浅谈变频器供电条件下电动机的温升与对策

1 引言 为节约能源和改善工艺控制，越来越多的工业过程利用变频器来提高生产系统的综合效率。变频器输出的PWM脉冲电压谐波成分丰富、脉冲频率高且上升沿陡直，这种状况与用50Hz的交流正弦波驱动电动机的状况大不相同，在能量转换过程中，电动机内部将不可避免地产生损耗，使电动机的温度升高。当温升超过最高容许工作温度时，电动机的使用寿命将大幅缩短。为此，研究电动机的温升问题及其缓解对策是十分重要的。此外，由于电机结构复杂，散热条件不同，电机内部各个部分的温度分布和温升也不完全相同[1]，然而目前却很少有具体的数据资料可供参考。 本文首先介绍电动机的温升限度，然后通过试验数据和原理分析相结合的方法说明变频器供电条件下电动机的温升问题，进而介绍缓解温升的对策。 2 电动机的温升限度 电动机中常用的绝缘材料，按其耐热能力，分为A、E、B、F和H等五级。A级绝缘采用经过浸渍或使用时浸于油中的棉纱、丝和纸等有机材料，E级绝缘是聚脂树脂、环氧树脂及三醋酸纤维等制成的绝缘薄膜，B、F、H级绝缘的基本材料均为云母、石棉及玻璃纤维，但浸渍用漆的耐热性能不同。表1列出各级绝缘的最高容许工作温度。 表1 各级绝缘的最高容许工作温度 上述耐热能力是指可以长期在该温度下使用。当工作温度超过最高容许工作温度时，使用寿命将迅速缩短。试验表明，对A级绝缘，若一直处于90～95℃时，其使用寿命可达20年；当工作温度在95℃以上时，温度每增高8℃，绝缘的使用寿命就将减少一半（俗称8℃定理）；例如一直工作在110℃，寿命就只有4～5年。 一般电动机多用E级和B级绝缘。要求在高温场合下使用的电动机，如起重及冶金用电动机，常采用F级和H级绝缘。 电动机某一部分的温度和周围冷却介质的温度之差称为该部件的温升，一般用θ表示。当该部分所用绝缘材料确定后，部件的最高容许工作温度就确定了，此时温升限度就取决于冷却介质的温度。冷却介质的温度越高，容许的温升就越低。 考虑到全国各地区和各个季节环境温度的变化较大，国家标准GB755-87（电动机基本技术要求）明确规定，在海拔1000m以下时，环境空气温度规定为40℃，当最高环境温度比40℃高出Δt0时(Δt0不超过20℃），温升限度应相应地减低Δt0；如低于40℃时，温升限度一般维持原值不变。当海拔在1000m以上，但不超过4000m时，温升限度按试验和使用地点的海拔差别进行校正[2]。 电动机试制以后，须进行温升试验以确定其实际温升。由于不同的测量方法得到的测量结果不同，因此在规定温升限度的同时，还应规定测温方法。常用的测量方法有三种：温度计法、电阻法和埋置检温计法。国标中所规定的部件容许最高温度，也因测量方法不同而不同。例如环境空气温度为40℃时，采用B级绝缘的5000kW以下的交流电动机的交流绕组，其温升限度规定为：电阻法—80℃；检温计法—90℃；加上环境温度后，其值低于或等于B级材料的容许工作温度。 3 变频供电时电动机的温升 对于变频器供电电动机而言，由于高次谐波的存在，电机内部会产生以下附加损耗[3]： （1）高次谐波带来的定子和转子附加铜损耗； （2）高次谐波带来的定子附加铁耗； （3）高次谐波带来的附加杂散损耗； （4）三相异步电动机在高频下运行时，集肤效应使转子电阻增加导致转差铜耗显著增加。 这些高次谐波电压和电流产生的附加损耗，致使电动机温升增大。 另一方面，对于普通标准电动机而言，冷却风扇直接安装在转子轴上，电动机低频运转时冷却效果大幅下降，更会加剧电动机温升的提高。通常电动机温升同冷却风量产生的冷却效果的关系为[4]： 式中，Q为冷却风量，N为电动机转速。如果电动机产生的损耗不变，温升同转速的0.4～0.5次方成反比。 总之，电动机特别是普通电动机在采用变频器供电时，由于发热和散热两方面因素会致使电动机温升增大。电动机温升增大影响绕组的使用寿命，限制电动机的输出，严重的甚至会烧毁电动机。 文献[1]介绍的实际测量温升的实验结果，对于了解电动机的温度分布规律特别是变频电源对电动机温升的影响十分有用。以一台三相4极230V，2.2kW的笼型感应电动机为实验对象，分别采用典型的SPWM变频器（运行在50Hz）和工频正弦供电，将电机温升情况作对比。