變頻控制電機過熱損壞的原因分析及對策

1 故障現象
山西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，分別擔負著2臺熟料窖的供料任務，是生產流程中的一個關鍵環節。油隔泵為恒轉矩負載，電機采用變頻控制，根據生產需要，調節電機轉速以改變熟料窖的下料量。因泵的流量不同，一泵站電機工作頻率為25Hz左右，二、三泵站電機均為30Hz以上。9臺電機從1991年陸續投用以來運行穩定，基本上滿足了生產要求。但從1995年7月份起，電機普遍發熱嚴重，一泵站電機尤為明顯，3臺電機先后發生了匝間短路故障。原電機為10極、115kW，因無同型號備用電機，用別處改造換下的8極、130kW電機替代。可使用后發現，與原115kW電機相比，電機過熱現象更為嚴重，雖然加了軸流風機冷卻，但運行不到一周就發生繞組燒損故障。起初以為電機質量有問題，便又換了1臺130kW電機，運行時間不長，再次發生繞組過熱燒損。
2 原因分析
變頻器及油隔泵電機型號如下。變頻器型號：富士FRN160P5 5臺、FRN160P7 4臺。電機型號：JR127-10型，380V、115kW、238A，B級絕緣，1590kg，將轉子端接作籠型電機使用。代用電機型號：JS127-8型，380V、130kW、249A，B級絕緣，1300kg。
（1）變頻控制電機發熱的原因分析
1 高次諧波引起電機的效率和功率因數變差，電機損耗增加 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。由于普遍電機是按正弦波電源制造的，當有高次諧波流過電動機繞組時，銅損增大，并引起附加損耗，從而引起繞組發熱。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 電機低速運轉，散熱能力變差 使用變頻調速后電機往往處于低于額定轉速的運行狀態，標準電機的冷卻風扇裝在轉子軸上，所以在低頻下運轉的電機，因電機轉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換為三相交流電壓，通過控制六個橋臂的開關元件導通、關斷來實現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，由于電機繞組匝間電壓變化率du/dt很高，電機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，變頻控制對電機的絕緣等級的要求更高。
（2）115kW電機發熱原因分析
115kW電機發熱除上述原因外，還由于該電機長期運行在粉塵含量較高的環境中，未定期清掃，造成定轉子風道堵塞，致使氣流不暢，散熱效果降低，尤其是夏季，環境溫度高，電機工作溫度大大增加，導致電機過熱燒毀。
（3）代用電機過熱原因分析
除因高次諧波引起損耗增加，造成過熱外，主要原因還是電機工作頻率太低。
代用電機工作頻率僅為25Hz，電機的工作轉速為額定轉速的50%，這對于單靠自扇風冷的電機來說，散熱條件惡化。另外，從電機參數看，代換電機的重量，約為原電機重量的81.7%。熱流量與電機重量成正比，吸收相同的熱量，重量輕的130kW電機的溫升比115kW電機溫升要高，而兩個電機的外表面積基本相同，即散熱系數相同，對于電機發出相同的熱量，代用電機的穩定溫升要高出原電機。
3 對策
（1）合理選用變頻控制電機，原電機如果工作頻率達不到30Hz，在峰值電流不致引起過電流保護動作的情況下，可以極數更高的電機替代，尤其對于恒轉矩負載要適當加大電機的功率等級與電機極數，以提高其帶載能力；有條件的地方，應采用變頻專用電機。
（2）加強電機的計劃檢修，尤其在夏季來臨前，要對定轉子風道進行清掃，改善電機的散熱條件。在夏季時應采用外加風機對電機強迫風冷。
（3）將電子過熱保護器的整定值調小，配外加熱過載繼電器，最好在電機繞組內配PTC熱保護。
（4）提高電機的絕緣材料等級，如在電機檢修時，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使用壽命短的問題。
（5）盡可能提高電機的運行頻率。針對一泵站電機運行頻率低的問題，將原傳動皮帶輪改為小皮帶輪，通過計算其運行頻率可達到30Hz以上，使用證明電機工作頻率30Hz以上時，基本可以解決變頻電機的散熱問題。
在對油隔泵電機采取加強計劃筆錄，夏季強迫風冷及提高運行頻率等手段以后，基本上保證油隔泵電機的平穩運行，滿足了生產需要。