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變頻器對電機損傷現(xiàn)象的產(chǎn)生原理和預(yù)防措施解讀

aIpM_gongkongwo ? 2017-11-29 15:50 ? 次閱讀

很多人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了變頻器電機損傷的現(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)象的機理還不清楚,更不知道如何來預(yù)防。本文的目的是解決這些困惑。

變頻器對電機的損傷包括兩個方面,定子繞組的損傷和軸承的損傷,如圖1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、電機的品牌、電機的功率、變頻器的載波頻率、變頻器與電機之間的電纜長度、環(huán)境溫度等諸多因素有關(guān)。

電機的早期意外損壞給企業(yè)的生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟損失。這種損失不僅是電機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)濟損失。因此,在使用變頻器驅(qū)動電機時,必須對電機損傷的問題有足夠的重視。

變頻器對電機的損傷

變頻器驅(qū)動與工頻驅(qū)動的區(qū)別

要了解工頻電機在變頻器驅(qū)動條件下更容易損壞的機理,首先了解變頻器驅(qū)動電機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)動電機就是導(dǎo)致電機容易損壞的根本原因。

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)致電機過早失效。

變頻器驅(qū)動的電機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)。

載波頻率對絕緣的影響

電機的溫度越高,絕緣的壽命越短,如圖5所示,當(dāng)溫度升高到75?C時,電機的壽命只有50%。變頻器驅(qū)動的電機,由于PWM電壓包含較多的高頻成份,電機溫度會遠(yuǎn)高于工頻電壓驅(qū)動的情況。

變頻器損傷電機軸承的原因是,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,不會在電機的軸桿上感應(yīng)出電壓。變頻器輸出的PWM電壓導(dǎo)致電機內(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,(公眾號;泵管家)這對電機的運轉(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)馬達運行一段時間后,隨著潤滑油溫度升高,峰值電流會達到5-10A,這會產(chǎn)生飛弧,在軸承部件的表面形成小坑。

電機定子繞組的保護

當(dāng)電纜的長度超過30米時,現(xiàn)代變頻器必然會在電機端產(chǎn)生尖峰電壓,縮短電機的壽命。防止電機出現(xiàn)損傷,有兩個思路,一個是采用繞組絕緣抗電強度更高的電機(一般稱為變頻電機),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進行改造。

目前常用的電機保護方法有以下4個:

1)在變頻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。

3)在變頻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)。

4)在電纜與電機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。

航天科工集團二院706所開發(fā)的SVA尖峰電壓吸收器,采用先進的電力電子技術(shù)和智能控制技術(shù),是解決電機損傷的理想設(shè)備。另外,SVA尖峰吸收器還能保護電機的軸承。

尖峰電壓吸收器是一種新型的電機保護裝置,如圖7所示(航天科工集團的SVA型號)。并聯(lián)連接電機的電源輸入端。

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:

1)尖峰電壓檢測電路實時檢測電機電源線上的電壓幅度;

2)當(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;

3)當(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;

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(在保證電機受到保護的前提下),避免尖峰電壓吸收器過熱而損壞;

5)軸承電流吸收電路的作用是將軸承電流吸收掉,保護電機軸承。

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保護方法相比,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濾波器和正弦波濾波器上都會有一定的電壓降,正弦波濾波器的電壓降接近10%,這會導(dǎo)致電機的轉(zhuǎn)矩降低。

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原文標(biāo)題:變頻器對電機的損傷, 你應(yīng)該要了解一下!

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