探讨变频器对电动机的影响

魏桃生

佛山市顺德五沙热电有限公司528300

摘要：伴随着节能降耗工作的持续开展，大型电动机的节能降耗作为电厂降低综合厂用电率的主要手段，主要是依靠变速和变频两个手段，然而在高压变频电机节能的同时，变频器本身对电动机寿命的影响和对电网的影响往往容易被人们忽视，本文将就这方面的内容着重对变频器对电动机的影响进行分析。希望能供相关人士参考。

关键词：变频器；电动机；影响

引言

变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。用变频器做电源的电动机在进行调速传动时，电动机的选择无疑是首选问题，然而对变频器的选择也是不容忽视的，只有两者都选择合适，才能达到最佳调速传动。

1高压变频器对电动机的影响

高压变频器输出电动机的影响主要取决于逆变电路的结构和特性。

1.1输出谐波对电动机的影响

输出谐波对电动机的影响主要有：谐波引起电动机附加发热、导致电动机的额外温升，电动机往往要降额使用。

由于输出波形失真，增加电动机的重复峰值电压，影响电动机绝缘；谐波还会引起电动机转矩脉动、噪声增加。高次谐波引起的损耗增加主要表现在：定子铜损耗、转子铜损耗、铁损耗及附加损耗的增加。影响最为显著的是转子铜损耗，因为电动机转子是以接近基波频率旋转速度旋转的，因此对于高次谐波电压来说，转子总是在转差率接近1的状态下旋转，所以转子铜损耗较大；在这种状态下，除了直流电阻引起的铜损耗外，还必须考虑由于集肤效应所产生的实际阻抗增加而引起的铜损耗。

1.1.1普通的电流源型变频器

其输出电流波形和输入电流波形极为相似，都是120度的方波，含有丰富的谐波成分，总谐波电流失真可达到30%左右。为了降低输出谐波，也有采用输出12脉波方案或设置输出滤波器，输出波形会有较大改善，但系统的成本和复杂性也会大大增加。输出滤波器换相式电流源型变频器固有的滤波器可以起到一定的滤波作用，所以速度较高时，电动机电流波形有所改善。GTO-PWM电流源型变频器输出电流质量的提高主要通过GTO采用谐波消除的电流PWM开关模式来实现，但受到GTO开关频率上限的限制。

1.1.2三电平变频器

三电平变频器与普通的二电平PWM变频器相比，由于输出相电压电平数增加，每个电平幅值相对下降，提高了输出电压谐波消除算法的自由度；在相同开关频率的前提下，可使输出波形质量比二电平PWM变频器有较大的提高，但输出电压谐波失真仍达29%，电动机电流谐波失真达17%；须采取专用电动机，如要采用普通电动机，必须设置输出滤波器。

1.1.3单元串联多电平变频器

当输出电压为10kV等级时，典型的输出电压总谐波失真小于7%，大大低于普通电流源型变频器和三电平变频器；采用了多电平移相式PWM控制，输出谐波的频率主要集中在4.5~7.5kHz范围内，且都低于5%；一般的异步电动机，工频时阻抗为16%左右，相对5kHz的谐波，其阻抗约为1600%，其产生的各次谐波电流约小于0.3%，符合MGI-1993中小于1%的要求；电动机基本不会产生附加的谐波发热、噪声和转矩脉动，不必设置输出滤波器，可直接使用普通的异步电动机。

1.2脉动转矩的影响

普通电流源型变频器的输出电流不是正弦波，而是120度的方波，电动机的电磁转矩除了平均转矩以外，还有脉动分量。脉动转矩的平均值为0，但它会使转子的转速不均匀，产生脉动；在低速时，还会发生步进现象；在适当的条件下，可能引起电动机与负载组成的机械系统的共振。要使电动机的转速脉动较小，首先要消除或抑制变频器输出的低次谐波，采取高频PWM方法，将输出谐波往高频推移，不失为减少转速脉动的有效办法。

1.3输出电压变化率对电动机的影响

对于电压型变频器，当输出电压的变化率（du／dt）比较高时，相当于在电动机绕组上反复施加了陡度很大的脉冲电压，加速了电动机的老化。特别是当变频器与电动机之间的电缆距离比较长时，电缆上的分布电感和分布电容所产生的行波反射放大作用增大到一定程度，有时会击穿电动机的绝缘。

经常使用的防治措施一般有两种：一是设置输出电压滤波器；二是降低逆变器功率器件的开关速度。在相同额定输出电压的情况下，逆变的输出电平数越多，输出电压的变化率就越低，通常是传统双电平输出的变化率的1／（m—1）倍，其中m是电平数目。一般情况下，对于三电平PWM电压型变频器，仍不能符合MGI的标准（允许变化范围；lus内从10％的相电压峰值变换到90％的相电压峰值），还需增加输出滤波器。

1.4温度变化影响

正常运行中，变频器经常发生因温度过高导致跳闸，影响变频器的节能性能事件。由于变频器冷却风扇跳闸而导致变频器跳闸（因为两者之间有连锁，哪个先跳闸、跳闸原因有待调查分析），而变频器风扇跳闸后，由于内部剩余热量无法散出，导致温度急剧上升，待跳闸后，运行人员至就地时，变频器温度已上升至60℃。检修人员应定期对凝泵变频器室、一次风机变频器室定期检查空调制冷情况，定期清理滤网。

2、电动机设计和输出电缆选择的特殊问题

2.1由于变频器输出谐波会引起电动机附加温升，电动机容量必须适当放大，热参数降低使用。设计时，在可能的条件下，尽量减少定、转子电阻，以降低损耗。尤其是转子电阻的减少很有必要，因为转子铜损耗在高次谐波所产生的损耗中占相当的比例；采用变频运行后，已经不需要通过较大的转子电阻去获得足够的起动转矩。对于目前应用广泛的电压源型变频器，为了抑制电流中的高次谐波，适当增加电动机的电感是必要的。设计时，应考虑到高次谐波和低频时电压补偿作用产生的磁路饱和加深，要加大磁路设计裕量。

2.2普通电动机采用自带风扇的冷却方式，在转速降低时，冷却风量跟着降低，散热效果下降。对于风机、水泵等运行频率不低且转矩随转速基本上呈平方关系的负载，由于在转速下降时负载电流跟着大大下降，发热下降，基本没有什么问题。对于运行频率较低，且低速时转矩较大的应用场合，应考虑对电动机强迫通风，比如采用独立电源供电的冷却风机，或者水冷，甚至使电动机降额使用。谐波使电动机振动、噪声增加，对电动机应采取低噪声设计并避免可能产生的振动，临界转速必须避开整个工作转速范围。转矩脉动产生的应力集中可能对电动机部件引起损坏，对电动机关键部位必须加强。电机非驱动端采取绝缘轴承，在必要时轴上安装接地电刷，以避免轴电流对轴承的损坏。对风机和水泵等一般不要求四象限运行的设备，单元串联多电平PWM电压源型变频器在输出谐波、du/dt等方面有明显的优势，对电动机没有特殊的要求，可用于任何普通的异步电动机，且不必降额使用。

3总结语

在冶金、钢铁、石油、化工、水处理等工矿企业中，大容量的电动机基本上都是高压电动机。这些企业的风机、泵类、压缩机及各种其他大型机械的拖动电动机消耗的能源占电动机总能耗的70％以上，而且绝大部分都有调速的要求。因此，解决好高压变频器对电动机的影响对企业的节能和整体效益有着非常重要的意义。

参考文献：

[1]陈世坤主编《电机设计》第二版，机械工艺出版社，2013

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