高速永磁電機試驗時變頻器無法起動的故障分析與解決

羅 亮，陳國橋，賓 倩

（中車株洲電機有限公司 株洲 412000）

1 序言

高速永磁變頻電機指轉速超過10000r/min，一般都是幾萬轉甚至達到幾十萬轉。電機具有轉速高，尺寸小、功率密度大、效率高等優點，在制冷離心壓縮機、飛輪儲能、機床等諸多場合具有廣泛的應用[1]。高速電機的可靠性需在出廠時進行相關的測試。本文在對A型號高速永磁電機（315kW/600A）試驗時發現，變頻器設置好參數并對電機進行自學習后電機無法起動，試驗時報過流和轉速偏差過大故障（故障代碼：E42，如圖1），同時電機發出異常的電磁噪聲。而前期B型號電機（165kW/280A）試驗時變頻器運行正常，未出現此類似狀況。

圖1 變頻器故障顯示

該變頻器故障導致A型號高速永磁電機無法正常進行出廠試驗，該故障將嚴重影響產品的生產效率和交付周期，須深入分析該故障產生的原因，盡快排除故障以恢復試驗，完成電機交付。本文對出廠試驗時變頻器無法起動進行分析，進而就該問題提出一個行之有效的解決方案。

2 問題分析

2.1 查找故障原因過程

采用頭腦風暴法，項目小組從人、機、料、法、環五個方面對變頻器啟動故障的原因進行了分析，繪制了如下魚骨圖：

圖2 故障原因分析魚骨圖

2.1.1 人員方面

試驗人員均參與了該變頻器與其他電機的試驗，熟練掌握了變頻器的使用方法，經自檢互檢，沒有發現操作錯誤問題，因此人員方面的問題可以排除；

2.1.2 機器（設備）方面

檢查變頻器輸入電壓和母線電壓，均正常。逐個檢查輸入變頻器的電機參數，電機參數均設置正確，起動變頻器對電機進行自學習，檢查變頻器自學習反饋回的交軸電感和直軸電感等參數，均在正常范圍內，由此可認為變頻器自學習功能正常。

更換變頻器控制模式，將控制模式由開環矢量控制更改為V/F控制，電機能夠正常起動，且轉速和電流都很穩定，由此可認為變頻器在硬件上是正常的，能夠有效輸出電壓、電流。因為永磁同步電機在V/F控制模式下存在失步風險，所以高速永磁電機因其轉速較高的原因無法在V/F控制模式下進行出廠試驗，因此還需要對故障原因進行深入排查[2]。

2.1.3 物料（電機）方面

再次檢查電機直流電阻值、絕緣電阻及反電動勢等參數，電機各項參數均在正常范圍內，將電機與配套變頻器進行負載試驗（圖3），電機在額定工況下運行正常，由此可確定電機狀態正常，故障原因不在電機側。

圖3 電機與配套變頻器負載試驗配置

2.1.4 環境方面

試驗環境溫濕度、噪聲、電磁干擾等均滿足試驗條件，可以排除該因素。

2.1.5 方法（參數設置）方面

接線方面：經反復檢查電機和變頻器接線，未發現接線錯誤，該原因可排除。

變頻器參數設置方面：將控制模式重新更改為開環矢量控制，變頻器仍然報轉速偏差過大故障。用示波器檢測電機起動時變頻器輸出的電壓電流波形（圖4），發現變頻器在起動過程中起動電流非常大（超過電機額定電流）且電流波形三相不對稱，由于電機為變頻起動，且電機運行狀態為空載，電機起動電流理論上很小，由此可初步判定電機起動故障的原因在開環矢量控制模式的控制方式上[3]。

圖4 電機起動過程中電壓電流異常波形

仔細檢查變頻器開環矢量控制模式的控制參數設置，發現將變頻器輸出最大頻率設置為600Hz時（電機額定頻率為400Hz），電機能夠正常運行，且轉速、電流等參數均正常并且運行很穩定（圖5）。但是將變頻器最大頻率設置為1000Hz后（技術協議要求變頻器具備1000Hz輸出能力），起動電機時變頻器報轉速偏差過大故障。

圖5 電機正常運行時的電流電壓波形

2.2 故障產生原因確定

為了使變頻器具備1000Hz輸出能力，滿足技術協議要求，我們查閱了大量變頻器相關技術資料并與變頻器廠家人員不斷溝通，了解到當修改變頻器最大頻率時，變頻器相應的載波頻率也要相應變大，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置為1000Hz時，A型號電機的額定電流值超過了變頻器的輸出能力，變頻器的控制算法是根據變頻器自身參數自動調節輸出電流軟件保護值，當電機額定電流大于變頻器輸出電流軟件保護值時，變頻器無法起動。

3 解決方案

針對以上故障原因進行分析，進而提出了以下2種解決方案：

方案一：保持變頻器最大輸出頻率參數1000Hz不變，將電機的額定電流參數做相應的折算后再輸入變頻器，如上文中的A型號電機將變頻器內電機額定電流參數設置為實際值的60%后，電機即能夠正常運行。

方案二：在變頻器內設置電機參數時同時更改變頻器的最大輸出頻率參數，使變頻器最大輸出頻率略大于電機最高運行頻率，這樣設置可不用對電機參數進行任何折算處理電機即可正常運行。并且與試驗臺承建廠家溝通后，在上位機軟件添加上述參數的修改的功能（圖6），以達到在控制臺遠程操作的目的，節省操作步驟，提高工作效率。

圖6 上位機操作界面

使用上述2種方案對變頻器參數進行設置后，A型號電機均能正常進行出廠試驗，得到有效的試驗振動數據（圖7）。

圖7 A型號電機出廠試驗振動數據

綜上，方案一和方案二均能解決變頻器的現有故障，但是2種方案有不同適用特點，方案一適用于高頻大功率的電機，而方案2適用于低頻大功率的電機，通過對2種方案的靈活運用，可適當擴充該變頻器的試驗電機覆蓋范圍。

4 結 語

通過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試驗時變頻器無法起動的難題，避免了因變頻器故障而造成產品交期延遲，同時試驗人員對變頻器的控制方式、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品的試驗提供參考，積累了變頻器聯調試驗故障分析和處理經驗。