常见电动机和驱动器问题_【TPI第三方检验】

常见电动机和驱动器问题...

电动机和驱动器通常用于在家庭、商用、工业、娱乐、政府以及其他需要可控旋转输出的应用中做功。此类应用中的问题通常涵盖了大多数电气系统中发生的常见问题，以及某些与应用要求、控制要求和环境状况相关联的不太常见的问题。大多数电动机和驱动器应用中可能

出现的问题包括：

• 保险丝烧断和断路器跳闸

• 设备由于潮湿、污垢、腐蚀、光照、使用不当以及设备设计无法承受的其他条件而损坏

• 由于老化、过度使用、尺寸不足、未对准以及诸如相位损失、瞬时电压、谐波和电压暂降与骤升等异常电力状况而导致的损坏

电动机问题

在电动机正确安装、尺寸合适并连接到电源的情况下，电动机是电气设备中最为可靠的部件之一。电动机运行十年甚至更长时间而很少或根本无需维护的情况并不罕见。然而，由于电动机可能并且确实会发生故障，因此 OEM 和最终用户在一百多年来一直在探索电动机失灵的原因，从而提供了有关常见电动机失灵和故障原因的记录。

单相运行

单相运行是由于加到三相 (3φ) 交流感应电动机其中一个相的电压完全丢失，而且难以在正常运行的情况下检测到该问题。在变速驱动器(VSD) 应用中，单相运行通常是由于电动机与驱动器间线缆的任意一端或者其中某根导线断开连接。还可能是绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 由于存在开路而发生故障，而某些 VSD 可以从内部检测到这一情况并进行提示。绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 是一种用于快速开关电路的固态、三端设备。

单相运行是 3φ 感应电动机故障的一个较为常见的原因。当发生单相运行时，其他两个相位绕组必须传导更多的电流，从而产生更多的热量并导致过早老化。单相运行可能检测不到，因为即使温度升高甚至可能发生转矩损失，电动机仍会继续运行。此外，在电动机端子处进行的电压测量读数接近正常，因为电动机的运动会将电压感应到断开的绕组。因此，在所有相位上进行电流测量，直到检测到断开的相位，是检测单相运行的最佳方法。可能发生单相运行的另一个迹象是，如果电动机停止然后重新启动，可能会反向运转。

过电压反射

VSD 输出脉冲快速上升以及 VSD与电动机之间的线缆较长，会导致比 DC 总线电压高一倍多的过电压反射。反射感应过电压非常危险，因为它会随着时间的推移不断损坏电动机绕组。需要使用便携式示波器来排除此问题。参见下图，于两种波形之间的 Vrms 仅存在很小的差异，因此使用电压表或 DMM无法检测到此问题。便携式示波器是检测反射电压所导致过电压情况的最佳仪器。

首次安装 PWM 驱动器时不会发生反射感应过电压问题。在确定该问题后，对于过电压或振铃问题最简单的解决办法就是截短线缆。参见下图。但是，如果 PWM 应用中的布线无法截短，则可通过以下操作来纠正该问题：

• 在 VSD 输出端子与电动机线缆之间安装一个外部低通滤波器，以延长 PWM 信号的上升时间

• 在 VSD 输出端子与电动机线缆之间安装一个串行线路电抗器（仅限马力较小的应用）

• 在电动机端子上安装一个 RC 阻抗匹配滤波器，以最大程度地减小过电压或振铃效应

注意：所有解决办法都是由合格的工程师针对特定应用而设计的。

可通过为电路添加滤波器或串行线路电抗器来纠正反射感应过电压问题。

警告：反射电压可能会导致高于 DC总线电压两到三倍的峰值电压。因此，我们建议，只要可能存在反射电压，请使用可用的最高等级的检测仪器探头、在尽可能短的时间内，在电动机端子上执行测量。

轴承电流

在电动机中，由于气隙中磁场有小的不对称，不可避免地会产生从定子绕组到转子轴的轴电压。这些不对称性是电动机设计中所固有的。大多数感应电动机都设计有一个对地的最大轴电压，不到 1 Vrms。

当电动机轴电压超过轴承润滑油的绝缘能力时，闪络电流会流向外部轴承，这将使轴承座圈出现点蚀和槽沟。此问题的首要特征是随着轴承开始丧失原始形状以及金属碎片与润滑油混合而增加轴承摩擦，通常会出现异常大的噪音和过热。这会在 VSD 运行的几个月时间内损坏轴承，从而导致成本高昂的电动机维修和停机。

电动机轴承电压还可能产生于内部的静电耦合源，包括皮带驱动的联结器，以及气流经过转子风扇叶片时（例如蒸汽轮机中）。当电动机电源电压为 60 Hz 正弦波时，轴承崩溃电压大约为 0.4 V 到 0.7 V。然而，由于 PWM 驱动器上电压的上升时间很短，因此润滑油的绝缘能力可能会在更高的电压下发生崩

