變頻器供電條件下感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的溫升問題剖析

1 引言

為節(jié)約能源和改善工藝控制，越來越多的工業(yè)過程利用變頻器來提高生產(chǎn)系統(tǒng)的綜合效率。變頻器輸出的pwm脈沖電壓諧波成分豐富、脈沖頻率高且上升沿陡直，這種狀況與用50hz的交流正弦波驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的狀況大不相同，在能量轉(zhuǎn)換過程中，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部將不可避免地產(chǎn)生損耗，使電動(dòng)機(jī)的溫度升高。當(dāng)溫升超過最高容許工作溫度時(shí)，電動(dòng)機(jī)的使用壽命將大幅縮短。為此，研究電動(dòng)機(jī)的溫升問題及其緩解對(duì)策是十分重要的。此外，由于電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，散熱條件不同，電機(jī)內(nèi)部各個(gè)部分的溫度分布和溫升也不完全相同，然而目前卻很少有具體的數(shù)據(jù)資料可供參考。

本文首先介紹電動(dòng)機(jī)的溫升限度，然后通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和原理分析相結(jié)合的方法說明變頻器供電條件下電動(dòng)機(jī)的溫升問題，進(jìn)而介紹緩解溫升的對(duì)策。

2 電動(dòng)機(jī)的溫升限度

電動(dòng)機(jī)中常用的絕緣材料，按其耐熱能力，分為a、e、b、f和h等五級(jí)。a級(jí)絕緣采用經(jīng)過浸漬或使用時(shí)浸于油中的棉紗、絲和紙等有機(jī)材料，e級(jí)絕緣是聚脂樹脂、環(huán)氧樹脂及三醋酸纖維等制成的絕緣薄膜，b、f、h級(jí)絕緣的基本材料均為云母、石棉及玻璃纖維，但浸漬用漆的耐熱性能不同。表1列出各級(jí)絕緣的最高容許工作溫度。

上述耐熱能力是指可以長(zhǎng)期在該溫度下使用。當(dāng)工作溫度超過最高容許工作溫度時(shí)，使用壽命將迅速縮短。試驗(yàn)表明，對(duì)a級(jí)絕緣，若一直處于90～95℃時(shí)，其使用壽命可達(dá)20年；當(dāng)工作溫度在95℃以上時(shí)，溫度每增高8℃，絕緣的使用壽命就將減少一半（俗稱8℃定理）；例如一直工作在110℃，壽命就只有4～5年。

一般電動(dòng)機(jī)多用e級(jí)和b級(jí)絕緣。要求在高溫場(chǎng)合下使用的電動(dòng)機(jī)，如起重及冶金用電動(dòng)機(jī)，常采用f級(jí)和h級(jí)絕緣。

電動(dòng)機(jī)某一部分的溫度和周圍冷卻介質(zhì)的溫度之差稱為該部件的溫升，一般用θ表示。當(dāng)該部分所用絕緣材料確定后，部件的最高容許工作溫度就確定了，此時(shí)溫升限度就取決于冷卻介質(zhì)的溫度。冷卻介質(zhì)的溫度越高，容許的溫升就越低。

考慮到全國(guó)各地區(qū)和各個(gè)季節(jié)環(huán)境溫度的變化較大，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb755-87（電動(dòng)機(jī)基本技術(shù)要求）明確規(guī)定，在海拔1000m以下時(shí)，環(huán)境空氣溫度規(guī)定為40℃，當(dāng)最高環(huán)境溫度比40℃高出δt0時(shí)（δt0不超過20℃），溫升限度應(yīng)相應(yīng)地減低δt0；如低于40℃時(shí)，溫升限度一般維持原值不變。當(dāng)海拔在1000m以上，但不超過4000m時(shí)，溫升限度按試驗(yàn)和使用地點(diǎn)的海拔差別進(jìn)行校正。

