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  變頻器對(duì)大功率電機(jī)的損傷包括兩個(gè)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(gè)月內(nèi)，具體時(shí)間與變頻器的品牌、電機(jī)的品牌、電機(jī)的功率、變頻器的載波頻率、變頻器與大功率電機(jī)之間的電纜長(zhǎng)度、環(huán)境溫度等諸多因素有關(guān)。大功率電機(jī)的早期意外損壞給企業(yè)的生產(chǎn)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。這種損失不僅是電機(jī)維修和更換帶來(lái)的費(fèi)用，更主要的是意外停產(chǎn)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在使用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，必須對(duì)大功率電機(jī)損傷的問(wèn)題有足夠的重視。

一、變頻器驅(qū)動(dòng)與工頻驅(qū)動(dòng)的區(qū)別

  要了解工頻大功率電機(jī)在變頻器驅(qū)動(dòng)條件下更容易損壞的機(jī)理，首先了解變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(duì)電機(jī)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(dòng)電機(jī)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(dòng)電機(jī)就是導(dǎo)致電機(jī)容易損壞的根本原因。 

二、變頻器損傷大功率電機(jī)定子繞組的機(jī)理

  脈沖電壓在電纜上傳輸時(shí)，如果電纜的阻抗與負(fù)載的阻抗不匹配，在負(fù)載端會(huì)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(dá)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(guò)高的尖峰電壓加在大功率電機(jī)定子的線圈上，對(duì)線圈造成電壓沖擊，頻繁的過(guò)電壓沖擊會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過(guò)早失效。

  變頻器驅(qū)動(dòng)的大功率電機(jī)受到尖峰電壓的沖擊后，它的實(shí)際壽命與很多因素，包括，溫度、污染、振動(dòng)、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(huì)降低大功率電機(jī)的運(yùn)行溫度，從而延長(zhǎng)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(duì)電機(jī)的沖擊的次數(shù)更多。圖4給出了絕緣壽命隨著電纜長(zhǎng)度與載波頻率的變化。從圖中可知，對(duì)于200英尺長(zhǎng)的電纜，當(dāng)載波頻率從3kHz提高到12kHz（變化4倍）時(shí)，絕緣的壽命從大約8萬(wàn)小時(shí)降低到2萬(wàn)小時(shí)（相差4倍）。

  大功率電機(jī)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(shí)，電機(jī)的壽命只有50%。變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)，由于PWM電壓包含較多的高頻成份，電機(jī)溫度會(huì)遠(yuǎn)高于工頻電壓驅(qū)動(dòng)的情況。

三、變頻器損傷大功率電機(jī)軸承的機(jī)理

  變頻器損傷大功率電機(jī)軸承的原因是，有流過(guò)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(huì)產(chǎn)生電弧，電弧燒毀了軸承。

  導(dǎo)致交流電機(jī)的軸承中流過(guò)電流的原因主要有兩個(gè)，第一，內(nèi)部電磁場(chǎng)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(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)是對(duì)稱的，當(dāng)三相繞組的電流相等，并且相位相差120?時(shí)，不會(huì)在電機(jī)的軸桿上感應(yīng)出電壓。變頻器輸出的PWM電壓導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)不對(duì)稱時(shí)，就會(huì)在軸桿上感應(yīng)出電壓，電壓的幅度在10~30V，這與驅(qū)動(dòng)電壓有關(guān)，驅(qū)動(dòng)電壓越高，軸桿上的電壓越高。當(dāng)這個(gè)電壓的數(shù)值超過(guò)軸承中的潤(rùn)滑油的絕緣強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)電流通路。軸桿旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，在某個(gè)時(shí)刻，潤(rùn)滑油的絕緣又阻斷了電流。這個(gè)過(guò)程類似于機(jī)械式開(kāi)關(guān)的通斷過(guò)程，這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電弧，燒蝕軸桿、滾珠、軸碗的表面，形成凹坑。如果沒(méi)有外部振動(dòng)，小凹坑不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的影響，但是如果有外部振動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生凹槽，這對(duì)大功率電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)影響很大。 另外，實(shí)驗(yàn)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(dá)工作的初期，潤(rùn)滑油溫度較低的時(shí)候，電流幅度在5-200mA，這么小的電流不會(huì)對(duì)軸承產(chǎn)生任何損壞。但是，當(dāng)馬達(dá)運(yùn)行一段時(shí)間后，隨著潤(rùn)滑油溫度升高，峰值電流會(huì)達(dá)到5-10A，這會(huì)產(chǎn)生飛弧，在軸承部件的表面形成小坑。 

四、大功率電機(jī)定子繞組的保護(hù)

  當(dāng)電纜的長(zhǎng)度超過(guò)30米時(shí)，現(xiàn)代變頻器必然會(huì)在電機(jī)端產(chǎn)生尖峰電壓，縮短電機(jī)的壽命。防止大功率電機(jī)出現(xiàn)損傷，有兩個(gè)思路，一個(gè)是采用繞組絕緣抗電強(qiáng)度更高的電機(jī)（一般稱為變頻電機(jī)），另一個(gè)是采取措施減小尖峰電壓。前一種措施適合于新建的項(xiàng)目，后一種措施適合于對(duì)已有的電機(jī)進(jìn)行改造。目前常用的電機(jī)保護(hù)方法有以下4個(gè)：

  1)在變頻器的輸出端安裝電抗器：這個(gè)措施最常用，但是需要注意的是，這個(gè)方法對(duì)于較短的電纜（30米以下）有一定效果，但是有時(shí)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(gè)措施適用于電纜長(zhǎng)度小于300米的場(chǎng)合，價(jià)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(gè)措施是最理想的。因?yàn)樵谶@里，將PWM脈沖電壓變成了正弦波電壓，是大功率電機(jī)工作在與工頻電壓相同的條件下，尖峰電壓的問(wèn)題得到了徹底的解決（電纜再長(zhǎng)，也不會(huì)出現(xiàn)尖峰電壓了）。

  4) 在電纜與大功率電機(jī)接口的位置安裝尖峰電壓吸收器：前面幾個(gè)措施的缺點(diǎn)是當(dāng)電機(jī)的功率較大時(shí)，電抗器或?yàn)V波器的體積、重量很大，價(jià)格較高，另外，電抗器和濾波器都會(huì)導(dǎo)致一定的電壓降，影響電機(jī)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(diǎn)。航天科工集團(tuán)二院706所開(kāi)發(fā)的SVA尖峰電壓吸收器，采用先進(jìn)的電力電子技術(shù)和智能控制技術(shù)，是解決電機(jī)損傷的理想設(shè)備。另外，SVA尖峰吸收器還能保護(hù)大功率電機(jī)的軸承。

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