變頻器供電條件下電動(dòng)機(jī)的溫升與對(duì)策

朱亞娜

摘要：為節(jié)約能源和改善工藝控制，越來(lái)越多的工業(yè)過(guò)程利用變頻器來(lái)提高生產(chǎn)系統(tǒng)的綜合效率。變頻器輸出的PWM脈沖電壓諧波成分豐富、脈沖頻率高且上升沿陡直，這種狀況與用50Hz的交流正弦波驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的狀況大不相同，在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部將不可避免地產(chǎn)生損耗，使電動(dòng)機(jī)的溫度升高。當(dāng)溫升超過(guò)最高容許工作溫度時(shí)，電動(dòng)機(jī)的使用壽命將大幅縮短。為此，研究電動(dòng)機(jī)的溫升問(wèn)題及其緩解對(duì)策是十分重要的。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)；溫升；對(duì)策

中圖分類號(hào)：TM3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 電動(dòng)機(jī)的溫升限度

電動(dòng)機(jī)中常用的絕緣材料，按其耐熱能力，分為A、E、B、F和H等五級(jí)。表1列出各級(jí)絕緣的最高容許工作溫度。

上述耐熱能力是指可以長(zhǎng)期在該溫度下使用。當(dāng)工作溫度超過(guò)最高容許工作溫度時(shí)，使用壽命將迅速縮短。試驗(yàn)表明，對(duì)A級(jí)絕緣，若一直處于90～95℃時(shí)，其使用壽命可達(dá)20年；當(dāng)工作溫度在95℃以上時(shí)，溫度每增高8℃，絕緣的使用壽命就將減少一半（俗稱8℃定理）；例如一直工作在110℃，壽命就只有4～5年。

電動(dòng)機(jī)某一部分的溫度和周圍冷卻介質(zhì)的溫度之差稱為該部件的溫升。當(dāng)該部分所用絕緣材料確定后，部件的最高容許工作溫度就確定了，此時(shí)溫升限度就取決于冷卻介質(zhì)的溫度。冷卻介質(zhì)的溫度越高，容許的溫升就越低。

考慮到全國(guó)各地區(qū)和各個(gè)季節(jié)環(huán)境溫度的變化較大，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB755-87（電動(dòng)機(jī)基本技術(shù)要求）明確規(guī)定，在海拔1000m以下時(shí)，環(huán)境空氣溫度規(guī)定為40℃，當(dāng)最高環(huán)境溫度比40℃高出Δt0時(shí)（Δt0不超過(guò)20℃），溫升限度應(yīng)相應(yīng)地減低Δt0；如低于40℃時(shí)，溫升限度一般維持原值不變。當(dāng)海拔在1000m以上，但不超過(guò)4000m時(shí)，溫升限度按試驗(yàn)和使用地點(diǎn)的海拔差別進(jìn)行校正。