溃（大约 8 V 到 15 V）。这一较高的崩溃电压会产生更高的轴承闪络电流，从而导致在更短的时间内给轴承造成更大的损坏。

通常，轴电压低于 0.3 V 是安全的，不足以产生破坏性的轴承电流。但是，电压达到大约 0.5 V 到1.0 V 可能会产生大于 3 A 的有害轴承电流（轴电压大于 2 V 就会损坏轴承）。

因为轴电压是由于驱动器脉冲的上升时间过短导致的，所以电压的峰值是不一致的，必须使用便携式示波器而不是 DMM 进行测量。即使 DMM 能够检测到峰值，峰值之间的偏差也足以使读数变得不可靠。专用的轴电压探头有助于更加安全地执行轴电压检测。

专用的轴电压探头类似于一个小型的导电刷，将连接到便携式示波器的探头端。它可用于与电动机轴表面建立检测连接

轴电压探头是探头主体延伸出来的一个延伸杆，这样可以在工作点的更安全距离处执行测量。将使用常用导线连接到电动机座以进行接地。必须在电动机达到正常运行温度时测量轴到机座的电压，因为电动机冷却后轴电压可能就不再存在。

漏电流

电动机定子绕组和机座接地之间的电容耦合所产生的漏电流量会随着PWM 驱动器数量的增加而增加，由于所使用的切换频率较高，从而使问题加重。漏电流的增加还会导致接地故障保护中继器出现滋扰跳闸。可以使用阻尼电阻器上的共模电感来减少漏电流。此外，可以在驱动器输出与电动机端子之间使用专用 EMI 抑制线缆。交流电输出上的隔离变压器也可以减少普通模式噪音。

感应电噪音

感应电噪音会显著影响敏感的控制电路（例如转速、转矩、控制逻辑和位置反馈传感器），以及显示指示器和系统控制计算机上显示的输出。由于许多控制输入的范围在 0 V到 5 V 之间（或者最大为 10 VDC），精确率通常为千分之一，因此只有几毫伏的感应噪音可能会导致运行不当。大量的噪音实际上会破坏驱动器和/或电动机。

电气噪音的其他常见来源是中继器和接触器线圈。线圈电路断路导致的瞬时电压会产生几百伏特的尖峰电压，从而在临近线缆中产生几百伏特的噪音。对于敏感的控制电路，应遵循规范的安装实践，使用双绞屏蔽线缆。双绞屏蔽线缆必须与中继器和接触器线圈电路线缆隔离。为中继器和接触器线圈添加缓冲器电路可以降低临近线缆中感应的电弧和噪音。

来自 SCR 控制的直流驱动器、电流来源逆变器、六步驱动器的线路输入上的噪音以及建筑物中的其他高噪音负载也可以导致临近控制缆线中出现多余噪音。电动机布线如果没有屏蔽同时靠近控制线缆，则布线上的高能、快速交换 PWM 信号也可导致这一问题。避免这一问题的最佳方法是，确认线路输入电缆和电动机布线是否包含在单独接地、牢固的金属导线管中。

确定控制电路线缆中是否存在噪音问题需要用到便携式示波器，因为该仪器能捕获和显示 DMM 所不能捕获和显示的噪音及瞬时事件。多通道示波器能够同时形象地显示多个信号，从而进一步增强故障排除功能。可以同时、并列地查看电流和电压信号。

使用便携式示波器时需要特别小心，否则会导致电压测量值过低，噪音就无法被耦合到示波器当中，从而被误认为是控制信号线上的噪音。使用具有短接地导线的探头可以尽量减少由示波器探头在测量中造成的噪音。

伏特/赫兹 (V/Hz) 比

电压频率比决定了交流感应电动机产生的转矩量。如果电动机存在转矩损失，就必须测量 V/Hz 比。便携式示波器可同时显示 PWM 输出的频率以及与电动机铭牌额定值相比较的电压。测量 V/Hz 比可以显示以下元件存在的问题：

• DC 总线电路—频率稳定，电压低、高或不稳定

• IGBT 控制电路—频率不稳定，电压处于指定范围内

• 控制板的速度输入—电压和频率一起波动或电动机的速度下降，但 V/Hz 比却是正确的

电动机的频率和转速

线性频率是指电源的每秒完整电周期数。一个周期是指一个完整的交流电压或电流波。一次交替是指半个周期。周期时间 (T) 是指产生一个完整的波形周期所需的时间。铭牌上一般使用缩写指代电动机的线性频率。例如，以 CY 或 CYC 代表周期，以 Hz 代表赫兹。赫兹 (Hz)是频率的国际单位，等于每秒的周期数。

