變頻器損傷電機的秘密

變頻器的出現(xiàn)為工業(yè)自動化控制、電機節(jié)能帶來了革新。工業(yè)生產(chǎn)中幾乎離不開變頻器，即使在日常生活中，電梯、變頻空調(diào)也成為不可缺少的部分，變頻器已經(jīng)開始滲入到生產(chǎn)、生活的各個角落。然而，變頻器也帶來了許多前所未有的困擾，其中損傷電機就是最典型的現(xiàn)象之一。
　　很多人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了變頻器對電機損傷的現(xiàn)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(nèi)發(fā)生損壞的現(xiàn)象。而過去，這個水泵廠的產(chǎn)品質(zhì)量十分可靠。經(jīng)過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)這些損壞的水泵都是用變頻器驅(qū)動的。
　　盡管變頻器損傷電機的現(xiàn)象越來越被人們所關(guān)注，但是人們對造成這種現(xiàn)象的機理還不清楚，更不知道如何來預(yù)防。本文的目的是解決這些困惑。
　　
　　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(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(huán)境溫度等諸多因素有關(guān)。電機的早期意外損壞給企業(yè)的生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)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(chǎn)帶來的經(jīng)濟損失。因此，在使用變頻器驅(qū)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
　　變頻器驅(qū)動與工頻驅(qū)動的區(qū)別
　　要了解工頻電機在變頻器驅(qū)動條件下更容易損壞的機理，首先了解變頻器驅(qū)動電機的電壓與工頻電壓有什么區(qū)別。然后再了解這種差別是如何對電機產(chǎn)生不良影響的。
　　變頻器的基本構(gòu)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(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)動電機就是導(dǎo)致電機容易損壞的根本原因。

　　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(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，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(dǎo)致電機過早失效。

　　變頻器驅(qū)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(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(chǎn)生的尖峰電壓數(shù)量更多，對電機的沖擊的次數(shù)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(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）。
　　

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(dāng)溫度升高到75?C時，電機的壽命只有50%。變頻器驅(qū)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(qū)動的情況。

　　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(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120?時，不會在電機的軸桿上感應(yīng)出電壓。變頻器輸出的PWM電壓導(dǎo)致電機內(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，這對電機的運轉(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(chǎn)生任何損壞。但是，當(dāng)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(chǎn)生飛弧，在軸承部件的表面形成小坑。
　　
　　電機定子繞組的保護
　　當(dāng)電纜的長度超過30米時，現(xiàn)代變頻器必然會在電機端產(chǎn)生尖峰電壓，縮短電機的壽命。防止電機出現(xiàn)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(xiàn)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(dāng)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(dǎo)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(fā)的SVA尖峰電壓吸收器，采用先進的電力電子技術(shù)和智能控制技術(shù)，是解決電機損傷的理想設(shè)備。另外，SVA尖峰吸收器還能保護電機的軸承。


　　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(lián)連接電機的電源輸入端。

　　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(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；
　　3)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；
　　4)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。

　　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(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(dǎo)致電機的轉(zhuǎn)矩降低。