采用专门的设计和制造方法，在电动机体内（定子、转子、气隙、壳体）安置或埋置了20个热敏电阻传感器（性能稳定、精度高），其中三个传感器放置在转子中。定子端部绕组传感器位于定子绕组的径向中心位置（位置1、位置10），一般地，取轴伸端和风扇端的两个传感器的温度平均值作为最终温度。 温度传感器布局如图1所示。 图1 温度传感器分布图 传感器安装位置说明： 转子：13（轴中心），14（轴伸侧表面），15（风扇侧表面）； 定子绕组端部：1（轴伸侧），10（风扇侧）； 定子铁心槽部：17（轴伸侧），4（风扇侧）； 壳内空间气隙：8（轴伸侧），19（轴伸侧靠近定子绕组），20（风扇侧）；电动机壳体：6。 工频正弦和变频电源供电的情况下，每一个温度点都测量大量的数据，由最小二乘法得到该点的温度曲线。 图2所示是满载条件下，由变频器和正弦电源分别供电时对应各测量点的温度曲线。图3所示是变频器供电电动机在不同负荷条件下的温度曲线（工作频率为50Hz）。图4所示是正弦波供电时不同负载条件下的温度曲线图。 图2 满载条件下温度曲线 图3 不同负载条件下的温度曲线 图4 正弦供电时不同负载条件下温度曲线 显而易见，在变频器和正弦电源供电条件下，温度曲线具有相同的上升趋势。由变频器谐波引起的附加温升较大，定子侧为7℃左右（位置1），转子侧大约为15℃（位置13）。对于结构材料相似的其他容量的感应电动机，上述结果同样适用。另外,电动机各部位温度分布差异很大，定子端部绕组（位置1）的温度低于定子中心（位置17）温度，这是因为定子端部绕组冷却条件比较好；同时由于风扇的冷却作用，风扇侧的定子端部绕组（位置10）温度和壳内空间气隙（位置20）温度均低于相应轴伸侧的定子端部绕组（位置1）温度和壳内气隙（位置8）温度。由于热量传递的复杂性以及冷却条件的不一致，温度和损耗的关系是非线性的。 对于平方转矩负载而言，低速运行时负载转矩减小，电动机铜耗和发热量降低，虽然低速时冷却能力降低（如采用自冷式或自扇冷式），但电动机温升增大的不会太多。对于恒转矩负载而言，低速运行时负载转矩不变，电动机铜耗和发热量并不比高速运行时小，而低速时冷却能力却降低了，因此电动机温升将会有较大的增大，使用时要特别注意。 表2给出了变频器供电条件下Y100I2-4型自扇冷式电动机的转速对温升的影响实测的数据。 表2 自扇冷式电动机的转速对温升的影响实测的数据 由上表中可以看出变频调速时，虽然电动机的转矩、输出功率都随频率的下降而降低（即发热量减小）,但电动机的温度却升高了，特别是电动机运行在30Hz以下时，温升尤其严重。因此可见，电动机变频运行后其温升增加几乎是不可避免的，特别是普通电动机低速运行时，极易发生过热现象。为此，了解电动机的温升缓解方法是十分重要的。 4 缓解电动机温升的对策 温升是影响电动机使用寿命的关键因素，电动机温升的“8℃定理”就是这一观点的佐证。如前所述，电动机在变频器供电时的温升会比工频电源时有明显增加，一般地，电机运行频率越低温升越高。切实需要采取措施，限制或缓解电动机温升的增加，保证设备安全运行。 在电动机选定的条件下，限制或缓解电动机温升无非有两个方面，一是合理地减少损耗，即降低发热量；再就是改善冷却条件，使热能有效地散发出去。 减少损耗的根本措施一是抑制谐波，二是限制负载转矩，具体措施如下： （1）采取各种抑制谐波的措施，例如在变频器的输出侧加装滤波器，以改善输出谐波性能，减少由于高次谐波引起的附加损耗。 （2）合理调试“载波频率”参数，改善谐波性能，减小电动机的各种损耗。一般认为载波频率适度提高，高次谐波含量将降低，电机损耗小。但是必须注意：载波频率过高将加剧电动机的冲击电压，对电动机绝缘不利，而且变频器自身的损耗要增大，因此载波频率的设置也不宜过高。 （3）对于减负载场合或电动机轻载运行情形，适度减低变频器输出电压，即减小U/f给定。 （4）对于减负载场合，适当降低最高运行频率限制，降低电机出力。 （5）适当地提高电动机和变频器的容量，减小其负载系数。 另外，如果生产工艺允许，电动机轻载使用也是一种简单有效的方法。 图5示出变频供电时（变频器容量与电机容量的组合为1∶1）电动机容许的连续运转转矩和短时最大转矩特性的一例[4]。这些特性随电机的种类、结构等的不同