變頻器對電機(jī)的損傷

信息來源：發(fā)布時間：2020-07-28閱讀：405

變頻器對電機(jī)的損傷包括兩個方面，定子繞組的損傷和軸承的損傷。這種損傷一般發(fā)生在幾周至十幾個月內(nèi)，具體時間與變頻器的品牌、電機(jī)的品牌、電機(jī)的功率、變頻器的載波頻率、變頻器與電機(jī)之間的電纜長度、環(huán)境溫度等諸多因素有關(guān)。

1、變頻器驅(qū)動與工頻驅(qū)動的區(qū)別

變頻器驅(qū)動電機(jī)的電壓與工頻電壓的區(qū)別:變頻器的基本構(gòu)造包括整流電路與逆變電路兩部分。整流電路為普通二極管與濾波電容構(gòu)成的直流電壓輸出電路，逆變電路將直流電壓變換成脈寬調(diào)制的電壓波形（PWM電壓）。因此，變頻器驅(qū)動電機(jī)的電壓波形是脈寬變化的脈沖波形，而不是正弦波電壓波形。用脈沖電壓驅(qū)動電機(jī)就是導(dǎo)致電機(jī)容易損壞的根本原因。

2、變頻器損傷電機(jī)定子繞組的機(jī)理

脈沖電壓在電纜上傳輸時，如果電纜的阻抗與負(fù)載的阻抗不匹配，在負(fù)載端會產(chǎn)生反射。反射的結(jié)果是，入射波與反射波疊加，形成更高的電壓，它的幅度最大可以達(dá)到直流母線電壓的2倍，大約相當(dāng)于變頻器輸入電壓的3倍。過高的尖峰電壓加在電機(jī)定子的線圈上，對線圈造成電壓沖擊，頻繁的過電壓沖擊會導(dǎo)致電機(jī)過早失效。

變頻器驅(qū)動的電機(jī)受到尖峰電壓的沖擊后，它的實際壽命與很多因素，包括溫度、污染、振動、電壓、載波頻率以及線圈絕緣的工藝等因素有關(guān)。

變頻器的載波頻率越高，輸出電流波形越接近正弦波，這會降低電機(jī)的運(yùn)行溫度，從而延長絕緣的壽命。但是，更高的載波頻率意味著每秒鐘產(chǎn)生的尖峰電壓數(shù)量更多，對電機(jī)的沖擊的次數(shù)更多。對于約60米長的電纜，當(dāng)載波頻率從3kHz提高到12kHz（變化4倍）時，絕緣的壽命從大約8萬小時降低到2萬小時（相差4倍）。

電機(jī)的溫度越高，絕緣的壽命越短，當(dāng)溫度升高到75⁰C時，電機(jī)的壽命只有50%。變頻器驅(qū)動的電機(jī)，由于PWM電壓包含較多的高頻成份，電機(jī)溫度會遠(yuǎn)高于工頻電壓驅(qū)動的情況。

3、變頻器損傷電機(jī)軸承的機(jī)理

變頻器損傷電機(jī)軸承的原因是，有流過軸承的電流，并且這種電流處于斷續(xù)連通的狀態(tài)，斷續(xù)連通的電路會產(chǎn)生電弧，電弧燒毀了軸承。

導(dǎo)致交流電機(jī)的軸承中流過電流的原因主要有兩個，第一，內(nèi)部電磁場不平衡產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，第二，雜散電容引起的高頻電流通路。理想交流感應(yīng)電機(jī)內(nèi)部的磁場是對稱的，當(dāng)三相繞組的電流相等，并且相位相差120⁰時，不會在電機(jī)的軸桿上感應(yīng)出電壓。變頻器輸出的PWM電壓導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部的磁場不對稱時，就會在軸桿上感應(yīng)出電壓，電壓的幅度在10~30V，這與驅(qū)動電壓有關(guān)，驅(qū)動電壓越高，軸桿上的電壓越高。當(dāng)這個電壓的數(shù)值超過軸承中的潤滑油的絕緣強(qiáng)度時，就會形成一個電流通路。軸桿旋轉(zhuǎn)過程中，在某個時刻，潤滑油的絕緣又阻斷了電流。這個過程類似于機(jī)械式開關(guān)的通斷過程，這個過程中會產(chǎn)生電弧，燒蝕軸桿、滾珠、軸碗的表面，形成凹坑。如果沒有外部振動，小凹坑不會產(chǎn)生過大的影響，但是如果有外部振動時，會產(chǎn)生凹槽，這對電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)影響很大。

另外，實驗表明，軸桿上的電壓還與變頻器輸出電壓的基波頻率有關(guān)，基波頻率越低，軸桿上的電壓越高，軸承損傷越嚴(yán)重。

在馬達(dá)工作的初期，潤滑油溫度較低的時候，電流幅度在5-200mA，這么小的電流不會對軸承產(chǎn)生任何損壞。但是，當(dāng)馬達(dá)運(yùn)行一段時間后，隨著潤滑油溫度升高，峰值電流會達(dá)到5-10A，這會產(chǎn)生飛弧，在軸承部件的表面形成小坑。

