變頻器損傷電機的秘密，電機保護方法

很多人已經(jīng)發(fā)現了變頻器對電機損傷的現象。例如，某水泵廠(chǎng)，近兩年來(lái)，他的用戶(hù)頻繁報告水泵在保修期內發(fā)生損壞的現象。而過(guò)去，這個(gè)水泵廠(chǎng)的產(chǎn)品質(zhì)量十分可靠。經(jīng)過(guò)調查，發(fā)現這些損壞的水泵都是用變頻器驅動(dòng)的。

變頻器的出現為工業(yè)自動(dòng)化控制、電機節能帶來(lái)了革新。工業(yè)生產(chǎn)中幾乎離不開(kāi)變頻器，即使在日常生活中，電梯、變頻空調也成為不可缺少的部分，變頻器已經(jīng)開(kāi)始滲入到生產(chǎn)、生活的各個(gè)角落。然而，變頻器也帶來(lái)了許多前所未有的困擾，其中損傷電機就是最典型的現象之一。

　　很多人已經(jīng)發(fā)現了變頻器電纜保護器對電機損傷的現象。例如，某水泵廠(chǎng)，近兩年來(lái)，他的用戶(hù)頻繁報告水泵在保修期內發(fā)生損壞的現象。而過(guò)去，這個(gè)水泵廠(chǎng)的產(chǎn)品質(zhì)量十分可靠。經(jīng)過(guò)調查，發(fā)現這些損壞的水泵都是用變頻器驅動(dòng)的。

　　盡管變頻器損傷電機的現象越來(lái)越被人們所關(guān)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(lái)預防。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(gè)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(gè)月內，具體時(shí)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(cháng)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(lái)巨大的經(jīng)濟損失。這種損失不僅是電機維修和更換帶來(lái)的費用，更主要的是意外停產(chǎn)帶來(lái)的經(jīng)濟損失。因此，在使用變頻器驅動(dòng)電機時(shí)，必須對電機電纜保護器損傷的問(wèn)題有足夠的重視。

　　變頻器驅動(dòng)與工頻驅動(dòng)的區別

　　要了解工頻電機在變頻器驅動(dòng)條件下更容易損壞的機理，首先了解變頻器驅動(dòng)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(chǎn)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(dòng)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(dòng)電機就是導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(shí)，如果電纜的阻抗與負載的阻抗不匹配，在負載端會(huì )產(chǎn)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電纜保護器直流母線(xiàn)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(guò)高的尖峰電壓加在電機定子的線(xiàn)圈上，對線(xiàn)圈造成電壓沖擊，頻繁的過(guò)電壓沖擊會(huì )導致電機過(guò)早失效。

　　變頻器驅動(dòng)的電機受到尖峰電壓的沖擊后，它的實(shí)際壽命與很多因素，包括，溫度、污染、振動(dòng)、電壓、載波頻率以及線(xiàn)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(huì )降低電機的運行溫度，從而延長(cháng)絕緣的壽命。但是，更高的載波頻率意味著(zhù)每秒鐘產(chǎn)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(zhù)電纜長(cháng)度與載波頻率的變化。從圖中可知，對于200英尺長(cháng)的電纜，當載波頻率從3kHz提高到12kHz（變化4倍）時(shí)，絕緣的壽命從大約8萬(wàn)小時(shí)降低到2萬(wàn)小時(shí)（相差4倍）。

　　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(shí)，電機的壽命只有50%。變頻器驅動(dòng)的電機，由于PWM電壓包含較多的高頻成份，電機溫度會(huì )遠高于工頻電壓驅動(dòng)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(guò)軸承的電流，并且這種電流處于斷續連通的狀態(tài)，斷續連通的電路會(huì )產(chǎn)生電弧，電弧燒毀了軸承。

　　導致交流電機的軸承中流過(guò)電流的原因主要有兩個(gè)，第一，內部電磁場(chǎng)不平衡產(chǎn)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(chǎng)是對稱(chēng)的，當三相繞組的電流相等，并且相位相差120？時(shí)，不會(huì )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(chǎng)不對稱(chēng)時(shí)，就會(huì )在軸桿上感應出電壓，電壓的幅度在10~30V，這與驅動(dòng)電壓有關(guān)，驅動(dòng)電壓越高，軸桿上的電壓越高。當這個(gè)電壓的數值超過(guò)軸承中的潤滑油的絕緣強度時(shí)，就會(huì )形成一個(gè)電流通路。軸桿旋轉過(guò)程中，在某個(gè)時(shí)刻，潤滑油的絕緣又阻斷了電流。這個(gè)過(guò)程類(lèi)似于機械式開(kāi)關(guān)的通斷過(guò)程，這個(gè)過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生電弧，燒蝕軸桿、滾珠、軸碗的表面，形成凹坑。如果沒(méi)有外部振動(dòng)，小凹坑不會(huì )產(chǎn)生過(guò)大的影電纜保護器響，但是如果有外部振動(dòng)時(shí)，會(huì )產(chǎn)生凹槽，這對電機的運轉影響很大。

　　另外，實(shí)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(shí)候，電流幅度在5-200mA，這么小的電流不會(huì )對軸承產(chǎn)生任何損壞。但是，當馬達運行一段時(shí)間后，隨著(zhù)潤滑油溫度升高，峰值電流會(huì )達到5-10A，這會(huì )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

　　當電纜的長(cháng)度超過(guò)30米時(shí)，現代變頻器必然會(huì )在電機端產(chǎn)生尖峰電壓，縮短電機的壽命。防止電機出現損傷，有兩個(gè)思路，一個(gè)是采用繞組絕緣抗電強度更高的電機（一般稱(chēng)為變頻電機），另一個(gè)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(jìn)行改造。

　　目前常用的電機保護方法有以下4個(gè)：

　　1）在變頻器的輸出端安裝電抗器：這個(gè)措施最常用，但是需要注意的是，這個(gè)方法對于較短的電纜（30米以下）有一定效果，但是有時(shí)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(gè)措施適用于電纜長(cháng)度小于300米的場(chǎng)合，價(jià)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(gè)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(wèn)題得到了徹底的解決（電纜再長(cháng)，也不會(huì )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(gè)措施的缺點(diǎn)是當電機的功率較大時(shí)，電抗器或濾波器的體積、重量很大，價(jià)格較高，另外，電抗器和濾波器都會(huì )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(diǎn)。航天科工集團二院706所開(kāi)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)，是解決電機損傷的理想設備。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(guò)程如下：

　　1）尖峰電壓檢測電路實(shí)時(shí)檢測電機電源線(xiàn)上的電壓幅度；

　　2）當檢測到電壓的幅度超過(guò)設定的閾值時(shí)，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(mǎn)尖峰能量緩沖器時(shí)，尖峰能量吸收控制閥門(mén)打開(kāi)，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(guò)高時(shí)，適當關(guān)閉尖峰能量吸收控制閥門(mén)，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(guò)熱而損壞；

　　5）軸承電流吸收電路的作用是電纜保護器將軸承電流吸收掉，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(jià)格低，安裝簡(jiǎn)便（并聯(lián)安裝）。特別是功率較大的場(chǎng)合，尖峰吸收器在價(jià)格、體積、重量等方面的優(yōu)點(diǎn)很突出。另外，由于是并聯(lián)安裝，不會(huì )產(chǎn)生電壓降，而du/dt濾波器和正弦波濾波器上都會(huì )有一定的電壓降，正弦波濾波器的電壓降接近10%，這會(huì )導致電機的轉矩降低。