電動(dòng)機(jī)試制以后，須進(jìn)行溫升試驗(yàn)以確定其實(shí)際溫升。由于不同的測(cè)量方法得到的測(cè)量結(jié)果不同，因此在規(guī)定溫升限度的同時(shí)，還應(yīng)規(guī)定測(cè)溫方法。常用的測(cè)量方法有三種：溫度計(jì)法、電阻法和埋置檢溫計(jì)法。國(guó)標(biāo)中所規(guī)定的部件容許最高溫度，也因測(cè)量方法不同而不同。例如環(huán)境空氣溫度為40℃時(shí)，采用b級(jí)絕緣的5000kw以下的交流電動(dòng)機(jī)的交流繞組，其溫升限度規(guī)定為：電阻法—80℃；檢溫計(jì)法—90℃；加上環(huán)境溫度后，其值低于或等于b級(jí)材料的容許工作溫度。

3 變頻供電時(shí)電動(dòng)機(jī)的溫升

對(duì)于變頻器供電電動(dòng)機(jī)而言，由于高次諧波的存在，電機(jī)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生以下附加損耗：

（1）高次諧波帶來的定子和轉(zhuǎn)子附加銅損耗；

（2）高次諧波帶來的定子附加鐵耗；

（3）高次諧波帶來的附加雜散損耗；

（4）三相異步電動(dòng)機(jī)在高頻下運(yùn)行時(shí)，集膚效應(yīng)使轉(zhuǎn)子電阻增加導(dǎo)致轉(zhuǎn)差銅耗顯著增加。

這些高次諧波電壓和電流產(chǎn)生的附加損耗，致使電動(dòng)機(jī)溫升增大。

另一方面，對(duì)于普通標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)而言，冷卻風(fēng)扇直接安裝在轉(zhuǎn)子軸上，電動(dòng)機(jī)低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)冷卻效果大幅下降，更會(huì)加劇電動(dòng)機(jī)溫升的提高。通常電動(dòng)機(jī)溫升同冷卻風(fēng)量產(chǎn)生的冷卻效果的關(guān)系為：

式中，q為冷卻風(fēng)量，n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。如果電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的損耗不變，溫升同轉(zhuǎn)速的0.4～0.5次方成反比。

總之，電動(dòng)機(jī)特別是普通電動(dòng)機(jī)在采用變頻器供電時(shí)，由于發(fā)熱和散熱兩方面因素會(huì)致使電動(dòng)機(jī)溫升增大。電動(dòng)機(jī)溫升增大影響繞組的使用壽命，限制電動(dòng)機(jī)的輸出，嚴(yán)重的甚至?xí)龤щ妱?dòng)機(jī)。

文獻(xiàn)［1］介紹的實(shí)際測(cè)量溫升的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于了解電動(dòng)機(jī)的溫度分布規(guī)律特別是變頻電源對(duì)電動(dòng)機(jī)溫升的影響十分有用。以一臺(tái)三相4極230v，2.2kw的籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別采用典型的spwm變頻器（運(yùn)行在50hz）和工頻正弦供電，將電機(jī)溫升情況作對(duì)比。采用專門的設(shè)計(jì)和制造方法，在電動(dòng)機(jī)體內(nèi)（定子、轉(zhuǎn)子、氣隙、殼體）安置或埋置了20個(gè)熱敏電阻傳感器（性能穩(wěn)定、精度高），其中三個(gè)傳感器放置在轉(zhuǎn)子中。定子端部繞組傳感器位于定子繞組的徑向中心位置（位置1、位置10），一般地，取軸伸端和風(fēng)扇端的兩個(gè)傳感器的溫度平均值作為最終溫度。

溫度傳感器布局如圖1所示。

傳感器安裝位置說明：

轉(zhuǎn)子：13（軸中心），14（軸伸側(cè)表面），15（風(fēng)扇側(cè)表面）；

定子繞組端部：1（軸伸側(cè)），10（風(fēng)扇側(cè)）；

定子鐵心槽部：17（軸伸側(cè)），4（風(fēng)扇側(cè)）；

殼內(nèi)空間氣隙：8（軸伸側(cè)），19（軸伸側(cè)靠近定子繞組），20（風(fēng)扇側(cè)）；電動(dòng)機(jī)殼體：6。

工頻正弦和變頻電源供電的情況下，每一個(gè)溫度點(diǎn)都測(cè)量大量的數(shù)據(jù)，由最小二乘法得到該點(diǎn)的溫度曲線。

圖2所示是滿載條件下，由變頻器和正弦電源分別供電時(shí)對(duì)應(yīng)各測(cè)量點(diǎn)的溫度曲線。圖3所示是變頻器供電電動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷條件下的溫度曲線（工作頻率為50hz）。圖4所示是正弦波供電時(shí)不同負(fù)載條件下的溫度曲線圖。

