通用變頻器對普通三相異步電機(jī)起動的影響

摘 要：電動機(jī)作為現(xiàn)代社會最主要的動力源，是目前生活和工作中應(yīng)用最廣泛的機(jī)器設(shè)備之一。電動機(jī)啟動故障將直接導(dǎo)致機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不但會影響日常生活和阻礙正常生產(chǎn)，甚至?xí)斐砂踩鹿?。文章就通用變頻器對普通三相異步電機(jī)起動的影響進(jìn)行了分析和探討。

關(guān)鍵詞：電動機(jī)；故障；通用變頻器

三相異步電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子由機(jī)座中的定子繞組和定子鐵芯組成，轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)子鐵芯組成。按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)不同，可將異步電機(jī)分為籠型和繞線轉(zhuǎn)子兩大類。籠型異步電機(jī)構(gòu)造簡單，價(jià)格較低，維護(hù)方便，逐漸已成為應(yīng)用最廣泛的電動機(jī)之一。繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)構(gòu)造復(fù)雜，價(jià)格相對較高，但因其調(diào)速、啟動性好等優(yōu)點(diǎn)，具有非常好的應(yīng)用前景。三相異步電機(jī)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(shí)，就會在電機(jī)內(nèi)部形成一個旋轉(zhuǎn)磁場，通過旋轉(zhuǎn)磁場切割電子繞組，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場的作用下產(chǎn)生電磁力，進(jìn)而在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上形成電碰轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

1.對電機(jī)技術(shù)參數(shù)的影響

電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，轉(zhuǎn)子的感生電動勢、感抗、電流和轉(zhuǎn)矩均受供電電源頻率的影響。當(dāng)使用變頻器牽引異步三相電機(jī)時(shí)，變頻器產(chǎn)生的高次諧波進(jìn)入電機(jī)，引起電機(jī)轉(zhuǎn)子感抗的變化，在電機(jī)轉(zhuǎn)子電路中產(chǎn)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(jī)轉(zhuǎn)子繞組銅耗和鐵芯鐵耗的增加，這些損耗都會使異步電機(jī)的效率和功率因數(shù)降低，而這些損耗大部分的能量都轉(zhuǎn)變成熱能，引起電機(jī)的附加發(fā)熱，導(dǎo)致普通異步電機(jī)工作溫度的上升。電機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)在不斷進(jìn)行著電磁與磁電的能量轉(zhuǎn)換，進(jìn)入電機(jī)的高次諧波也必然參與到這些磁電或電磁能量的轉(zhuǎn)換中去，并會在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生隨諧波脈動的諧波電磁轉(zhuǎn)矩。諧波磁動勢和轉(zhuǎn)子諧波電流合成產(chǎn)生的恒定諧波電磁轉(zhuǎn)矩與隨諧波脈動的諧波電磁轉(zhuǎn)矩共同作用將會引起電機(jī)磁場的脈動，這些脈動會引起電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩振動，造成電機(jī)轉(zhuǎn)速振蕩和轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。這種現(xiàn)象主要發(fā)生在電機(jī)低速運(yùn)行階段，例如電機(jī)在10hz頻率下運(yùn)行時(shí)，就能明顯觀察到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。

2.對電機(jī)絕緣可靠性的影響

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，為了最大限度減少輸出中的低次諧波和改善調(diào)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(shí)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(jī)時(shí)，電機(jī)定子繞組上所承受電壓的分布不均勻。關(guān)于在高幅值、短波頭的電壓陡波下電機(jī)定子繞組匝間分布的研究結(jié)果表明，繞組匝間電壓分布與dv/dt有關(guān)。當(dāng)電壓上升時(shí)間t<0.3us時(shí)，繞組的前幾匝所承受的電壓應(yīng)力將超過正常值的1倍以上；當(dāng)t<50ns時(shí)，電機(jī)定子繞組的首端幾匝將承擔(dān)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(qiáng)度的電應(yīng)力作用下，使得電機(jī)繞組的首、尾匝經(jīng)常成為絕緣被擊穿的故障點(diǎn)。使用變頻器牽引普通三相異步電機(jī)時(shí)，作用于電機(jī)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(zhì)有很大的差異，變頻器控制的電機(jī)其絕緣系統(tǒng)所承受的電壓是正常電壓和逆變器換向時(shí)所產(chǎn)生的尖峰電壓的疊加值，其實(shí)際承受的過電壓是正常電壓值的數(shù)倍?，F(xiàn)在大多數(shù)變頻器都采用PWM逆變器，通過PWM逆變器產(chǎn)生上升和下降時(shí)間極短的開關(guān)脈沖波形，一般波形的前后沿上升或下降時(shí)間在20—100us，器件開關(guān)的頻率能達(dá)到幾千赫茲，甚至上萬赫茲。當(dāng)每個脈沖換向的瞬間，脈沖波形的極性從正，快速轉(zhuǎn)換成負(fù)或從負(fù)轉(zhuǎn)換成正，此時(shí)電機(jī)的定子繞組承受的電壓上升速度很快。試驗(yàn)得出，此時(shí)電機(jī)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(jī)繞組將會產(chǎn)生局部電暈，電化腐蝕繞組絕緣材料，隨著電機(jī)運(yùn)行的延續(xù)，不斷危害著電機(jī)絕緣系統(tǒng)的可靠性。目前普通異步電機(jī)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(jī)繞組的電磁線在高頻電場作用下，繞組匝間會產(chǎn)生表面的局部電暈放電。

3.變頻器牽引普通三相異步應(yīng)用對策

相關(guān)研究表明，當(dāng)快速上升或下降的電壓從電源端通過電纜輸送到電機(jī)端，如果兩者間的阻抗不匹配，電源端的能量就不能被負(fù)載完全消耗，多余的能量將沿電纜產(chǎn)生一個反射波，反射波到達(dá)逆變器端后將再感應(yīng)出另一個由電纜和變頻器阻抗不匹配而產(chǎn)生的反射波，并疊加到原始電壓波上，從而使給電機(jī)供電的電壓波前沿產(chǎn)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(dá)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(shí)，相關(guān)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(jìn)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(jī)可以再較寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)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(jī)的冷卻帶來不利影響。風(fēng)機(jī)在低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，冷卻風(fēng)量與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速成指數(shù)關(guān)系，即風(fēng)葉風(fēng)量的減少是成指數(shù)關(guān)系減少的。這樣會使電機(jī)在低速時(shí)嚴(yán)重缺少冷卻風(fēng)量，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是積聚的熱量就難以被及時(shí)帶走，造成電機(jī)運(yùn)行發(fā)熱，降低電機(jī)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(jī)需要加設(shè)獨(dú)立的恒轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)，以確保電機(jī)在所有速區(qū)的冷卻效果。

結(jié)束語：總體而言，引起電機(jī)啟動故障的原因很多，因此在實(shí)際使用過程中，要按照正確的方法進(jìn)行操作，定期檢查電機(jī)，故障發(fā)生時(shí)，要運(yùn)用正確方法進(jìn)行故障處理。這就要求我們必須要熟悉常見故障的特點(diǎn)及原因，爭取做到抓住關(guān)鍵，及時(shí)準(zhǔn)確進(jìn)行維護(hù)，抓緊時(shí)間，盡快排出故障，減少損失。

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