PWM脉宽调速电机系统故障排-发表电力职称论文

分类：电力论文发表 时间：2011-06-02 08:52关注：(1)

PWM脉宽调速电机系统故障排

谢金华

摘要：脉宽调制（PWM）电机驱动器已成为交流调速电机驱动器的首选，特别是对低功率的应用。该技术与其它配置相比控制简单、灵活和动态响应好具有明显优点，而成为电力电子技术最广泛的应用的控制方式，原因是它的成本通常不高且效率高。

关键词：PWM脉宽、脉冲、驱动器、输入、输出、谐波

为了更好的了解使用PWM驱动器时通常所遇到的问题，首选让我们了解一下可变速驱动器的基本构成部分。它的电路简单明了：输入电路包含一个全波二极管桥路，它可以对电源电压进行整流，并将电容器组充电至与输入电压的半波峰值相等的直流电压。驱动器的输出级包含一些快速开关功率晶体管，可将直流电压斩波为一系列施加到电机导线的窄电压脉冲。脉冲的高度与电容器组上的直流数值相同，但脉冲的宽度经过调制（或改变），使得电机的电流接近于一个正弦波。驱动器电路可以非常高效，因为输入二极管和输出晶体管都不会产生很多热量。

一般来说，调速电机驱动器方面的问题可以分为两类：

1、 由驱动器的输入电路产生的电力线谐波。

2、 有输出电路引起的电机问题。

我们排查故障时，将输入和输出分别进行测试，在输入端，需要测量真有效值电流以及谐波电流和功率因数。在输出端，检查电机电流和电机电压。解决方法如下。

输入端：降低驱动器输入处的谐波

如果驱动器与一个三相电源系统相连，则任一相上的电流波形将会具有与图1相类似

 

图1 三相PWM驱动器的输入电流波形和相关频谱

的双顶波形。这种波形通常五次和七次谐波，如所随的频谱所示，可以用谐波滤波器来降低这些谐波。当使用一个单一大型驱动器时，可以在驱动器输入端安装一个陷波滤波器的典型配置如图2所示。电容的值由驱动器的功率额定值决定，所选择的电感要使电路在略微低于五次谐波的频率上发生谐振。这些值会大大降低到达用电位置的五次和七次谐波的量，另外，电容器将要50HZ电源频率处提供功率因数校正。

输出端：排查电机问题

绕组绝缘故障是电机问题的主要原因。绝缘损坏就意味着进行更换或重新缠绕，绕组绝缘故障可能源于过热、电压过高或两者都有。一个使用不当的可变速驱动器可能会同时出现这两种情况。当驱动器与电机之间的距离超过驱动器厂商的最大电缆长度规格时，就可能会产生过电压。在驱动器输出端，非常快速的上升脉冲正在被送到具有分布的电感和电容的一组导体中，这就说，电缆就像是一个传输线路。每个脉冲都以接近光速的速度沿电缆行进。当上升沿碰到电机电感时，它就会反射回电源并在这里加到脉冲的基本值上。所得的组合会给每个脉冲的上升沿加上一个尖峰脉冲。这些脉冲可能高达基本脉冲的两倍。电缆越长，这问题越糟糕。（参见图3）如果你计划在离电机的距离超过驱动器厂商规定的最大电缆长度规格的位置安装一个可变速驱动器，则一定要解决有关输出滤波器或降低过电压尖峰问题的处理方案。

 

图3 驱动器和电机之间具有很长电缆的PWM驱动器输出上的电压波形

第二个绝缘故障类别是过热。温度升高时铜损过高、冷却不足或二者组合引起的。电机过热问题常常可归结为电机转矩能力和负载要求之间的不匹配。请记住，转矩由电流产生，而铜损与电流的平方成正比。如果负载时一条要求在低转速下具有高转矩而没有什么冷却的传送带，在电机规格不适当时就产生过热。另一方面，如果负载是遵守流体力学定律的泵或风机，则转矩要求将随转速的增加而下降。当驱动器与特定电机和负载组合匹配时，一个重要的测量参数就是驱动器输出的电压频率的乘积。请使用具有电磁干扰屏蔽能力的测试工具。在可变速输出端子上快速上升的时间脉冲附近进行测量。

总论：在调速电机的故障排查中，首选要确定调速电机的驱动器还是电机故障。驱动器的主要功能是将输入电压的振幅转换成宽度一定的脉冲，换句话说振幅资料转换成脉冲宽度，矩形的脉宽调制的特点是输出脉宽是等宽的，只能控制一定次数的谐波；而正弦波脉宽调制的特点是输出脉宽是不等宽的，宽度按正弦规律变化，输出波接近正弦波。PWM控制信号产生脉宽是该技术的关键。实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的方向之一，使驱动器输出控制信号尽量减少一些高频谐波。对于电机故障，就必须熟悉电机的常见故障的特点和原因，才能少走弯路、节省时间。做驱动器和电机的定期检查和维护也是保证调速电机的安全运行、延长寿命的有效措施。