變頻控制電機(jī)過熱損壞的原因分析及其對策
1故障現(xiàn)象
某鋁廠氧化鋁二分廠三車間有3個油隔泵站，每個泵站3臺喂料油隔泵，分別擔(dān)負(fù)著2臺熟料窖的供料任務(wù)，是生產(chǎn)流程中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。油隔泵為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，電機(jī)采用變頻控制，根據(jù)生產(chǎn)需要，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速以改變熟料窖的下料量。因泵的流量不同，一泵站電機(jī)工作頻率為25Hz左右，二、三泵站電機(jī)均為30Hz以上。9臺電機(jī)從1991年陸續(xù)投用以來運行穩(wěn)定，基本上滿足了生產(chǎn)要求。但從1995年7月份起，電機(jī)普遍發(fā)熱嚴(yán)重，一泵站電機(jī)尤為明顯，3臺電機(jī)先后發(fā)生了匝間短路故障。原電機(jī)為10極、115kW，因無同型號備用電機(jī)，用別處改造換下的8極、130kW電機(jī)替代。可使用后發(fā)現(xiàn)，與原115kW電機(jī)相比，電機(jī)過熱現(xiàn)象更為嚴(yán)重，雖然加了軸流風(fēng)機(jī)冷卻，但運行不到一周就發(fā)生繞組燒損故障。起初以為電機(jī)質(zhì)量有問題，便又換了1臺130kW電機(jī)，運行時間不長，再次發(fā)生繞組過熱燒損。
2 原因分析
變頻器及油隔泵電機(jī)型號如下。變頻器型號：富士FRN160P5 5臺、FRN160P7 4臺。電機(jī)型號：JR127-10型，380V、115kW、238A，B級絕緣，1590kg，將轉(zhuǎn)子端接作籠型電機(jī)使用。代用電機(jī)型號：JS127-8型，380V、130kW、249A，B級絕緣，1300kg。
（1）變頻控制電機(jī)發(fā)熱的原因分析
1 高次諧波引起電機(jī)的效率和功率因數(shù)變差，電機(jī)損耗增加 變頻裝置用交-直-交控制，變頻器輸出的電壓、電流波形均有高次諧波。由于普遍電機(jī)是按正弦波電源制造的，當(dāng)有高次諧波流過電動機(jī)繞組時，銅損增大，并引起附加損耗，從而引起繞組發(fā)熱。有資料表明，變頻器傳動與工頻電源傳動相比，電流約增加10%，溫升約增加20%。
2 電機(jī)低速運轉(zhuǎn)，散熱能力變差 使用變頻調(diào)速后電機(jī)往往處于低于額定轉(zhuǎn)速的運行狀態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)的冷卻風(fēng)扇裝在轉(zhuǎn)子軸上，所以在低頻下運轉(zhuǎn)的電機(jī)，因電機(jī)轉(zhuǎn)速降低而使冷卻效果大幅度下降。
3 電壓變化率du/dt增高，電機(jī)故障率增加 目前市場上的變頻器大部分是交-直-交變頻器，其逆變部分是將直流電壓轉(zhuǎn)換為三相交流電壓，通過控制六個橋臂的開關(guān)元件導(dǎo)通、關(guān)斷來實現(xiàn)三相交流電壓的輸出。如常見的改變變頻器輸出電壓的PWM方式，它雖與正弦波電壓幅值等效，但實際上是由一系列矩形波組成，由于電機(jī)繞組匝間電壓變化率du/dt很高，電機(jī)繞組的電壓分布變得很不均勻，使繞組匝間短路的故障增加。從我廠變頻控制電機(jī)的故障情況來看，幾乎全是由匝間短路引起，由此可見，變頻控制對電機(jī)的絕緣等級的要求更高。
（2）115kW電機(jī)發(fā)熱原因分析
115kW電機(jī)發(fā)熱除上述原因外，還由于該電機(jī)長期運行在粉塵含量較高的環(huán)境中，未定期清掃，造成定轉(zhuǎn)子風(fēng)道堵塞，致使氣流不暢，散熱效果降低，尤其是夏季，環(huán)境溫度高，電機(jī)工作溫度大大增加，導(dǎo)致電機(jī)過熱燒毀。
（3）代用電機(jī)過熱原因分析
除因高次諧波引起損耗增加，造成過熱外，主要原因還是電機(jī)工作頻率太低。
代用電機(jī)工作頻率僅為25Hz，電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的50%，這對于單靠自扇風(fēng)冷的電機(jī)來說，散熱條件惡化。另外，從電機(jī)參數(shù)看，代換電機(jī)的重量，約為原電機(jī)重量的81.7%。熱流量與電機(jī)重量成正比，吸收相同的熱量，重量輕的130kW電機(jī)的溫升比115kW電機(jī)溫升要高，而兩個電機(jī)的外表面積基本相同，即散熱系數(shù)相同，對于電機(jī)發(fā)出相同的熱量，代用電機(jī)的穩(wěn)定溫升要高出原電機(jī)。
3 對策
（1）合理選用變頻控制電機(jī)，原電機(jī)如果工作頻率達(dá)不到30Hz，在峰值電流不致引起過電流保護(hù)動作的情況下，可以極數(shù)更高的電機(jī)替代，尤其對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載要適當(dāng)加大電機(jī)的功率等級與電機(jī)極數(shù)，以提高其帶載能力；有條件的地方，應(yīng)采用變頻專用電機(jī)。
（2）加強(qiáng)電機(jī)的計劃檢修，尤其在夏季來臨前，要對定轉(zhuǎn)子風(fēng)道進(jìn)行清掃，改善電機(jī)的散熱條件。在夏季時應(yīng)采用外加風(fēng)機(jī)對電機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷。
（3）將電子過熱保護(hù)器的整定值調(diào)小，配外加熱過載繼電器，*好在電機(jī)繞組內(nèi)配PTC熱保護(hù)。
（4）提高電機(jī)的絕緣材料等級，如在電機(jī)檢修時，將B級絕緣提高為F級絕緣，以提高匝間絕緣性能及繞組的耐熱能力，這樣可從根本上解決變頻控制電機(jī)使用壽命短的問題。
（5）盡可能提高電機(jī)的運行頻率。針對一泵站電機(jī)運行頻率低的問題，將原傳動皮帶輪改為小皮帶輪，通過計算其運行頻率可達(dá)到30Hz以上，使用證明電機(jī)工作頻率30Hz以上時，基本可以解決變頻電機(jī)的散熱問題。
在對油隔泵電機(jī)采取加強(qiáng)計劃筆錄，夏季強(qiáng)迫風(fēng)冷及提高運行頻率等手段以后，基本上保證油隔泵電機(jī)的平穩(wěn)運行，滿足了生產(chǎn)需要。