在美国，60 赫兹是电源线性频率的标准值。在加拿大、墨西哥以及大多数的加勒比国家（如巴哈马和开曼群岛），电源线性频率的标准值也是 60 赫兹。所有其他国家/地区均使用 50 赫兹作为线性频率标准值。在发展中国家/地区（沙特阿拉伯、哥伦比亚、哥斯达黎加等），以及大量使用美国制造的电器产品

的国家/地区，工作频率从 50 赫兹到 60 赫兹不等。

交流电动机的额定频率可以是50 赫兹、60 赫兹或 50/60 赫兹。若改变电动机的频率，电动机的转速也会发生变化。提高电动机的频率将增加电动机转速，而降低电动机的频率将减少电动机转速。对于铭牌额定值为 60 赫兹的电动机，若工作频率为 45 赫兹，则转速为 75%。若工作频率为 15 赫兹，则转速为 25%。

电动机驱动器是用于通过固态设备来控制电动机转速的电子装置。若使用现代的电动机驱动器，则曾经只能在额定转速下运转的电动机能够以高于或低于额定转速的速度运转。虽然电动机驱动器能够以高于其额定转速的速度运转，但如此操作通常很不安全。如果以高于安全值的速度运转电动机，可能会导致电动机在操作时中断，产生危险。

大多数电动机制造商都会将其电动机的安全转速设为高于铭牌额定转速 25％。正因为如此，建议不要以超过铭牌额定转速 20％或更高的转速操作电动机。为了确保最高频率介于电动机铭牌额定值的+20％或更小范围内，若电动机铭牌额定值为 50 赫兹，则“最高频率”参数应设置为不超过 60 赫兹；若电动机铭牌额定值为 60 赫兹，则“最高频率”参数应设置为不超过72 赫兹。见图 1-7。

操作者可以使用开关和电位器或键盘来设置电动机驱动器，并为其编程。例如，电动机驱动器可以使用双位开关和电位器来设定电动机的运转条件。电动机驱动器允许设置最大频率输出，此设置也就规定了电动机的最高运转速度。如需设置电动机驱动器的最大频率输出，可按照下列步骤进行：

1. 根据电动机铭牌上的频率信息，将双位开关设置为 50 赫兹或 60赫兹。

2. 将高频电位器设定在“额定”位置，并根据开关位置将驱动器的频率输出限制为 50 赫兹或60 赫兹。

3. 从“额定”位置将高频电位器设置为最高 70 赫兹。

虽然也可以使用开关和电位器对电动机驱动器进行设置和编程，但是大部分电动机驱动器都使用键盘来对驱动器的电动机运转参数编程。见图 1-8。如需使用键盘为电动机驱动器的最大频率输出编程，可按照下列步骤进行：

1. 确定驱动器制造商使用的参数，以设置驱动器的最大频率输出（可在制造商的操作手册中查询）。

2. 进入程序，并设置最大驱动输出频率。注意：当输入此参数时，将显示“工厂默认”设置（或最后修改值）。

小心：虽然驱动器可采用高于额定值的频率输出，但其设置最高不应超过电动机铭牌功率额定值 20％。如果以高于安全值的速度运转电动机，可能会导致电动机在操作时中断，产生危险。

电动机的频率和电压

控制电动机转速时，交流电动机定子的外加电压的降低幅度必须与频率的降低幅度大致相同。如果电压不随着频率的降低而降低，电动机绕组可能会很快过热，导致电动机损坏。伏特/赫兹 (V/Hz) 比是指施加到电动机的电压与频率之比。将铭牌上标定的额定电压除以铭牌上标定的额定频率，即可计算出 V/Hz 比。例如，对于额定值为230V/50Hz 的电动机，V/Hz 比为 4.6V/Hz（230÷50=4.6）；对于额定值为 230V/60Hz 的电动机，V/Hz 比为3.83 V/Hz；对于额定值为 460V/60Hz的电动机，V/Hz 比为 7.67 V/Hz。

增压涵盖两个独立但密切相关的参数：起动增压和连续增压。低速运转时，某些电动机驱动器应用需要额外的起动转矩，而其他应用则需要额外的转矩，以达到基础速度。起动增压通过在开始时应用较高电压，在起动时提供更高转矩。连续增压通过应用较高电压来提供额外转矩以达到基本速度，但是所用电压不超过电动机铭牌所标示的额定电压。这两个参数将改变V/Hz 曲线，以提供更多的转矩和电流。见图 1-9。

