通用變頻器對普通三相異步電機起動的影響

摘 要：電動機作為現代社會最主要的動力源，是目前生活和工作中應用最廣泛的機器設備之一。電動機啟動故障將直接導致機器的正常運轉，不但會影響日常生活和阻礙正常生產，甚至會造成安全事故。文章就通用變頻器對普通三相異步電機起動的影響進行了分析和探討。

關鍵詞：電動機；故障；通用變頻器

三相異步電機由定子和轉子組成，定子由機座中的定子繞組和定子鐵芯組成，轉子由轉子繞組和轉子鐵芯組成。按轉子的結構不同，可將異步電機分為籠型和繞線轉子兩大類。籠型異步電機構造簡單，價格較低，維護方便，逐漸已成為應用最廣泛的電動機之一。繞線轉子異步電機構造復雜，價格相對較高，但因其調速、啟動性好等優點，具有非常好的應用前景。三相異步電機的繞組是一個相對對稱的三相繞組，在將定子繞組通入對稱的三相交流電流時，就會在電機內部形成一個旋轉磁場，通過旋轉磁場切割電子繞組，從而產生感應電流，轉子導體在定子旋轉磁場的作用下產生電磁力，進而在電機轉軸上形成電碰轉矩，驅動電機旋轉。

1.對電機技術參數的影響

電機轉動時，轉子的感生電動勢、感抗、電流和轉矩均受供電電源頻率的影響。當使用變頻器牽引異步三相電機時，變頻器產生的高次諧波進入電機，引起電機轉子感抗的變化，在電機轉子電路中產生諧波電動勢和諧波電流。不同幅值和頻率的諧波電動勢和諧波電流必將引起電機轉子繞組銅耗和鐵芯鐵耗的增加，這些損耗都會使異步電機的效率和功率因數降低，而這些損耗大部分的能量都轉變成熱能，引起電機的附加發熱，導致普通異步電機工作溫度的上升。電機運行過程中，電機在不斷進行著電磁與磁電的能量轉換，進入電機的高次諧波也必然參與到這些磁電或電磁能量的轉換中去，并會在轉子中產生隨諧波脈動的諧波電磁轉矩。諧波磁動勢和轉子諧波電流合成產生的恒定諧波電磁轉矩與隨諧波脈動的諧波電磁轉矩共同作用將會引起電機磁場的脈動，這些脈動會引起電機電磁轉矩振動，造成電機轉速振蕩和轉速不穩定。這種現象主要發生在電機低速運行階段，例如電機在10hz頻率下運行時，就能明顯觀察到電機運轉不穩定。

2.對電機絕緣可靠性的影響

隨著電力電子技術的發展，為了最大限度減少輸出中的低次諧波和改善調速性能，變頻器都使用了很高的載波頻率，脈沖寬度很窄，因而電壓上升時間dv/dt很短，上升速度很快。使用變頻器牽引普通三相異步電機時，電機定子繞組上所承受電壓的分布不均勻。關于在高幅值、短波頭的電壓陡波下電機定子繞組匝間分布的研究結果表明，繞組匝間電壓分布與dv/dt有關。當電壓上升時間t<0.3us時，繞組的前幾匝所承受的電壓應力將超過正常值的1倍以上；當t<50ns時，電機定子繞組的首端幾匝將承擔約80%的定子端電壓，該位置承受的匝間電壓超過平均匝間電壓的10倍以上。在如此高強度的電應力作用下，使得電機繞組的首、尾匝經常成為絕緣被擊穿的故障點。使用變頻器牽引普通三相異步電機時，作用于電機繞組線圈的電壓（波形、極性、電壓的幅值）在匝間絕緣上的性質有很大的差異，變頻器控制的電機其絕緣系統所承受的電壓是正常電壓和逆變器換向時所產生的尖峰電壓的疊加值，其實際承受的過電壓是正常電壓值的數倍。現在大多數變頻器都采用PWM逆變器，通過PWM逆變器產生上升和下降時間極短的開關脈沖波形，一般波形的前后沿上升或下降時間在20—100us，器件開關的頻率能達到幾千赫茲，甚至上萬赫茲。當每個脈沖換向的瞬間，脈沖波形的極性從正，快速轉換成負或從負轉換成正，此時電機的定子繞組承受的電壓上升速度很快。試驗得出，此時電機絕緣承受著一個二倍于尖峰電壓的沖擊過電壓。在這樣高的沖擊電壓作用下，電機繞組將會產生局部電暈，電化腐蝕繞組絕緣材料，隨著電機運行的延續，不斷危害著電機絕緣系統的可靠性。目前普通異步電機所使用的漆包線多為聚脂薄膜漆包線，電磁線絕緣漆的表面在高倍顯微鏡下可以清晰地看到存在大量微孔，電機繞組的電磁線在高頻電場作用下，繞組匝間會產生表面的局部電暈放電。

3.變頻器牽引普通三相異步應用對策

相關研究表明，當快速上升或下降的電壓從電源端通過電纜輸送到電機端，如果兩者間的阻抗不匹配，電源端的能量就不能被負載完全消耗，多余的能量將沿電纜產生一個反射波，反射波到達逆變器端后將再感應出另一個由電纜和變頻器阻抗不匹配而產生的反射波，并疊加到原始電壓波上，從而使給電機供電的電壓波前沿產生一個很高的尖峰電壓。這個尖峰電壓的幅值隨電纜長度的增加而增加，在到達尖峰電壓的臨界值后，隨電纜長度的增加而很小幅度的降低。同時，相關研究還表明，這種尖峰電壓是一種振蕩衰減電壓波，它主要集中在定子繞組的進線端，對繞組端口處的絕緣造成影響，易造成繞組端口處絕緣損壞。變頻器的使用使三相異步電機可以再較寬的頻率范圍內實現連續的無級速度變化以及平滑的控制啟制動，但是頻繁的工作在低速工況條件下，會對普通三相異步電機的冷卻帶來不利影響。風機在低于額定轉速時，冷卻風量與風機轉速成指數關系，即風葉風量的減少是成指數關系減少的。這樣會使電機在低速時嚴重缺少冷卻風量，電機運轉是積聚的熱量就難以被及時帶走，造成電機運行發熱，降低電機輸出功率。因此，對于使用變頻器牽引的普通三相異步電動機需要加設獨立的恒轉速風機，以確保電機在所有速區的冷卻效果。

結束語：總體而言，引起電機啟動故障的原因很多，因此在實際使用過程中，要按照正確的方法進行操作，定期檢查電機，故障發生時，要運用正確方法進行故障處理。這就要求我們必須要熟悉常見故障的特點及原因，爭取做到抓住關鍵，及時準確進行維護，抓緊時間，盡快排出故障，減少損失。

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