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看电抗器(进线电抗器)如何破解变频器损伤电机难题

      关键字:电抗器 进线电抗器 变频器  损伤电机      

      变频器的出现为工业自动化控制、电机节能带来了革新。工业生产中几乎离不开变频器,即使在日常生活中,电梯、变频空调也成为不可缺少的部分,变频器已经开始渗入到生产、生活的各个角落。然而,变频器也带来了许多前所未有的困扰,其中损伤电机就是最典型的现象之一,采用电抗器就能很好破解此类困扰。 

      很多人已经发现了变频器对电机损伤的现象。例如,某水泵厂,近两年来,他的用户频繁报告水泵在保修期内发生损坏的现象。而过去,这个水泵厂的产品质量十分可靠。经过调查,发现这些损坏的水泵都是用变频器驱动的。因此,理想的解决方案就是添加电抗器。尽管变频器损伤电机的现象越来越被人们所关注,但是人们对造成这种现象的机理还不清楚,更不知道如何来预防。本文的目的是利用电抗器解决这些困惑。
   
   1、变频器对电机的损伤
   变频器对电机的损伤包括两个方面,定子绕组的损伤和轴承的损伤,如图1所示。这种损伤一般发生在几周至十几个月内,具体时间与变频器的品牌、电机的品牌、电机的功率、变频器的载波频率、变频器与电机之间的电缆长度、环境温度等诸多因素有关。电机的早期意外损坏给企业的生产带来巨大的经济损失。这种损失不仅是电机维修和更换带来的费用,更主要的是意外停产带来的经济损失。因此,在使用变频器驱动电机时,必须对电机损伤的问题有足够的重视。

     2、变频器驱动与工频驱动的区别
    要了解工频电机在变频器驱动条件下更容易损坏的机理,首先了解变频器驱动电机的电压与工频电压有什么区别。然后再了解这种差别是如何对电机产生不良影响的。变频器的基本构造如图2所示,包括整流电路与逆变电路两部分。整流电路为普通二极管与滤波电容构成的直流电压输出电路,逆变电路将直流电压变换成脉宽调制的电压波形(PWM电压)。因此,变频器驱动电机的电压波形是脉宽变化的脉冲波形,而不是正弦波电压波形。用脉冲电压驱动电机就是导致电机容易损坏的根本原因。电抗器性能最佳!

    3、变频器损伤电机定子绕组的机理
   脉冲电压在电缆上传输时,如果电缆的电抗器阻抗与负载的阻抗不匹配,在负载端会产生反射。反射的结果是,入射波与反射波叠加,形成更高的电压,它的幅度最大可以达到直流母线电压的2倍,大约相当于变频器输入电压的3倍,如图3所示。过高的尖峰电压加在电机定子的电抗器上,对线圈造成电压冲击,频繁的过电压冲击会导致电机过早失效。

    变频器驱动的电机受到尖峰电压的冲击后,它的实际寿命与很多因素,包括,度、污染、振动、电压、载波频率以及线圈绝缘的工艺等因素有关。变频器的载波频率越高,输出电流波形越接近正弦波,这会降低电机的运行温度,从而延长绝缘的寿命。但是,更高的载波频率意味着每秒钟产生的尖峰电压数量更多,对电机的冲击的次数更多。图4给出了绝缘寿命随着电缆长度与载波频率的变化。从图中可知,对于200英尺长的电缆,当载波频率从3kHz提高到12kHz(变化4倍)时,绝缘的寿命从大约8万小时降低到2万小时(相差4倍)。电机的温度越高,绝缘的寿命越短,如图5所示,当温度升高到75?C时,电机的寿命只有50%。变频器驱动的电机电抗器,由于PWM电压包含较多的高频成份,电机温度会远高于工频电压驱动的情况。 

    4、变频器损伤电机轴承的机理
   变频器损伤电机轴承的原因是,有流过轴承的电抗器电流,并且这种电流处于断续连通的状态,断续连通的电路会产生电弧,电弧烧毁了轴承。导致交流电机的轴承中流过电流的原因主要有两个,第一,内部电磁场不平衡产生的感应电压,第二,杂散电容引起的高频电流通路。 

    理想交流感应电机内部的磁场是对称的,当三相绕组的电流相等,并且相位相差120?时,不会在电机的轴杆上感应出电压。变频器输出的PWM电压导致电机内部的磁场不对称时,就会在轴杆上感应出电压,电压的幅度在10~30V,这与驱动电压有关,电抗器驱动电压越高,轴杆上的电压越高。当这个电压的数值超过轴承中的润滑油的绝缘强度时,就会形成一个电流通路。轴杆旋转过程中,在某个时刻,润滑油的绝缘又阻断了电流。这个过程类似于机械式开关的通断过程,这个过程中会产生电弧,烧蚀轴杆、滚珠、轴碗的表面,形成凹坑。如果没有外部振动,小凹坑不会产生过大的影响,但是如果有外部振动时,会产生凹槽,这对电机的运转影响很大。

   

     另外,实验表明,轴杆上的电压还与变频器输出电压的电抗器基波频率有关,基波频率越低,轴杆上的电压越高,轴承损伤越严重。在马达工作的初期,润滑油温度较低的时候,电流幅度在5-200mA,这么小的电流不会对轴承产生任何损坏。但是,当马达运行一段时间后,随着电抗器润滑油温度升高,峰值电流会达到5-10A,这会产生飞弧,在电抗器轴承部件的表面形成小坑。
   
   5、电机定子绕组的保护
   当电缆的长度超过30米时,现代变频器必然会在电机端产生尖峰电压,缩短电机的寿命。防止电机出现损伤,有两个思路,一个是采用绕组绝缘抗电强度更高的电机(一般称为变频电机),另一个是采取措施减小尖峰电压。前一种措施适合于新建的项目,后一种措施适合于对已有的电机进行改造。目前常用的电机保护方法有以下3个: 

     1)在变频器的输出端安装电抗器(进线电抗器):这个措施最常用,且效果最佳,这个方法不论对于较短的电缆(30米以下)还是较长的电缆(300米以下)都有最优效果,目前针对变频器用电抗器主要有三种:BACL进线电抗器(输入电抗器)、BOCL出线电抗器(输出电抗器)、BDCL直流电抗器(平波电抗器)。

     2)在变频器的输出端安装dv/dt滤波器:这个措施适用于电缆长度小于300米的场合,价格略高于电抗器,但是效果有了明显的改善,如图6(d)所示。  

     3)在变频器的输出端安装正弦波滤波器:这个措施是最理想的(其实正弦波滤波器本本质上就是电抗器)。因为在这里,将PWM脉冲电压变成了正弦波电压,是电机工作在与工频电压相同的条件下,尖峰电压的问题得到了彻底的解决(电缆再长,也不会出现尖峰电压了)。

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