顯而易見，在變頻器和正弦電源供電條件下，溫度曲線具有相同的上升趨勢(shì)。由變頻器諧波引起的附加溫升較大，定子側(cè)為7℃左右（位置1），轉(zhuǎn)子側(cè)大約為15℃（位置13）。對(duì)于結(jié)構(gòu)材料相似的其他容量的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，上述結(jié)果同樣適用。另外，電動(dòng)機(jī)各部位溫度分布差異很大，定子端部繞組（位置1）的溫度低于定子中心（位置17）溫度，這是因?yàn)槎ㄗ佣瞬坷@組冷卻條件比較好；同時(shí)由于風(fēng)扇的冷卻作用，風(fēng)扇側(cè)的定子端部繞組（位置10）溫度和殼內(nèi)空間氣隙（位置20）溫度均低于相應(yīng)軸伸側(cè)的定子端部繞組（位置1）溫度和殼內(nèi)氣隙（位置8）溫度。由于熱量傳遞的復(fù)雜性以及冷卻條件的不一致，溫度和損耗的關(guān)系是非線性的。

對(duì)于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載而言，低速運(yùn)行時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，電動(dòng)機(jī)銅耗和發(fā)熱量降低，雖然低速時(shí)冷卻能力降低（如采用自冷式或自扇冷式），但電動(dòng)機(jī)溫升增大的不會(huì)太多。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載而言，低速運(yùn)行時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，電動(dòng)機(jī)銅耗和發(fā)熱量并不比高速運(yùn)行時(shí)小，而低速時(shí)冷卻能力卻降低了，因此電動(dòng)機(jī)溫升將會(huì)有較大的增大，使用時(shí)要特別注意。

表2給出了變頻器供電條件下y100i2-4型自扇冷式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)溫升的影響實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)。

由上表中可以看出變頻調(diào)速時(shí)，雖然電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、輸出功率都隨頻率的下降而降低（即發(fā)熱量減?。?，但電動(dòng)機(jī)的溫度卻升高了，特別是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在30hz以下時(shí)，溫升尤其嚴(yán)重。因此可見，電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行后其溫升增加幾乎是不可避免的，特別是普通電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，極易發(fā)生過熱現(xiàn)象。為此，了解電動(dòng)機(jī)的溫升緩解方法是十分重要的。

4 緩解電動(dòng)機(jī)溫升的對(duì)策

溫升是影響電動(dòng)機(jī)使用壽命的關(guān)鍵因素，電動(dòng)機(jī)溫升的“8℃定理”就是這一觀點(diǎn)的佐證。如前所述，電動(dòng)機(jī)在變頻器供電時(shí)的溫升會(huì)比工頻電源時(shí)有明顯增加，一般地，電機(jī)運(yùn)行頻率越低溫升越高。切實(shí)需要采取措施，限制或緩解電動(dòng)機(jī)溫升的增加，保證設(shè)備安全運(yùn)行。

在電動(dòng)機(jī)選定的條件下，限制或緩解電動(dòng)機(jī)溫升無非有兩個(gè)方面，一是合理地減少損耗，即降低發(fā)熱量；再就是改善冷卻條件，使熱能有效地散發(fā)出去。

減少損耗的根本措施一是抑制諧波，二是限制負(fù)載轉(zhuǎn)矩，具體措施如下：

（1）采取各種抑制諧波的措施，例如在變頻器的輸出側(cè)加裝濾波器，以改善輸出諧波性能，減少由于高次諧波引起的附加損耗。

（2）合理調(diào)試“載波頻率”參數(shù)，改善諧波性能，減小電動(dòng)機(jī)的各種損耗。一般認(rèn)為載波頻率適度提高，高次諧波含量將降低，電機(jī)損耗小。但是必須注意：載波頻率過高將加劇電動(dòng)機(jī)的沖擊電壓，對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣不利，而且變頻器自身的損耗要增大，因此載波頻率的設(shè)置也不宜過高。