2 變頻供電時(shí)電動(dòng)機(jī)的溫升

對(duì)于變頻器供電電動(dòng)機(jī)而言，由于高次諧波的存在，電機(jī)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生以下附加損耗：①高次諧波帶來(lái)的定子和轉(zhuǎn)子附加銅損耗；②高次諧波帶來(lái)的定子附加鐵耗；③高次諧波帶來(lái)的附加雜散損耗；④三相異步電動(dòng)機(jī)在高頻下運(yùn)行時(shí)，集膚效應(yīng)使轉(zhuǎn)子電阻增加導(dǎo)致轉(zhuǎn)差銅耗顯著增加。這些高次諧波電壓和電流產(chǎn)生的附加損耗，致使電動(dòng)機(jī)溫升增大，效率降低，輸出功率減小。另一方面，對(duì)于普通標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)而言，冷卻風(fēng)扇直接安裝在轉(zhuǎn)子軸上，電動(dòng)機(jī)低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)冷卻效果大幅下降，更會(huì)加劇電動(dòng)機(jī)溫升的提高。對(duì)于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載而言，低速運(yùn)行時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，電動(dòng)機(jī)銅耗和發(fā)熱量降低，雖然低速時(shí)冷卻能力降低（如采用自冷式或自扇冷式），但電動(dòng)機(jī)溫升增大的不會(huì)太多。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載而言，低速運(yùn)行時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，電動(dòng)機(jī)銅耗和發(fā)熱量并不比高速運(yùn)行時(shí)小，二低速時(shí)冷卻能力降低了，因此電動(dòng)機(jī)溫升將會(huì)有較大的增大，使用時(shí)要特別注意。有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)明采用變頻調(diào)速時(shí)，雖然電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、輸出功率都隨頻率的下降而降低（即發(fā)熱量減小），但電動(dòng)機(jī)的溫度卻升高了，特別是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在30Hz以下時(shí)，溫升尤其嚴(yán)重。因此，電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行后期溫升增加幾乎是不可斃命的，特別是普通電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，極易發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象。為此，了解電動(dòng)機(jī)的溫升緩解方法是十分重要的。

3 緩解電動(dòng)機(jī)溫升的對(duì)策

溫升是影響電動(dòng)機(jī)使用壽命的關(guān)鍵因素，電動(dòng)機(jī)溫升的“8℃定理”就是這一觀點(diǎn)的佐證。如前所述，電動(dòng)機(jī)在變頻器供電時(shí)的溫升會(huì)比工頻電源時(shí)有明顯增加，一般地，電機(jī)運(yùn)行頻率越低溫升越高。切實(shí)需要采取措施，限制或緩解電動(dòng)機(jī)溫升的增加，保證設(shè)備安全運(yùn)行。在電動(dòng)機(jī)選定的條件下，限制或緩解電動(dòng)機(jī)溫升無(wú)非有兩個(gè)方面，一是合理地減少損耗，即降低發(fā)熱量；再就是改善冷卻條件，使熱能有效地散發(fā)出去。減少損耗的根本措施一是抑制諧波，二是限制負(fù)載轉(zhuǎn)矩，具體措施如下：①采取各種抑制諧波的措施，例如在變頻器的輸出側(cè)加裝濾波器，以改善輸出諧波性能，減少由于高次諧波引起的附加損耗。②合理調(diào)試“載波頻率”參數(shù)，改善諧波性能，減小電動(dòng)機(jī)的各種損耗。一般認(rèn)為載波頻率適度提高，高次諧波含量將降低，電機(jī)損耗小。但是必須注意：載波頻率過(guò)高將加劇電動(dòng)機(jī)的沖擊電壓，對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣不利，而且變頻器自身的損耗要增大，因此載波頻率的設(shè)置也不宜過(guò)高。③對(duì)于減負(fù)載場(chǎng)合或電動(dòng)機(jī)輕載運(yùn)行情形，適度減低變頻器輸出電壓，即減小U/f給定。④對(duì)于減負(fù)載場(chǎng)合，適當(dāng)降低最高運(yùn)行頻率限制，降低電機(jī)出力。⑤適當(dāng)?shù)靥岣唠妱?dòng)機(jī)和變頻器的容量，減小其負(fù)載系數(shù)。

在提高散熱能力方面的具體措施：①選用變頻專用電動(dòng)機(jī)或采用強(qiáng)迫通風(fēng)式電動(dòng)機(jī)。②改造原有設(shè)備，另設(shè)專用冷卻風(fēng)扇。另外，如果生產(chǎn)工藝允許，限制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的最低頻率，保證自扇冷式電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的冷卻能力，也是一種簡(jiǎn)單有效的方法。

本文研究了變頻器供電條件下感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的溫升問(wèn)題，分析了由于電動(dòng)機(jī)的損耗和散熱問(wèn)題所引起的電動(dòng)機(jī)溫升增大的原因，提出了減少損耗和改善扇熱方面的具體措施。