起动增压和连续增压以电压或电动机额定电流的百分比来衡量。两个参数之间会相互作用。不同电动机驱动器制造商的默认设置有所不同。

在约 15 赫兹以上，使 V/Hz 比保持线性所需的电压是一个恒定值。若低于 15 赫兹，外加于电动机定子的电压必须提高，以补偿交流电动机在低速时的较大功率损失。增压的具体数值取决于具体的电动机和电动机的负载类型（恒定转矩或可变转矩等）。见图 1-10。
电动机绝缘等级

因暴露在较热环境中而导致绝缘击穿是电动机发生故障的主要原因。美国电气制造商协会 (NEMA) 根据耐热性规定了电动机的绝缘等级。电动机绝缘分为四个等级：A 级、B 级、F 级和 H 级，并在电动机的铭牌上列出。A 级是最不常用的绝缘等级，因为它的温度等级较低。B 级绝缘最常用于 60 赫兹电动机，F 级则最常用于 50 赫兹电动机。H 级是最高的温度额定绝缘，并应尽可能使用。见图 1-11。

电动机转矩

电动机只能在电动机轴转动负载时工作。电动机必须产生足够的转矩才能开始转动负载，并按照要求保持转动。转矩是指产生旋转的力。电动机转矩是指电动机转动所产生的力。电动机的操作转矩、转速和马力额定值决定了电动机可做的功。连接至负载的电动机产生四种类型的转矩。四种类型的转矩分别是锁定转子转矩 (LRT)、最低起动转矩 (PUT)、极限转矩 (BDT) 和满载转矩 (FLT)。见图 1-12。

锁定转子转矩 (LRT) 是指电动机在其转子固定且施加全部功率时所产生的转矩。电动机必须产生足够的锁定转子转矩，才能使轴开始移动。锁定转子转矩也被称为分离或起动转矩。

最低起动转矩 (PUT) 是指让负载达到额定速度所需的转矩。如果电动机不能产生足够的最低起动转矩，电动机可能转动轴，但无法达到额定转速。最低起动转矩也被称为加速转矩。

极限转矩 (BDT) 是指电动机在其转速没有突降的情况下所能提供的最大转矩。当电动机负载增加时，电动机会产生更大的转矩，直至负载过大使电动机以额定转速运转。

满载转矩 (FLT) 是指在电动机全速状态下产生额定功率所需的转矩。当电动机以额定电压和电流运转时，虽然满载转矩等于电动机铭牌所标示的额定功率，但是对于大多数应用而言，电动机驱动负载时不应该 100％（满载）运转。

电动机转矩、转速和马力的关系

电动机的操作转矩、转速和马力额定值决定了电动机可做的功。驱动负载时，操作转矩、转速和马力相互联系。电动机满载时，它产生满载转矩。如果电动机欠载，它会产生比满载转矩更小的转矩。如果电动机过载，它必须产生比满载转矩更多的转矩，才能使负载以电动机的额定转速运转。见图 1-13。电动机负载类型

电动机可用于驱动许多不同类型的负载。当以不同转速运转时，电动机负载需要恒定转矩 (CT）、可变转矩 (VT) 或恒定马力 (CH)。由于电动机驱动器必须根据电动机所需驱动的负载类型进行设置或编程，所以必须了解每个电动机负载类型。见图 1-14。

恒定转矩

恒定转矩负载 (CT) 是一种电动机转矩要求保持不变的负载。运转速度的任何变化都需要马力的变化。恒定转矩负载包括会产生摩擦的各种负载，如传送带、齿轮传动机械、起重设备，以及其他能够以不同的速度运转的负载。

可变转矩

可变转矩负载 (VT) 是一种在不同速度下需要可变转矩和马力的负载。承受可变转矩负载时，电动机必须做更多功，才能以更快的速度提供更多的输出。转矩和马力都会随着速度的增加而增加。可变转矩负载包括泵、风机、搅拌机及搅拌器。

恒定功率

恒定马力负载 (CH) 是一种要求低速高转矩和高速低转矩的负载。由于转矩的要求随着速度的降低而增加，所以马力维持不变。恒定马力负载包括生产制造设施中使用的纸张、金属和织物缠绕设备。

当使用驱动器控制电动机时，必须根据负载类型对驱动器进行设置或编程。若要对负载类型进行设置或编程，通常需要确定负载类型，并针对特定类型的应用对驱动器进行设置或编程。

如果必须进行验证、建档或分析，可使用便携式示波器捕获和显示不同的设置和电路工作条件下的测量值。例如，当电动机驱动器被设定在“CT”（恒定转矩）位置和“P＆F”（泵和风机）位置时，可以捕获独立的测量值。采用 CT 设置

时，驱动器以更低和更高的速度输出更高的功率，以维持负载上的恒定转矩。此外，采用 P＆F 设置时，驱动器以低速输出较低的功率。当更多的液体或空气以更高的速度移动时，功率增加。见图 1-15。