（3）對(duì)于減負(fù)載場(chǎng)合或電動(dòng)機(jī)輕載運(yùn)行情形，適度減低變頻器輸出電壓，即減小u/f給定。

（4）對(duì)于減負(fù)載場(chǎng)合，適當(dāng)降低最高運(yùn)行頻率限制，降低電機(jī)出力。

（5）適當(dāng)?shù)靥岣唠妱?dòng)機(jī)和變頻器的容量，減小其負(fù)載系數(shù)。

另外，如果生產(chǎn)工藝允許，電動(dòng)機(jī)輕載使用也是一種簡(jiǎn)單有效的方法。

圖5示出變頻供電時(shí)（變頻器容量與電機(jī)容量的組合為1∶1）電動(dòng)機(jī)容許的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和短時(shí)最大轉(zhuǎn)矩特性的一例。這些特性隨電機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)等的不同而不同，詳細(xì)情況需要根據(jù)各廠家提供的資料進(jìn)行研究。

圖5中，容許連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩表示通用電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以將電機(jī)溫升限制在規(guī)定值以內(nèi)的容許轉(zhuǎn)矩值。如用220v、60hz電源以20hz的速度連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)時(shí)，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩在電機(jī)額定值的80%以內(nèi)，則可以使電機(jī)的溫升不超過規(guī)定值。最大轉(zhuǎn)矩表示通用電機(jī)用變頻器傳動(dòng)時(shí)電機(jī)可以產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩值。以此轉(zhuǎn)矩值不能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，所以為短時(shí)定額。

在提高散熱能力方面的具體措施：

（1）選用變頻專用電動(dòng)機(jī)或采用強(qiáng)迫通風(fēng)式電動(dòng)機(jī)。

（2）改造原有設(shè)備，另設(shè)專用冷卻風(fēng)扇。

另外，如果生產(chǎn)工藝允許，限制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的最低頻率，保證自扇冷式電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的冷卻能力，也是一種簡(jiǎn)單有效的方法。

值得指出的是，目前大量使用的普通中小型交流電動(dòng)機(jī)都是按恒頻/恒壓（50hz/380v）設(shè)計(jì)的，為了降低成本這些電動(dòng)機(jī)都是自帶風(fēng)扇型冷卻的，冷卻風(fēng)量也是基本按電動(dòng)機(jī)額定速度設(shè)計(jì)的，較少考慮電動(dòng)機(jī)調(diào)速（降速）后，自扇冷式電動(dòng)機(jī)的散熱能力下降的問題。在變頻器廣泛應(yīng)用的今天，這種電動(dòng)機(jī)實(shí)際上已經(jīng)不能適應(yīng)變頻調(diào)速的要求，變頻電動(dòng)機(jī)是理想的選擇之一。相比普通交流電動(dòng)機(jī)，目前變頻電動(dòng)機(jī)價(jià)格昂貴，許多企業(yè)難以承受。改造中小型電動(dòng)機(jī)冷卻方式，即采用他扇冷式這種以往多用于大型電動(dòng)機(jī)的冷卻方式，是一種簡(jiǎn)單有效且價(jià)廉物美的方案。

應(yīng)用通用變頻器改造舊有的普通異步機(jī)恒速系統(tǒng)時(shí)，尤其應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)問題。對(duì)于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載（如風(fēng)機(jī)、水泵）一般直接選用容量適當(dāng)?shù)淖冾l器即可；但是對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載應(yīng)注意實(shí)測(cè)或估算電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的頻率，判明電動(dòng)機(jī)實(shí)際功耗與電動(dòng)機(jī)余量。對(duì)于調(diào)速范圍比較寬的電動(dòng)機(jī)，特別是具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速兩個(gè)運(yùn)行范圍的電動(dòng)機(jī)，不能采用自扇冷式電動(dòng)機(jī)，這種方式對(duì)高速和低速都不利，低速時(shí)冷卻效果差，高速時(shí)冷卻能力過剩使系統(tǒng)效率下降。

4 結(jié)束語

本文研究了變頻器供電條件下感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的溫升問題，分析了由于電動(dòng)機(jī)的損耗和散熱問題所引起的電動(dòng)機(jī)溫升增大的原因，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳實(shí)的說明電動(dòng)機(jī)的溫度分布規(guī)律和變頻電源對(duì)電機(jī)溫升的影響，提出了減少損耗和改善散熱方面的具體措施，為解決電動(dòng)機(jī)溫升問題提供了參考。