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看電抗器(進(jìn)線(xiàn)電抗器)如何破解變頻器損傷電機難題
發(fā)布日期:2020-03-24
關(guān)鍵字:電抗器 進(jìn)線(xiàn)電抗器 變頻器 損傷電機
變頻器的出現為工業(yè)自動(dòng)化控制、電機節能帶來(lái)了革新。工業(yè)生產(chǎn)中幾乎離不開(kāi)變頻器,即使在日常生活中,電梯、變頻空調也成為不可缺少的部分,變頻器已經(jīng)開(kāi)始滲入到生產(chǎn)、生活的各個(gè)角落。然而,變頻器也帶來(lái)了許多前所未有的困擾,其中損傷電機就是最典型的現象之一,采用電抗器就能很好破解此類(lèi)困擾。
很多人已經(jīng)發(fā)現了變頻器對電機損傷的現象。例如,某水泵廠(chǎng),近兩年來(lái),他的用戶(hù)頻繁報告水泵在保修期內發(fā)生損壞的現象。而過(guò)去,這個(gè)水泵廠(chǎng)的產(chǎn)品質(zhì)量十分可靠。經(jīng)過(guò)調查,發(fā)現這些損壞的水泵都是用變頻器驅動(dòng)的。因此,理想的解決方案就是添加電抗器。盡管變頻器損傷電機的現象越來(lái)越被人們所關(guān)注,但是人們對造成這種現象的機理還不清楚,更不知道如何來(lái)預防。本文的目的是利用電抗器解決這些困惑。
1、變頻器對電機的損傷
變頻器對電機的損傷包括兩個(gè)方面,定子繞組的損傷和軸承的損傷,如圖1所示。這種損傷一般發(fā)生在幾周至十幾個(gè)月內,具體時(shí)間與變頻器的品牌、電機的品牌、電機的功率、變頻器的載波頻率、變頻器與電機之間的電纜長(cháng)度、環(huán)境溫度等諸多因素有關(guān)。電機的早期意外損壞給企業(yè)的生產(chǎn)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟損失。這種損失不僅是電機維修和更換帶來(lái)的費用,更主要的是意外停產(chǎn)帶來(lái)的經(jīng)濟損失。因此,在使用變頻器驅動(dòng)電機時(shí),必須對電機損傷的問(wèn)題有足夠的重視。
2、變頻器驅動(dòng)與工頻驅動(dòng)的區別
要了解工頻電機在變頻器驅動(dòng)條件下更容易損壞的機理,首先了解變頻器驅動(dòng)電機的電壓與工頻電壓有什么區別。然后再了解這種差別是如何對電機產(chǎn)生不良影響的。變頻器的基本構造如圖2所示,包括整流電路與逆變電路兩部分。整流電路為普通二極管與濾波電容構成的直流電壓輸出電路,逆變電路將直流電壓變換成脈寬調制的電壓波形(PWM電壓)。因此,變頻器驅動(dòng)電機的電壓波形是脈寬變化的脈沖波形,而不是正弦波電壓波形。用脈沖電壓驅動(dòng)電機就是導致電機容易損壞的根本原因。電抗器性能最佳!
3、變頻器損傷電機定子繞組的機理
脈沖電壓在電纜上傳輸時(shí),如果電纜的電抗器阻抗與負載的阻抗不匹配,在負載端會(huì )產(chǎn)生反射。反射的結果是,入射波與反射波疊加,形成更高的電壓,它的幅度最大可以達到直流母線(xiàn)電壓的2倍,大約相當于變頻器輸入電壓的3倍,如圖3所示。過(guò)高的尖峰電壓加在電機定子的電抗器上,對線(xiàn)圈造成電壓沖擊,頻繁的過(guò)電壓沖擊會(huì )導致電機過(guò)早失效。
變頻器驅動(dòng)的電機受到尖峰電壓的沖擊后,它的實(shí)際壽命與很多因素,包括,度、污染、振動(dòng)、電壓、載波頻率以及線(xiàn)圈絕緣的工藝等因素有關(guān)。變頻器的載波頻率越高,輸出電流波形越接近正弦波,這會(huì )降低電機的運行溫度,從而延長(cháng)絕緣的壽命。但是,更高的載波頻率意味著(zhù)每秒鐘產(chǎn)生的尖峰電壓數量更多,對電機的沖擊的次數更多。圖4給出了絕緣壽命隨著(zhù)電纜長(cháng)度與載波頻率的變化。從圖中可知,對于200英尺長(cháng)的電纜,當載波頻率從3kHz提高到12kHz(變化4倍)時(shí),絕緣的壽命從大約8萬(wàn)小時(shí)降低到2萬(wàn)小時(shí)(相差4倍)。電機的溫度越高,絕緣的壽命越短,如圖5所示,當溫度升高到75?C時(shí),電機的壽命只有50%。變頻器驅動(dòng)的電機電抗器,由于PWM電壓包含較多的高頻成份,電機溫度會(huì )遠高于工頻電壓驅動(dòng)的情況。
4、變頻器損傷電機軸承的機理
變頻器損傷電機軸承的原因是,有流過(guò)軸承的電抗器電流,并且這種電流處于斷續連通的狀態(tài),斷續連通的電路會(huì )產(chǎn)生電弧,電弧燒毀了軸承。導致交流電機的軸承中流過(guò)電流的原因主要有兩個(gè),第一,內部電磁場(chǎng)不平衡產(chǎn)生的感應電壓,第二,雜散電容引起的高頻電流通路。
