利用电气特征分析检测脉冲宽度调制电机驱动器故障

工业界对交流电机驱动器的使用不断增加，脉宽调制驱动器（PWM）已成为中低马力应用的通用工业标准。 与电机系统内的其他组件一样，PWM 驱动器也有不同的故障模式，电工在排除故障时通常会使用数字万用表 (DMM)、数字示波器和电能质量分析仪。 这三种仪器的确可以让电工排除与输入电源和电机驱动有关的故障，但对电机本身和电机驱动负载的故障检测能力有限。 此外，由于这些仪器都是独立的，提供的报告功能可能有限，因此很难进行预测性维护（PdM）或基于状态的维护（CBM）测试。

与 DMM、示波器和电能质量分析仪相比，电气特性分析 (ESA)在可靠性测试方面具有明显的优势。 此外，除了评估输入电源和电机驱动装置的状况外，它还将评估电机和驱动负载的状况，以了解许多常见的故障模式。

关于欧空局

ESA 是一种在线测试方法，可在电机系统运行时捕捉电压和电流波形，然后通过快速傅立叶变换 (FFT) 在提供的软件中进行频谱分析。 通过该 FFT，可检测出与输入电源、控制电路、电机本身和驱动负载有关的故障，并可为 CBM/PdM 目的进行趋势分析。 我们的特殊欧空局仪器是手持式、便携式和电池驱动的。

所有 ESA 分析系统都需要电机铭牌上的电压、运行速度、满载电流和马力（或千瓦）信息。 此外，还可输入转子杆和定子槽数、轴承零件编号等可选信息，以及驱动负载组件的信息，如风扇的叶片数或齿轮箱的齿数，以便进行更详细、更准确的分析。

由于 ESA 对很多人来说都很陌生，下面的图表说明了 ESA 检测到的一般故障。 见图 1。

本文将讨论 PWM 驱动器的三种常见故障：

1) 整流桥中的输入二极管开路。

2) 中间直流电路的电容器故障。

3) 绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 损坏。

在这三种故障中，电容器故障是最难早期发现的，因为通过监测电机的性能无法立即发现这种情况。

关于驱动器

图 2 展示了 PWM 电机驱动器的基本模块，包括输入交流电源、整流输入交流电压的全波二极管桥、包含电容器的中间直流电路、逆变桥和电机。

使用 ESA 进行测试时，电压和电流连接至被测电机系统。 连接通常在电机控制中心进行，使用提供的便携式电压探头和便携式电流互感器，或事先安装的专用接线盒。 接线盒的优势在于无需打开电机控制面板就能获取数据，从而实现所需的连接。

在 PWM 应用中，应采集两组数据，一组在 PWM 驱动器的输入端，另一组在 PWM 驱动器的输出端。 整个数据采集过程（连接完成后）大约需要 4 分钟，此时不需要电机铭牌信息。 这些信息可以在以后进行数据分析时输入。

然后使用提供的软件查看数据文件，并生成 Microsoft® Word 报告。 该软件提供了易于使用的工具，用于处理不同的分析光谱。 无需生成完整报告即可查看软件结果。

软件会自动报告以下信息：

功率因数、电流不平衡、电压不平衡和电压有效值与铭牌、负载与铭牌、相位连接、转子健康状况、定子电气和机械健康状况、转子/定子气隙、总谐波失真（电压和电流）、错位/不平衡指示和轴承健康状况。

它还能报告电压和电流峰值和峰值因数、相位阻抗、功率（视在功率、实际功率和无功功率）、运行速度和线路频率。 对于交流感应电机和直流电机，它还能计算电机效率。

普通熟练用户可在 10 分钟内对每个电机进行全面分析并生成报告。

案例一

一号案例是纽约州科特兰市 EMA 公司维修站收到的一台电机驱动器。 驱动器和电机在测功机上进行测试。

收集了两组数据。 第一组是在驱动器输入端捕获的波形，第二组是在驱动器输出端捕获的波形。 第二组数据包括电压和电流波形捕获，以及 50 秒的电压和电流波形。

图 6 显示了 C 相的输入电流波形。 这是二极管开路造成的。

ESA 自动生成的报告可识别电流不平衡和过大的谐波失真，这是由二极管开路造成的。

报告的第一页只是一个摘要，另外还有几页详细介绍了每个主要标题。 如图所示，大电流相位不平衡将损坏 PWM 驱动器的内部元件，并可能对馈电给电机驱动器的电源变压器造成压力

案例二

EMA 收到的第二个维修案例涉及电容器组中老化的电容器。 问题是，当这些电容器开始老化和损坏时，电机的性能不会有任何明显的变化。 一旦电容器开始失效，好的电容器就会承载额外的电流，从而在电容器中产生过多的热量，而额外的热量会加速剩余电容器的失效。 这些电容器都有通风口，以排出内部过大的压力，但如果通风不够快，这些电容器就有可能爆炸。 此外，提供给电机的过高纹波电压还会导致电机产生谐波电流。 这些谐波电流会产生负序转矩，使电机性能变差，并在电机内部产生额外的破坏性热量。

图 9 显示的是驱动器输出端的电压，这是在电容器状态良好的情况下的良好驱动器。

案例三

EMA 收到了 3 号案件，要求维修。 输出波形显示 IGBT（绝缘栅双极晶体管）未开启。 这会造成电流不平衡和波形失真。

总结

总之，DMM、示波器和电能质量仪器为 PWM 电机驱动器提供了良好的故障排除能力。 然而，由于数据收集和报告方面的限制，它们不能很好地集成到电机可靠性测试程序中。 此外，它们提供的有关常见电机和负载相关问题的信息也很少。

通过电气特性分析，可靠性技术人员可以查看从输入电源到驱动负载的整个电机系统。 在 PWM 应用中，连接电压和电流后，数据采集时间不超过 4 分钟。 通过这 4 分钟的测试过程，在驱动或电机故障导致电机系统失效之前，完整的 8 项分析可快速发现整流二极管故障、直流母线电容器不良和 IGBT 故障等问题。

值得注意的是，在这三种情况下，电机可能仍在运行，这取决于负载和其他运行因素，但系统继续运行的确定性受到影响。 ESA 能够在电机或 PWM 驱动器发生额外损坏之前及早发现这些故障，这将有助于最大限度地减少昂贵的停机时间，提高设备的可靠性，并有可能避免对设备造成灾难性的损坏或人员伤害。

关于作者

Richard Scott 是 ALL-TEST Pro, LLC 的全国销售经理，Don Haapapuro（CMRP）是大客户经理。 ALL-TEST Pro 是一家便携式测试设备制造商，其产品包括电机电路分析 (MCA)、电气特性分析 (ESA) 和电能质量分析 (PQ)，用于电机、发电机、变压器、线圈和绕组的预测性维护测试、质量控制和故障排除。 ALLTEST PRO® MCA 仪器可早期检测电气故障，包括：绕组故障、相位不平衡、转子故障和接地故障。 ALL-TEST PRO® ESA 和 PQ 仪器提供从输入电源、电机到驱动负载（电气和机械）的自动分析。 仪器为手持式，电池供电，使用方便，几乎可以测试任何尺寸或类型的电机、发电机或变压器，甚至可以从远程位置进行测试。 网站是 www.alltestpro.com。

Dean Williams 是 EMA 公司的技术服务副总裁，在纽约州科特兰服务中心工作。 EMA 销售和服务电机驱动器，并提供正确排除电机驱动器故障的培训。 网站是 www.emainc.net。

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