4、電機(jī)定子繞組的保護(hù)

當(dāng)電纜的長度超過30米時，現(xiàn)代變頻器必然會在電機(jī)端產(chǎn)生尖峰電壓，縮短電機(jī)的壽命。防止電機(jī)出現(xiàn)損傷，有兩個思路，一個是采用繞組絕緣抗電強(qiáng)度更高的電機(jī)（稱為變頻電機(jī)），另一個是采取措施減小尖峰電壓。前一種措施適合于新建的項目，后一種措施適合于對已有的電機(jī)進(jìn)行改造。

目前常用的電機(jī)保護(hù)方法有以下4個：

1在變頻器的輸出端安裝電抗器：這個措施最常用，但是需要注意的是，該方法對于較短的電纜（30米以下）有一定效果，但有時效果不夠理想。

2在變頻器的輸出端安裝dv/dt濾波器：這個措施適用于電纜長度小于300米的場合，價格略高于電抗器，效果有了明顯的改善。

3在變頻器的輸出端安裝正弦波濾波器：這個措施是最理想的。因為在這里，將PWM脈沖電壓變成了正弦波電壓，是電機(jī)工作在與工頻電壓相同的條件下，尖峰電壓的問題得到了徹底的解決（電纜再長，也不會出現(xiàn)尖峰電壓了）。

4在電纜與電機(jī)接口的位置安裝尖峰電壓吸收器：前面幾個措施的缺點是當(dāng)電機(jī)的功率較大時，電抗器或濾波器的體積、重量很大，價格較高，另外，電抗器和濾波器都會導(dǎo)致一定的電壓降，影響電機(jī)的輸出力矩，采用變頻器尖峰電壓吸收器能夠克服這些缺點。航天科工集團(tuán)二院706所開發(fā)的SVA尖峰電壓吸收器，采用先進(jìn)的電力電子技術(shù)和智能控制技術(shù)，是解決電機(jī)損傷的理想設(shè)備。另外，SVA尖峰吸收器還能保護(hù)電機(jī)的軸承。是一種新型的電機(jī)保護(hù)裝置（航天科工集團(tuán)的SVA型號），并聯(lián)連接電機(jī)的電源輸入端。

工作過程如下：尖峰電壓檢測電路實時檢測電機(jī)電源線上的電壓幅度；當(dāng)檢測到電壓的幅度超過設(shè)定的閾值時，控制尖峰能量緩沖電路，使其吸收尖峰電壓的能量；當(dāng)尖峰電壓的能量充滿尖峰能量緩沖器時，尖峰能量吸收控制閥門打開，使緩沖器中的尖峰能量泄放到尖峰能量吸收器，將電能轉(zhuǎn)變成熱能；溫度監(jiān)控器監(jiān)測尖峰能量吸收器的溫度，當(dāng)溫度過高時，適當(dāng)關(guān)閉尖峰能量吸收控制閥門，減小能量的吸收（在保證電機(jī)受到保護(hù)的前提下），避免尖峰電壓吸收器過熱而損壞；軸承電流吸收電路的作用是將軸承電流吸收掉，保護(hù)電機(jī)軸承。

尖峰吸收器最大的好處是，體積小、價格低，安裝簡便（并聯(lián)安裝）。特別是功率較大的場合，尖峰吸收器在價格、體積、重量等方面的優(yōu)點很突出。另外，由于是并聯(lián)安裝，不會產(chǎn)生電壓降，而d濾波器都會有一定的電壓降接近10%，這會導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)矩降低。

5、補(bǔ)充:

要改變變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)，必須對癥下藥，設(shè)法削減電流中的高次諧波成分。

1）接入交流電抗器。但就提高功率因數(shù)的效果而言，接入交流電抗器后的效果并不理想，只能將功率因數(shù)提高0.75-0.85。但交流電抗器具有削弱浪涌電流和電源電壓不平衡的影響等功能，因此，在不少場合，是需要接入交流電抗器的。如：多臺變頻器接在同一網(wǎng)絡(luò)時；同一網(wǎng)絡(luò)中有大容量晶閘管設(shè)備時;變頻器的容量不足供電變壓器容量的十分之一時。

2）接入直流電抗器。直流電抗器接在整流橋和濾波電容器之間，就提高功率因數(shù)的效果而言，直流電抗器優(yōu)于交流電抗器，可將功率因數(shù)提高到0.9以上。直流電抗器容易自制。用廢了的變壓器鐵芯，在鐵芯上繞上若干匝數(shù)即可。匝數(shù)一電動機(jī)滿載時，電抗器上的壓降不超過平均直流電壓（513V）的3%為宜。

3）采用12脈動整流。