高速永磁电机试验时变频器无法起动的故障分析与解决

罗 亮，陈国桥，宾 倩

（中车株洲电机有限公司 株洲 412000）

1 序言

高速永磁变频电机指转速超过10000r/min，一般都是几万转甚至达到几十万转。电机具有转速高，尺寸小、功率密度大、效率高等优点，在制冷离心压缩机、飞轮储能、机床等诸多场合具有广泛的应用[1]。高速电机的可靠性需在出厂时进行相关的测试。本文在对A型号高速永磁电机（315kW/600A）试验时发现，变频器设置好参数并对电机进行自学习后电机无法起动，试验时报过流和转速偏差过大故障（故障代码：E42，如图1），同时电机发出异常的电磁噪声。而前期B型号电机（165kW/280A）试验时变频器运行正常，未出现此类似状况。

图1 变频器故障显示

该变频器故障导致A型号高速永磁电机无法正常进行出厂试验，该故障将严重影响产品的生产效率和交付周期，须深入分析该故障产生的原因，尽快排除故障以恢复试验，完成电机交付。本文对出厂试验时变频器无法起动进行分析，进而就该问题提出一个行之有效的解决方案。

2 问题分析

2.1 查找故障原因过程

采用头脑风暴法，项目小组从人、机、料、法、环五个方面对变频器启动故障的原因进行了分析，绘制了如下鱼骨图：

图2 故障原因分析鱼骨图

2.1.1 人员方面

试验人员均参与了该变频器与其他电机的试验，熟练掌握了变频器的使用方法，经自检互检，没有发现操作错误问题，因此人员方面的问题可以排除；

2.1.2 机器（设备）方面

检查变频器输入电压和母线电压，均正常。逐个检查输入变频器的电机参数，电机参数均设置正确，起动变频器对电机进行自学习，检查变频器自学习反馈回的交轴电感和直轴电感等参数，均在正常范围内，由此可认为变频器自学习功能正常。

更换变频器控制模式，将控制模式由开环矢量控制更改为V/F控制，电机能够正常起动，且转速和电流都很稳定，由此可认为变频器在硬件上是正常的，能够有效输出电压、电流。因为永磁同步电机在V/F控制模式下存在失步风险，所以高速永磁电机因其转速较高的原因无法在V/F控制模式下进行出厂试验，因此还需要对故障原因进行深入排查[2]。

2.1.3 物料（电机）方面

再次检查电机直流电阻值、绝缘电阻及反电动势等参数，电机各项参数均在正常范围内，将电机与配套变频器进行负载试验（图3），电机在额定工况下运行正常，由此可确定电机状态正常，故障原因不在电机侧。

图3 电机与配套变频器负载试验配置

2.1.4 环境方面

试验环境温湿度、噪声、电磁干扰等均满足试验条件，可以排除该因素。

2.1.5 方法（参数设置）方面

接线方面：经反复检查电机和变频器接线，未发现接线错误，该原因可排除。

变频器参数设置方面：将控制模式重新更改为开环矢量控制，变频器仍然报转速偏差过大故障。用示波器检测电机起动时变频器输出的电压电流波形（图4），发现变频器在起动过程中起动电流非常大（超过电机额定电流）且电流波形三相不对称，由于电机为变频起动，且电机运行状态为空载，电机起动电流理论上很小，由此可初步判定电机起动故障的原因在开环矢量控制模式的控制方式上[3]。

图4 电机起动过程中电压电流异常波形

仔细检查变频器开环矢量控制模式的控制参数设置，发现将变频器输出最大频率设置为600Hz时（电机额定频率为400Hz），电机能够正常运行，且转速、电流等参数均正常并且运行很稳定（图5）。但是将变频器最大频率设置为1000Hz后（技术协议要求变频器具备1000Hz输出能力），起动电机时变频器报转速偏差过大故障。

图5 电机正常运行时的电流电压波形

2.2 故障产生原因确定

为了使变频器具备1000Hz输出能力，满足技术协议要求，我们查阅了大量变频器相关技术资料并与变频器厂家人员不断沟通，了解到当修改变频器最大频率时，变频器相应的载波频率也要相应变大，而变频器的电流输出能力与载波频率大小成反比，即载波频率越大变频器的电流输出能力就越小[3]。因此我们将变频器最大输出频率设置为1000Hz时，A型号电机的额定电流值超过了变频器的输出能力，变频器的控制算法是根据变频器自身参数自动调节输出电流软件保护值，当电机额定电流大于变频器输出电流软件保护值时，变频器无法起动。

3 解决方案

针对以上故障原因进行分析，进而提出了以下2种解决方案：

方案一：保持变频器最大输出频率参数1000Hz不变，将电机的额定电流参数做相应的折算后再输入变频器，如上文中的A型号电机将变频器内电机额定电流参数设置为实际值的60%后，电机即能够正常运行。

方案二：在变频器内设置电机参数时同时更改变频器的最大输出频率参数，使变频器最大输出频率略大于电机最高运行频率，这样设置可不用对电机参数进行任何折算处理电机即可正常运行。并且与试验台承建厂家沟通后，在上位机软件添加上述参数的修改的功能（图6），以达到在控制台远程操作的目的，节省操作步骤，提高工作效率。

图6 上位机操作界面

使用上述2种方案对变频器参数进行设置后，A型号电机均能正常进行出厂试验，得到有效的试验振动数据（图7）。

图7 A型号电机出厂试验振动数据

综上，方案一和方案二均能解决变频器的现有故障，但是2种方案有不同适用特点，方案一适用于高频大功率的电机，而方案2适用于低频大功率的电机，通过对2种方案的灵活运用，可适当扩充该变频器的试验电机覆盖范围。

4 结 语

通过以上故障原因的查找、分析及采取解决措施，圆满地解决了高速永磁电机试验时变频器无法起动的难题，避免了因变频器故障而造成产品交期延迟，同时试验人员对变频器的控制方式、变频器的控制算法及高频降容有了更清晰的了解，可以更好的为以后新产品的试验提供参考，积累了变频器联调试验故障分析和处理经验。