供參考，積累了變頻器聯(lián)調(diào)試驗(yàn)故障分析和處理經(jīng)驗(yàn)。