變頻器供電條件下電動機的溫升與對策

朱亞娜

摘要：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)動電動機的狀況大不相同，在能量轉(zhuǎn)換過程中，電動機內(nèi)部將不可避免地產(chǎn)生損耗，使電動機的溫度升高。當溫升超過最高容許工作溫度時，電動機的使用壽命將大幅縮短。為此，研究電動機的溫升問題及其緩解對策是十分重要的。

關(guān)鍵詞：電動機；溫升；對策

中圖分類號：TM3 文獻標識碼：A

1 電動機的溫升限度

電動機中常用的絕緣材料，按其耐熱能力，分為A、E、B、F和H等五級。表1列出各級絕緣的最高容許工作溫度。

上述耐熱能力是指可以長期在該溫度下使用。當工作溫度超過最高容許工作溫度時，使用壽命將迅速縮短。試驗表明，對A級絕緣，若一直處于90～95℃時，其使用壽命可達20年；當工作溫度在95℃以上時，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。

電動機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。當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。

考慮到全國各地區(qū)和各個季節(jié)環(huán)境溫度的變化較大，國家標準GB755-87（電動機基本技術(shù)要求）明確規(guī)定，在海拔1000m以下時，環(huán)境空氣溫度規(guī)定為40℃，當最高環(huán)境溫度比40℃高出Δt0時（Δt0不超過20℃），溫升限度應(yīng)相應(yīng)地減低Δt0；如低于40℃時，溫升限度一般維持原值不變。當海拔在1000m以上，但不超過4000m時，溫升限度按試驗和使用地點的海拔差別進行校正。

2 變頻供電時電動機的溫升

對于變頻器供電電動機而言，由于高次諧波的存在，電機內(nèi)部會產(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；④三相異步電動機在高頻下運行時，集膚效應(yīng)使轉(zhuǎn)子電阻增加導致轉(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，致使電動機溫升增大，效率降低，輸出功率減小。另一方面，對于普通標準電動機而言，冷卻風扇直接安裝在轉(zhuǎn)子軸上，電動機低頻運轉(zhuǎn)時冷卻效果大幅下降，更會加劇電動機溫升的提高。對于平方轉(zhuǎn)矩負載而言，低速運行時負載轉(zhuǎn)矩減小，電動機銅耗和發(fā)熱量降低，雖然低速時冷卻能力降低（如采用自冷式或自扇冷式），但電動機溫升增大的不會太多。對于恒轉(zhuǎn)矩負載而言，低速運行時負載轉(zhuǎn)矩不變，電動機銅耗和發(fā)熱量并不比高速運行時小，二低速時冷卻能力降低了，因此電動機溫升將會有較大的增大，使用時要特別注意。有實驗數(shù)據(jù)標明采用變頻調(diào)速時，雖然電動機的轉(zhuǎn)矩、輸出功率都隨頻率的下降而降低（即發(fā)熱量減小），但電動機的溫度卻升高了，特別是電動機運行在30Hz以下時，溫升尤其嚴重。因此，電動機變頻運行后期溫升增加幾乎是不可斃命的，特別是普通電動機低速運行時，極易發(fā)生過熱現(xiàn)象。為此，了解電動機的溫升緩解方法是十分重要的。

3 緩解電動機溫升的對策

溫升是影響電動機使用壽命的關(guān)鍵因素，電動機溫升的“8℃定理”就是這一觀點的佐證。如前所述，電動機在變頻器供電時的溫升會比工頻電源時有明顯增加，一般地，電機運行頻率越低溫升越高。切實需要采取措施，限制或緩解電動機溫升的增加，保證設(shè)備安全運行。在電動機選定的條件下，限制或緩解電動機溫升無非有兩個方面，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，減小電動機的各種損耗。一般認為載波頻率適度提高，高次諧波含量將降低，電機損耗小。但是必須注意：載波頻率過高將加劇電動機的沖擊電壓，對電動機絕緣不利，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對于減負載場合或電動機輕載運行情形，適度減低變頻器輸出電壓，即減小U/f給定。④對于減負載場合，適當降低最高運行頻率限制，降低電機出力。⑤適當?shù)靥岣唠妱訖C和變頻器的容量，減小其負載系數(shù)。

在提高散熱能力方面的具體措施：①選用變頻專用電動機或采用強迫通風式電動機。②改造原有設(shè)備，另設(shè)專用冷卻風扇。另外，如果生產(chǎn)工藝允許，限制電動機運行的最低頻率，保證自扇冷式電動機在低速時的冷卻能力，也是一種簡單有效的方法。

本文研究了變頻器供電條件下感應(yīng)電動機的溫升問題，分析了由于電動機的損耗和散熱問題所引起的電動機溫升增大的原因，提出了減少損耗和改善扇熱方面的具體措施。