变频电机温升的分析及对策

胡志祥

(云南华联锌铟股份有限公司)

摘要：调速技术的蓬勃发展，变频器供电电机的温升问题已引起人们的广泛关注。本文首先介绍了电动机的温升限度；然后结合实例分析了变频器供电对变频电动机温升的影响及其它原因对变频电机温升的影响；最后从降低发热量和提高散热能力两方面提出缓解电机温升的措施，并指出了应用中应注意的问题。

关键词：变频器变频电动机温升及对策

一、电动机的温升限度

温升是电机与环境的温度差，是由电机发热引起的，是电机设计及运行中的一项重要指标，人们根据不同绝缘材料耐受高温的能力对其规定了7个允许的最高温度，按照温度大小排列分别为：Y、A、E、B、F、H和C。它们的允许工作温度分别为：90、105、120、130、155、180和180℃以上。电机各部位的温度限度与绕组接触的铁心温升应不超过所接触的绕组绝缘的温升限度，即A级为60℃，E级为75℃，B级为80℃，F级为100℃，H级为125℃。

二、案例分析

1、故障现象

云南华联锌铟股份有限公司新田选矿车间长距离（3987米）原矿运输皮带驱动站，由两台690V/630kW变频交流电机进行驱动，两台电机由两台西门子变频器通过“主-从控制”模式运行，根据生产需要，调节电机转速以改变进料量。每小时运输原矿约400-600吨，担负着车间原矿供料任务，是生产流程中的一个重要关键环节，从2013年9月安装结束运行后，两台电机普遍存在发热严重，并有异常噪音，2#电机尤为明显，运行两年多发生了近5次匝间短路烧毁事故。

2、原因分析及处理措施

（1）变频器参数

变频器采用西门子原装柜式变频器G150系列，具体参数如下：

（2）电机型号参数及运行参数：

1#电机型号YLVF400-4-G1（安徽皖南），功率630KW，电压690V，额定电流612.5A额定转速：1490r/min，防护等级IP54，扭矩4033N/m调频范围5-75HZ，重量3300kg，轴承型号6326/6326-S。运行参数：电流一般389-420A，负荷63.5%-65%运行频率：47-48HZ转速：1424r/min，轴承温度：前轴承65℃左右，后轴承60℃左右，绕组温度：110.℃—115℃。

2#电机型号Y2SP4008-4（湖南湘电），功率630KW，电压690V，额定电流611A，防护等级IP54额定转速1490r/min，调频范围5-75HZ功率因数0.90冷却方式IC416，海拔1400m，重量3290kg。运行参数：运行电流380-430A，负荷62%-65%，运行频率47-48HZ，转速1430r/min，轴承温度：前轴承78℃左右，后轴承85℃左右，绕组温度：115.3℃-125℃。夏秋季随环境温度的增高相应增加。

（3）故障分析：

根据电机其运行参数看：两台电机运行负荷未达到满负荷，经检查电机主线路至变频器柜出线端约50米左右，变频器柜输出端未装输出电抗器，判断是否存在变频器输出有高次谐波与集肤效应对电机绕组温度产生影响变频器逆变部分是将直流电压转换为三相交流电压，通过控制六个桥臂的开关元件导通、关断来实现三相交流电压的输出，一般改变变频器输出电压的PWM方式，它虽与正弦波电压幅值等效，但实际上是由一系列矩形波组成，虽然变频器装有滤波装置，但输出电压、电流波形均还有高次谐波，由于电机绕组匝间电压变化率du/dt很高，当有高次谐波流过电动机绕组时，铜损增大，并引起附加损耗，从而引起绕组发热。有实验表明，变频器传动与工频电源传动相比，电流、温升约增加10%与20%。虽然变频电动机的主磁路设计成不饱和状态，但受集肤效应的影响也会产生涡流，导致电机效率下降，温升增加。

（4）处理措施：

根据上述情况，经分析讨论后，建议在1#、2#变频器输出端加装了相匹配的输出电抗器，加电抗器两台变频电机运行参数如下表：

图1、未加装输出电抗器波形图2、加装输出电抗器后波形

加装输出电抗器后，电机绕组匝间短路烧毁有大幅度下降，噪音减小，加装电抗器已有效抑制变频器的IGBT开关产生高次谐波的影响，绕组局部产生涡流的现象得到改善。但2#电机运行温度还存在偏高现象，说明加装输出电抗器还未完全解决问题。

