工频电机使用变频器注意事项.docx

变频器的基本构造包括整流电路与逆变电路两部分。整流电路为普通二极管与滤波电容构成的直流电压输出电路，逆变电路将直流电压变换成脉宽调制的电压波形（PWM 电压）。因此，变频器驱动电机的电压波形是脉宽变化的脉冲波形，而不是正弦波电压波形。用脉冲电压驱动电机就是导致电机容易损坏的根本原因。工频电机是直接使用市电工频作为电源驱动的交流电机，因此它的转速是由电源频率决定的，不能直接实现调速。但是，通过加装变频器，可以实现对工频电机的调速控制。变频器是一种将交流电源转换为可调频和可调电压的电力变换设备，它能够将市电的 50Hz/60Hz 电源转换为任意频率的交流电源，从而实现对工频电机的精确调速和控制。变频器可以根据需求调节输出电压和频率，从而改变电机的转速和扭矩，实现恒定功率输出或者匹配负载的需要。使用变频器对工频电机进行调速具有许多优点，例如能够提高电机效率、降低能耗、延长电机寿命、提高产品质量、减少噪音、减少机械磨损等。但是，使用变频器也存在一定的技术和安全难点，例如需要根据电机特性和负载情况进行参数设置和调试、需要保证变频器和电机的匹配性和兼容性、需要注意对电机过电压和过电流的保护、需要防止电磁干扰和电压波动对其他设备的影响、需要遵守相关安全规范和操作规程等。变频器损伤电机轴承的原因是，有流过轴承的电流，并且这种电流处于断续连通的状态，断续连通的电路会产生电弧，电弧烧毁了轴承。导致交流电机的轴承中流过电流的原因主要有两个，第一，内部电磁场不平衡产生的感应电压，第二，杂散电容引起的高频电流通路。理想交流感应电机内部的磁场是对称的，当变频器输出的 PWM电压导致电机内部的磁场不对称时，就会在轴杆上感应出电压，电压的幅度在 1030V，这与驱动电压有关，驱动电压越高，轴杆上的电压越高。当这个电压的数值超过轴承中的润滑油的绝缘强度时，就会形成一个电流通路。轴杆旋转过程中，在某个时刻，润滑油的绝缘又阻断了电流。这个过程类似于机械式开关的通断过程，这个过程中会产生电弧，烧蚀轴杆、滚珠、轴碗的表面，形成凹坑。如果没有外部振动，小凹坑不会产生过大的影响，但是如果有外部振动时，会产生凹槽，这对电机的运转影响很大。实验表明，轴杆上的电压还与变频器输出电压的基波频率有关，基波频率越低，轴杆上的电压越高，轴承损伤越严重。在电机工作的初期，润滑油温度较低的时候，电流幅度在 5-200mA，这么小的电流不会对轴承产生任何损坏。但是，当马达运行一段时间后，随着润滑油温度升高，峰值电流会达到5-10A，这会产生飞弧，在轴承部件的表面形成小坑。脉冲电压在电缆上传输时，如果电缆的阻抗与负载的阻抗不匹配，在负载端会产生反射。反射的结果是，入射波与反射波叠加，形成更高的电压，它的幅度最大可以达到直流母线电压的 2 倍，大约相当于变频器输入电压的 3 倍，过高的尖峰电压加在电机定子的线圈上，对线圈造成电压冲击，频繁的过电压冲击会导致电机过早失效。变频器驱动的电机受到尖峰电压的冲击后，它的实际寿命与很多因素，包括，温度、污染、振动、电压、载波频率以及线圈绝缘的工艺等因素有关。变频器的载波频率越高，输出电流波形越接近正弦波，这会降低电机的运行温度，从而延长绝缘的寿命。但是，更高的载波频率意味着每秒钟产生的尖峰电压数量更多，对电机的冲击的次数更多。图 4 给出了绝缘寿命随着电缆长度与载波频率的变化。对于 200 英尺长的电缆，当载波频率从 3kHz 提高到 12kHz（变化 4 倍）时，绝缘的寿命从大约 8 万小时降低到 2 万小时（相差 4 倍）。电机的温度越高，绝缘的寿命越短，当温度升高到 75?C 时，电机的寿命只有 50%。变频器驱动的电机，由于 PWM 电压包含较多的高频成份，电机温度会远高于工频电压驱动的情况。当电缆的长度超过 30 米时，现代变频器必然会在电机端产生尖峰电压，缩短电机的寿命。防止电机出现损伤，有两个思路，一个是采用绕组绝缘抗电强度更高的电机（一般称为变频电机），另一个是采取措施减小尖峰电压。前一种措施适合于新建的项目，后一种措施适合于对已有的电机进行改造。目前常用的电机保护方法有以下：在变频器的输出端安装电抗器：这个措施最常用，但是需要注意的是，这个方法对于较短的电缆（30 米以下）有一定效果，但是有时效果不够理想，在变频器的输出端安装 dv/dt 滤波器：这个措施适用于电缆长度小于 300 米的场合，价格略高于电抗器，但是效果有了明显的改善。在变频器的输出端安装正弦波滤波器：这个措施是最理想的。因为在这里，将 PWM 脉冲电压变成了正弦波电压，是电机工作在与工频电压相同的条件下，尖峰电压的问题得到了彻底的解决（电缆再长，也不会出现尖峰电压了）。在电缆与电机接口的位置安装尖峰电压吸收器：前面几个措施的缺点是当电机的功率较大时，电抗器或滤波器的体积、