變頻器對電機(jī)的傷害有哪些?

時間:2022-10-08

來源:中國傳動網(wǎng)

導(dǎo)語: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,如下圖所示。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(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)。

  變頻器的出現(xiàn)為工業(yè)自動化控制、電機(jī)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(jī)就是最典型的現(xiàn)象之一。

  很多人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了變頻器對電機(jī)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(jī)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(jī)理還不清楚,更不知道如何來預(yù)防。分享本文的目的是解決這些困惑。

  變頻器對電機(jī)的損傷

  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,如下圖所示。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(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)。電機(jī)的早期意外損壞給企業(yè)的生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。這種損失不僅是電機(jī)維修和更換帶來的費用,更主要的是意外停產(chǎn)帶來的經(jīng)濟(jì)損失。因此,在使用變頻器驅(qū)動電機(jī)時,必須對電機(jī)損傷的問題有足夠的重視。

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  變頻器驅(qū)動與工頻驅(qū)動的區(qū)別

  要了解工頻電機(jī)在變頻器驅(qū)動條件下更容易損壞的機(jī)理,首先了解變頻器驅(qū)動電機(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。

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  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,如圖3所示。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。

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  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。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)。

變頻對電機(jī)的傷害有哪些?

  載波頻率對絕緣的影響

  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,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。

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  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120?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。

  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)(一般稱為變頻電機(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:

 ?、僭谧冾l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;

 ?、墼谧冾l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);

 ?、茉陔娎|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。

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  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)。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,它的工作過程如下:

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  ①尖峰電壓檢測電路實時檢測電機(jī)電源線上的電壓幅度;

 ?、诋?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;

 ?、郛?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;

 ?、軠囟缺O(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;

  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(jī)受到保護(hù)的前提下),避免尖峰電壓吸收器過熱而損壞;

 ?、葺S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。

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  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!

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