關于變頻器對電機的損傷探究

        目前，很多人已經發現了變頻器對電機損傷的現象。例如，某水泵廠，近兩年來，他的用戶頻繁報告水泵在保修期內發生損壞的現象。而過去，這個水泵廠的產品質量十分可靠。經過調查，發現這些損壞的水泵都是用變頻器驅動的。

        盡管變頻器損傷電機的現象越來越被人們所關注，但是人們對造成這種現象的機理還不清楚，更不知道如何來預防。東莞電機小編在本文中的目的是解決這些困惑。

一、變頻器對電機的損傷

        變頻器對電機的損傷包括兩個方面，定子繞組的損傷和軸承的損傷，如圖1所示。這種損傷一般發生在幾周至十幾個月內，具體時間與變頻器的品牌、電機的品牌、電機的功率、變頻器的載波頻率、變頻器與電機之間的電纜長度、環境溫度等諸多因素有關。電機的早期意外損壞給企業的生產帶來巨大的經濟損失。這種損失不僅是電機維修和更換帶來的費用，更主要的是意外停產帶來的經濟損失。因此，在使用變頻器驅動電機時，必須對電機損傷的問題有足夠的重視。

圖1   變頻器對電機的損傷

二、變頻器驅動與工頻驅動的區別

        要了解工頻電機在變頻器驅動條件下更容易損壞的機理，首先了解變頻器驅動電機的電壓與工頻電壓有什么區別。然后再了解這種差別是如何對電機產生不良影響的。

        變頻器的基本構造如圖2所示，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制的電壓波形（PWM電壓）。因此，變頻器驅動電機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。用脈沖電壓驅動電機就是導致電機容易損壞的根本原因。

圖2  變頻器的電路原理

三、變頻器損傷電機定子繞組的機理

        脈沖電壓在電纜上傳輸時，如果電纜的阻抗與負載的阻抗不匹配，在負載端會產生反射。反射的結果是，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到直流母線電壓的2倍，大約相當于變頻器輸入電壓的3倍，如圖3所示。過高的尖峰電壓加在電機定子的線圈上，對線圈造成電壓沖擊，頻繁的過電壓沖擊會導致電機過早失效。

圖3   變頻器在電機端產生的尖峰電壓

        變頻器驅動的電機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。

        變頻器的載波頻率越高，輸出電流波形越接近正弦波，這會降低電機的運行溫度，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生的尖峰電壓數量更多，對電機的沖擊的次數更多。圖4給出了絕緣壽命隨著電纜長度與載波頻率的變化。從圖中可知，對于200英尺長的電纜，當載波頻率從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）。

圖4  載波頻率對絕緣的影響

        電機的溫度越高，絕緣的壽命越短，如圖5所示，當溫度升高到75?C時，電機的壽命只有50%。變頻器驅動的電機，由于PWM電壓包含較多的高頻成份，電機溫度會遠高于工頻電壓驅動的情況。

圖5  溫度對絕緣的影響

四、變頻器損傷電機軸承的機理

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

　　導致交流電機的軸承中流過電流的原因主要有兩個，第一，內部電磁場不平衡產生的感應電壓，第二，雜散電容引起的高頻電流通路。

　　理想交流感應電機內部的磁場是對稱的，當三相繞組的電流相等，并且相位相差120?時，不會在電機的軸桿上感應出電壓。變頻器輸出的PWM電壓導致電機內部的磁場不對稱時，就會在軸桿上感應出電壓，電壓的幅度在10~30V，這與驅動電壓有關，驅動電壓越高，軸桿上的電壓越高。當這個電壓的數值超過軸承中的潤滑油的絕緣強度時，就會形成一個電流通路。軸桿旋轉過程中，在某個時刻，潤滑油的絕緣又阻斷了電流。這個過程類似于機械式開關的通斷過程，這個過程中會產生電弧，燒蝕軸桿、滾珠、軸碗的表面，形成凹坑。如果沒有外部振動，小凹坑不會產生過大的影響，但是如果有外部振動時，會產生凹槽，這對電機的運轉影響很大。

　　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，基波頻率越低，軸桿上的電壓越高，軸承損傷越嚴重。

　　在馬達工作的初期，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生任何損壞。但是，當馬達運行一段時間后，隨著潤滑油溫度升高，峰值電流會達到5-10A，這會產生飛弧，在軸承部件的表面形成小坑。

五、電機定子繞組的保護

　　當電纜的長度超過30米時，現代變頻器必然會在電機端產生尖峰電壓，縮短電機的壽命。防止電機出現損傷，有兩個思路，一個是采用繞組絕緣抗電強度更高的電機（一般稱為變頻電機），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進行改造。

　　目前常用的電機保護方法有以下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，這個方法對于較短的電纜（30米以下）有一定效果，但是有時效果不夠理想，如圖6(c)所示。

　　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，但是效果有了明顯的改善，如圖6(d)所示。

　　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，也不會出現尖峰電壓了）。

　　4)在電纜與電機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電機的功率較大時，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致一定的電壓降，影響電機的輸出力矩，采用變頻器尖峰電壓吸收器能夠克服這些缺點。航天科工集團二院706所開發的SVA尖峰電壓吸收器，采用先進的電力電子技術和智能控制技術，是解決電機損傷的理想設備。另外，SVA尖峰吸收器還能保護電機的軸承。

圖6  du/dt濾波器與電抗器的比較

        尖峰電壓吸收器是一種新型的電機保護裝置，如圖7所示（航天科工集團的SVA型號）。并聯連接電機的電源輸入端。

圖7 尖峰吸收器實物

SVA尖峰電壓吸收器的原理框圖如圖8所示，它的工作過程如下：

　 　1)尖峰電壓檢測電路實時檢測電機電源線上的電壓幅度；

　 　2)當檢測到電壓的幅度超過設定的閾值時，控制尖峰能量緩沖電路，使其吸收尖峰電壓的能量；

　　 3)當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，將電能轉變成熱能；

　　 4)溫度監控器監測尖峰能量吸收器的溫度，當溫度過高時，適當關閉尖峰能量吸收控制閥門，減小能量的吸收（在保證電機受到保護的前提下），避免尖峰電壓吸收器過熱而損壞；

        5)軸承電流吸收電路的作用是將軸承電流吸收掉，保護電機軸承。

圖8  尖峰電壓吸收器原理框圖

        尖峰吸收器與前面所述的du/dt濾波器、正弦波濾波器等電機保護方法相比，最大的好處是，體積小、價格低，安裝簡便（并聯安裝）。特別是功率較大的場合，尖峰吸收器在價格、體積、重量等方面的優點很突出。另外，由于是并聯安裝，不會產生電壓降，而du/dt濾波器和正弦波濾波器上都會有一定的電壓降，正弦波濾波器的電壓降接近10%，這會導致電機的轉矩降低。