五大测试要点以了解电动机驱动器的效率和性能
发布日期:2022-08-21
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根据美国能源部 (DOE) 的数据，电机系统对几乎所有工厂的运行都至关重要，占到全部用电量的 60% 至 70%。DOE 还将变频驱动器 (VFD) 确定为可让工厂实现显著成本节约的来源。不足为奇的是，电机驱动器在许多行业和设施中都普遍使用。为了确保这些电机系统的正常运行时间，执行维护和故障排除成为了第一要务。
测试电机驱动器所面临的挑战
电机驱动器（也称为变频驱动器 (VFD)、变速驱动器 (VSD) 或可调速驱动器 (ASD)）的故障排除和测试通常由专家使用包括示波器、万用表或其他工具在内的多种测试仪器来执行。这些测试可能涉及使用古老的排除法进行一定程度的试错。由于电机系统的复杂性，测试通常每年进行一次，除非系统开始出现故障。考虑到设备通常缺乏工作历史记录或工作历史记录不完整，确定从哪里开始测试可能会存在问题。这包括记录以前执行的特定测试和测量、已完成的工作或单个组件的调整后状况。测试技术的进步消除了一些挑战。更新的仪器如 Fluke Motor Drive Analyzer（MDA-510 和 MDA-550）旨在使电机驱动器测试更高效、更富有洞察力，并能分步记录整个过程。这些报告可以保存起来，并与随后的测试结果进行比较，以便更全面地了解电机驱动器的维护历史。
更简单的 VFD 故障排除方法
这些高级电机驱动器分析仪将仪表、手持式示波器和记录仪的功能与熟练讲师的指导相结合，采用屏幕提示、清晰的设置图和电机驱动器专家编写的分步说明来指导您完成基本测试。这种分解和简化复杂测试的新方法使经验丰富的电机驱动器专家能够快速自信地工作，以获得他们所需的详细信息。它还为经验不足的技术人员开辟了更快开始电机驱动器分析的途径。
通过在系统内的关键点实施一组标准测试和测量，可以找到电机驱动器系统故障的根本原因，或者执行例行预防性维护检查。从电源输入端开始，在整个系统中采用不同的测量技术和评估标准完成关键测试，最后在输出端结束。
以下是用于电机驱动器故障排除的基本测试：
请注意，Fluke Motor Drive Analyzer 会引导您完成这些测试，并自动进行许多所需的计算，使您能够对结果充满信心。另外，您几乎可以在任何测试点将数据保存到报告中，这样您就能将文档上传到计算机化维护管理系统 (CMMS) 中或者与同事或咨询专家共享。
安全提示：在开始测试之前，请务必阅读产品安全须知。请勿独自工作，请遵守当地和国家安全规范。穿戴个人防护用品（经认可的橡胶手套、防护面罩和阻燃衣物等），以防在危险带电导体外露时遭受电击和电弧而受伤。
要使用 Fluke Motor Drive Analyzer 开始每个测试，只需根据图表连接测试探针，然后按“下一步”。
测试
2.直流总线
驱动器输入测试中的分步式测量连接指导
1.驱动器输入
为了确定驱动器的馈电电路是否存在可能影响电源接地的失真、干扰或噪声，首先应该对电机驱动器的电源进行分析。
测试
将驱动器的标称额定电压与实际供给电压进行比较，能够快速查看数值是否处于可接受的限值范围之内。超出此范围 10% 以上表示电源电压存在问题。确定输入电流是否处于最大额定范围之内，以及导线规格是否合适。
· 将测得的频率与指定频率进行比较。频率差超过 0.5 Hz 可能会导致问题。
· 检查谐波失真是否在可接受的范围内。目视检查波形形状，或查看同时显示总谐波失真和单个谐波的谐波频谱屏幕。例如，平顶波形可以指示连接到同一馈电电路的非线性负载。如果总谐波失真 (THD) 超过 6%，则可能存在问题。
· 检查输入端子上的电压失衡，从而确保相位失衡不会过高（小于 6% - 8%）且相位旋转正确。电压失衡读数偏高表明出现断相。读数超过 2% 可能导致电压缺口，并引起驱动器过载故障保护装置跳闸或干扰其他设备。
· 电流失衡测试。过度失衡可能表示驱动器整流器存在问题。电流失衡读数超过 6% 可能表示电机驱动器的逆变器存在问题，并且会造成问题。
2.直流总线
