很多人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了變頻器對(duì)電機(jī)損傷的現(xiàn)象。例如,，某水泵廠,，近兩年來(lái)，他的用戶頻繁報(bào)告水泵在保修期內(nèi)發(fā)生損壞的現(xiàn)象,。而過(guò)去,，這個(gè)水泵廠的產(chǎn)品質(zhì)量十分可靠。經(jīng)過(guò)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)這些損壞的水泵都是用變頻器驅(qū)動(dòng)的,。
變頻器的出現(xiàn)為工業(yè)自動(dòng)化控制,、電機(jī)節(jié)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(diào)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(jī)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(duì)電機(jī)損傷的現(xiàn)象,。例如，某水泵廠,，近兩年來(lái),，他的用戶頻繁報(bào)告水泵在保修期內(nèi)發(fā)生損壞的現(xiàn)象。而過(guò)去,，這個(gè)水泵廠的產(chǎn)品質(zhì)量十分可靠,。經(jīng)過(guò)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)這些損壞的水泵都是用變頻器驅(qū)動(dòng)的,。
盡管變頻器損傷電機(jī)的現(xiàn)象越來(lái)越被人們所關(guān)注,，但是人們對(duì)造成這種現(xiàn)象的機(jī)理還不清楚，更不知道如何來(lái)預(yù)防,。本文的目的是解決這些困惑,。
變頻器對(duì)電機(jī)的損傷
變頻器對(duì)電機(jī)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(nèi)，具體時(shí)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(zhǎng)度,、環(huán)境溫度等諸多因素有關(guān)。電機(jī)的早期意外損壞給企業(yè)的生產(chǎn)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失,。這種損失不僅是電機(jī)維修和更換帶來(lái)的費(fèi)用,，更主要的是意外停產(chǎn)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。因此,，在使用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí),，必須對(duì)電機(jī)損傷的問(wèn)題有足夠的重視,。
變頻器驅(qū)動(dòng)與工頻驅(qū)動(dòng)的區(qū)別
要了解工頻電機(jī)在變頻器驅(qū)動(dòng)條件下更容易損壞的機(jī)理，首先了解變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(duì)電機(jī)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(dòng)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(dòng)電機(jī)就是導(dǎo)致電機(jī)容易損壞的根本原因,。
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(shí),，如果電纜的阻抗與負(fù)載的阻抗不匹配，在負(fù)載端會(huì)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，如圖3所示,。過(guò)高的尖峰電壓加在電機(jī)定子的線圈上,，對(duì)線圈造成電壓沖擊，頻繁的過(guò)電壓沖擊會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過(guò)早失效,。
變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)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(jī)的運(yùn)行溫度，從而延長(zhǎng)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(duì)電機(jī)的沖擊的次數(shù)更多。圖4給出了絕緣壽命隨著電纜長(zhǎng)度與載波頻率的變化,。從圖中可知,，對(duì)于200英尺長(zhǎng)的電纜，當(dāng)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(duì)絕緣的影響
電機(jī)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(shí),，電機(jī)的壽命只有50%,。變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī),，由于PWM電壓包含較多的高頻成份,，電機(jī)溫度會(huì)遠(yuǎn)高于工頻電壓驅(qū)動(dòng)的情況。
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(guò)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(huì)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(guò)電流的原因主要有兩個(gè)，第一,，內(nèi)部電磁場(chǎng)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(chǎng)是對(duì)稱的,，當(dāng)三相繞組的電流相等，并且相位相差120,？時(shí),，不會(huì)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(chǎng)不對(duì)稱時(shí),，就會(huì)在軸桿上感應(yīng)出電壓,，電壓的幅度在10~30V，這與驅(qū)動(dòng)電壓有關(guān),，驅(qū)動(dòng)電壓越高,，軸桿上的電壓越高。當(dāng)這個(gè)電壓的數(shù)值超過(guò)軸承中的潤(rùn)滑油的絕緣強(qiáng)度時(shí),，就會(huì)形成一個(gè)電流通路,。軸桿旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，在某個(gè)時(shí)刻，潤(rùn)滑油的絕緣又阻斷了電流,。這個(gè)過(guò)程類似于機(jī)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)大的影響，但是如果有外部振動(dòng)時(shí),，會(huì)產(chǎn)生凹槽,，這對(duì)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)影響很大。
另外,，實(shí)驗(yàn)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(rùn)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(duì)軸承產(chǎn)生任何損壞,。但是,，當(dāng)馬達(dá)運(yùn)行一段時(shí)間后，隨著潤(rùn)滑油溫度升高,，峰值電流會(huì)達(dá)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(jī)定子繞組的保護(hù)
當(dāng)電纜的長(zhǎng)度超過(guò)30米時(shí),，現(xiàn)代變頻器必然會(huì)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(gè)思路，一個(gè)是采用繞組絕緣抗電強(qiáng)度更高的電機(jī)（一般稱為變頻電機(jī)）,，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(xiàng)目，后一種措施適合于對(duì)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(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(duì)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(zhǎng)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?yàn)樵谶@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(wèn)題得到了徹底的解決（電纜再長(zhǎng),，也不會(huì)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(gè)措施的缺點(diǎn)是當(dāng)電機(jī)的功率較大時(shí),，電抗器或?yàn)V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(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(diǎn)。航天科工集團(tuán)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(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,。
尖峰電壓吸收器是一種新型的電機(jī)保護(hù)裝置，如圖7所示（航天科工集團(tuán)的SVA型號(hào)）,。并聯(lián)連接電機(jī)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(cè)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)電源線上的電壓幅度,；
2）當(dāng)檢測(cè)到電壓的幅度超過(guò)設(shè)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(dāng)尖峰電壓的能量充滿尖峰能量緩沖器時(shí),，尖峰能量吸收控制閥門打開(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(zhuǎn)變成熱能,；
4）溫度監(jiān)控器監(jiān)測(cè)尖峰能量吸收器的溫度,，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，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(guò)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(hù)電機(jī)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(jī)保護(hù)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(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)矩降低。