经对电机再次检查，两台电机安装合理，但从散热结构上检查，1#电机采用安徽皖南电机股份有限公司YLVF400-4-G1型变频电机，从散热结构上看;定子基座散热筋片槽采用封闭管状通风方式，底座面积大，整机重量比2#重，1#电机的整体结构与散热效率相对比2#好得多。2#电机采用了湘电的Y2SP4008-4型变频电机，该电机为紧凑型封闭式电机，散热仅通过机壳敞开散热筋来实现，且机座号较常规电机小一号，内部散热通道、风路狭窄，电机起动后，热交换量小，无法迅速排出，电机轴末端强冷风机对机壳散热筋传递出的热量进行散热，对电机内部无法形成有效降温。其二该型电机采用小型低压电机常规线圈结构，整体抗电流冲击能力较差，易引起温度升高。经采取更换1#同型号的电机后，2#运行温度达到正常值。

三、变频电动机运行温升升高原因:

根据案例分析及解决情况看，变频电动机运行温升升高引起的因数由以下几方面造成。一是变频器输出电源的影响；变频器输出电压带有较大的高次谐波成分（载波频率），这些谐波成分将导致电机效率下降，使电机损耗增加，温升增加，绝缘老化、寿命缩短。其次变频电机一般均要求在较大的频率范围内运行，由于定子频率的变化，即当变频器IGBT功率元件开关频率高时，会给电机定子绕组带来电压不均匀分布，使定子绕组尤其是开始几匝绕组受到电压冲击，使绕组温升增加。三是选用变频电动机时，在容量、安装环境、温升限度，绝缘结构，耐热等级、散热结构上等某一方面选择不合理，造成温升升高。四是在变频器上设定的U/f特性和电动机特性不适配，没有正确地设置负载电动机的额定电压、电流、容量、载波率等参数，也会导致电动机温升升高。五是三相电压、电流不平衡、缺相、过负荷等引起温度升高。

四、缓解变频电机温升的对策

温升是影响电动机使用寿命的关键因素，电动机温升的“8℃定理”就是这一观点的佐证。

限制或缓解电机温升无非有两个方面，一是合理地减少损耗，即降低发热量；再就是改善冷却条件，使热能有效地散发出去。减少损耗的根本措施一是抑制谐波，二是正确选择设备、改善散热条件，具体措施如下：

1、抑制谐波

（1）在电源与变频器输入侧之间串联交流电抗器（图3）：可使整流阻抗增大来有效抑制高次谐波电流，减少电源浪涌对变频器的冲击，改善三相电源的不平衡性，提高输入电源的功率因数（提高到0.75-0.85），这样进线电流的波形畸变大约降低30%~50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。

图3

建议在下列情况下使用输入交流电抗器：

a)变频器所用之处的电源容量与变频器容量之比为10：1以上；

b)同一电源上接有晶闸管设备或带有开关控制的功率因数补偿装置；

c)三相电源的电压不平衡度较大（≥5％）；

d)建议变频器功率＞30kW时才考虑配置交流电抗器。

（2）在直流环节串联直流电抗器：直流电抗器串联在直流中间环节母线中（端子+，-之间）。主要是减小输入电流的高次谐波成分，提高输入电源的功率因数（提高到0.95）。此电抗器可与交流电抗器同时使用。

（３）在变频器和电机间连接输出电抗器（图4）：由于电机与变频器之间的电缆存在分布电容，尤其是在电缆距离较长，且电缆较粗时，变频器经逆变输出后调制方波会在电路上产生一定的过电压，主要作用是补偿长线分布电容的影响，并能抑制输出谐波电流，提高输出高频阻抗,有效抑制dv/dt.减低高频漏电流,减小设备噪声，起到保护变频器及电机。

（图4）

（4）.选用适当滤波器

在变频器输入、输出电路中，有许多高频谐波电流，滤波器用于抑制变频器产生的电磁干扰噪声的传导，也可抑制外界无线电干扰以及瞬时冲击、浪涌对变频器的干扰，以改善输出谐波性能。

2、正确选择设备、改善散热

（1）根据使用环境、应用类型合理选择匹配的电机，按变频器说明书设置编码、步骤及电机额定参数、保护定值正确设置运行参数。

（2）按期检查维护电机冷却风机、散热风道，运行时保证不超负荷运行，适当地提高电动机和变频器的容量，减小其负载系数。

五结束语

本文介绍变频器供电条件下变频电机的温升问题，分析了由于变频电机的损耗和散热问题所引起的温升增大的原因，并通过实例阐述电动机的散热问题和变频电源对电机温升的影响，提出了减少损耗和改善散热方面的具体措施，为解决电动机温升问题提供参考。

参考文献：

（1）<电机绕组温度与温升的国家规定允许标准>2013年6月

（2）<PWM调制对无刷直流电机涡流的影响>《电工技术学报》2013第2期

（3）<通用变频器运行中存在的问题及对策>《电源变换技术》吴赤兵

作者简介：胡志祥男1969年5月电气工程师，主要从事电气高、低压开关设备、电机、变压器的意研究与应用。