驱动器内部的交流-直流转换至关重要。为获得最佳驱动器性能，必须要保证电压正确、充分滤波并保持低纹波水平。高波纹电压可能说明电容器存在故障或所连接电机的规格不正确。Fluke MDA-500 系列 Motor Drive Analyzer 的记录功能可在承受负载时的工作模式下对直流总线的性能进行动态检查。还可以使用 Fluke ScopeMeter® Test Tool 或高级万用表进行此测试。
测试
直流总线上的纹波
· 确定直流总线电压是否与输入线电压的峰值成正比。除了可控整流器外，电压应约为 RMS 线电压的 1.31 到 1.41 倍。低直流电压读数会使驱动器跳闸，这可能是由低输入电源电压或输入电压失真（如平顶）造成的。
· 检查线电压峰值振幅是否有任何失真或误差。这可能会导致过电压或欠电压错误。直流电压读数与标称电压相差 +/-10% 可能表示存在问题。
· 确定交流纹波的峰值是否具有不同的重复水平。在交流-直流转换后，直流总线上将保留一个微小的交流纹波分量。超过 40 V 的纹波电压可能是由电容器故障或驱动器额定值对于所连接的电机或负载过小造成的。
驱动器输出端上的电压和电流
3.驱动器输出
测试驱动器输出对于电机的正常运行至关重要，并且可以为驱动器电路中的问题提供线索。
测试
· 确定电压和电流是否处于限值范围内。高输出电流可能会使电流变热，从而降低定子的绝缘寿命。
· 检查电压/频率比 (V/Hz) 以确保其处于电机的指定限值范围内。高比率可能会使电机过热；低比率会使电机失去扭矩。稳定的频率和不稳定的电压可能表明直流总线问题；不稳定的频率和稳定的电压可能表明开关 (IGBT) 问题。频率和电压都不稳定表明速度控制电路可能存在问题。
· 检查驱动器输出时，重点是测量电压频率比 (V/F) 和电压调制。当 V/F 比率的测量值偏高时，电机可能过热。当 V/F 比率偏低时，所连接的电机可能无法在负载上提供所需的扭矩，导致无法充分地执行预期的流程。
· 使用相间测量检查电压调制。高电压峰值可能会损坏电机绕组绝缘并导致驱动器跳闸。电压峰值超过标称电压 50% 以上会产生问题。
· 检查驱动器读数指示的开关脉冲的陡度。脉冲的上升时间或陡度通过 dV/dt 读数（电压随时间的变化率）来表示，此读数应与电机的指定绝缘值进行比较。
· 测试相位对直流的开关频率。识别电子开关或接地是否存在潜在问题，信号上下浮动时可能表明存在问题。
· 测量电压失衡情况，最好是在满载条件下进行。电压失衡不应超过 2%。电压失衡会造成电流失衡，从而导致电机绕组过热。失衡的原因可能包括驱动器电路故障。如果一个相位出现故障，则被称为“单相运行”，这可能会使电机发热，停机后无法启动，大幅降低效率，并且可能损坏电机和所连接的负载。
· 测量电流失衡，对于三相电机，电流失衡不应超过 10%。电压偏低时的较大失衡可能表明电机绕组短路或相位对地短路。失衡较大还可能会导致驱动器跳闸、电机温度过高和绕组烧毁
4.电机输入
为电机输入端子供应电压至关重要，而合理地选择驱动器与电机之间的布线同样关键。错误的布线选择会导致驱动器和电机由于电压峰值过高而损坏。这些测试与上述驱动器输出测试基本相同。
测试
· 检查端子上的电流是否处于电机额定值范围内。电流过高情况会导致电机过热并且缩短定子绝缘的寿命，从而导致电机过早出现故障。
· 电压调制有助于识别可能损坏电机绝缘的对地高电压峰值。
· 电压失衡会严重影响电机的使用寿命，并且可能是逆变器故障的征兆。这可能导致电压缺口，并引起过载故障保护装置跳闸。
· 电流失衡可能表明电压失衡或驱动器整流器问题。
5.电机轴电压
来自电机驱动器的电压脉冲会在电机定子至转子间发生耦合，从而导致转子轴上出现电压。当这种转子轴电压超过轴承润滑脂的绝缘电压时，可能会出现闪络电流（火花），从而导致电机轴承座圈发生点蚀和槽蚀，这种损坏可能导电机过早出现故障。
测试
测量电机机架和驱动轴之间的电压。例如，MDA-550 为此目的提供了一款碳纤维刷探针。该测试可轻松检测是否存在破坏性的闪络电流，同时，脉冲振幅测量和事件计数功能则让您能够在发生故障之前采取措施。
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