理想交流感應電機內部的磁場(chǎng)是對稱(chēng)的,當三相繞組的電流相等,并且相位相差120?時(shí),不會(huì )在電機的軸桿上感應出電壓。變頻器輸出的PWM電壓導致電機內部的磁場(chǎng)不對稱(chēng)時(shí),就會(huì )在軸桿上感應出電壓,電壓的幅度在10~30V,這與驅動(dòng)電壓有關(guān),電抗器驅動(dòng)電壓越高,軸桿上的電壓越高。當這個(gè)電壓的數值超過(guò)軸承中的潤滑油的絕緣強度時(shí),就會(huì )形成一個(gè)電流通路。軸桿旋轉過(guò)程中,在某個(gè)時(shí)刻,潤滑油的絕緣又阻斷了電流。這個(gè)過(guò)程類(lèi)似于機械式開(kāi)關(guān)的通斷過(guò)程,這個(gè)過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生電弧,燒蝕軸桿、滾珠、軸碗的表面,形成凹坑。如果沒(méi)有外部振動(dòng),小凹坑不會(huì )產(chǎn)生過(guò)大的影響,但是如果有外部振動(dòng)時(shí),會(huì )產(chǎn)生凹槽,這對電機的運轉影響很大。
另外,實(shí)驗表明,軸桿上的電壓還與變頻器輸出電壓的電抗器基波頻率有關(guān),基波頻率越低,軸桿上的電壓越高,軸承損傷越嚴重。在馬達工作的初期,潤滑油溫度較低的時(shí)候,電流幅度在5-200mA,這么小的電流不會(huì )對軸承產(chǎn)生任何損壞。但是,當馬達運行一段時(shí)間后,隨著(zhù)電抗器潤滑油溫度升高,峰值電流會(huì )達到5-10A,這會(huì )產(chǎn)生飛弧,在電抗器軸承部件的表面形成小坑。
5、電機定子繞組的保護
當電纜的長(cháng)度超過(guò)30米時(shí),現代變頻器必然會(huì )在電機端產(chǎn)生尖峰電壓,縮短電機的壽命。防止電機出現損傷,有兩個(gè)思路,一個(gè)是采用繞組絕緣抗電強度更高的電機(一般稱(chēng)為變頻電機),另一個(gè)是采取措施減小尖峰電壓。前一種措施適合于新建的項目,后一種措施適合于對已有的電機進(jìn)行改造。目前常用的電機保護方法有以下3個(gè):
1)在變頻器的輸出端安裝電抗器(進(jìn)線(xiàn)電抗器):這個(gè)措施最常用,且效果最佳,這個(gè)方法不論對于較短的電纜(30米以下)還是較長(cháng)的電纜(300米以下)都有最優(yōu)效果,目前針對變頻器用電抗器主要有三種:BACL進(jìn)線(xiàn)電抗器(輸入電抗器)、BOCL出線(xiàn)電抗器(輸出電抗器)、BDCL直流電抗器(平波電抗器)。
2)在變頻器的輸出端安裝dv/dt濾波器:這個(gè)措施適用于電纜長(cháng)度小于300米的場(chǎng)合,價(jià)格略高于電抗器,但是效果有了明顯的改善,如圖6(d)所示。
3)在變頻器的輸出端安裝正弦波濾波器:這個(gè)措施是最理想的(其實(shí)正弦波濾波器本本質(zhì)上就是電抗器)。因為在這里,將PWM脈沖電壓變成了正弦波電壓,是電機工作在與工頻電壓相同的條件下,尖峰電壓的問(wèn)題得到了徹底的解決(電纜再長(cháng),也不會(huì )出現尖峰電壓了)。
變頻器的出現為工業(yè)自動(dòng)化控制、電機節能帶來(lái)了革新。工業(yè)生產(chǎn)中幾乎離不開(kāi)變頻器,即使在日常生活中,電梯、變頻空調也成為不可缺少的部分,變頻器已經(jīng)開(kāi)始滲入到生產(chǎn)、生活的各個(gè)角落。然而,變頻器也帶來(lái)了許多前所未有的困擾,其中損傷電機就是最典型的現象之一,采用電抗器就能很好破解此類(lèi)困擾。
很多人已經(jīng)發(fā)現了變頻器對電機損傷的現象。例如,某水泵廠(chǎng),近兩年來(lái),他的用戶(hù)頻繁報告水泵在保修期內發(fā)生損壞的現象。而過(guò)去,這個(gè)水泵廠(chǎng)的產(chǎn)品質(zhì)量十分可靠。經(jīng)過(guò)調查,發(fā)現這些損壞的水泵都是用變頻器驅動(dòng)的。因此,理想的解決方案就是添加電抗器。盡管變頻器損傷電機的現象越來(lái)越被人們所關(guān)注,但是人們對造成這種現象的機理還不清楚,更不知道如何來(lái)預防。本文的目的是利用電抗器解決這些困惑。
1、變頻器對電機的損傷
變頻器對電機的損傷包括兩個(gè)方面,定子繞組的損傷和軸承的損傷,如圖1所示。這種損傷一般發(fā)生在幾周至十幾個(gè)月內,具體時(shí)間與變頻器的品牌、電機的品牌、電機的功率、變頻器的載波頻率、變頻器與電機之間的電纜長(cháng)度、環(huán)境溫度等諸多因素有關(guān)。電機的早期意外損壞給企業(yè)的生產(chǎn)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟損失。這種損失不僅是電機維修和更換帶來(lái)的費用,更主要的是意外停產(chǎn)帶來(lái)的經(jīng)濟損失。因此,在使用變頻器驅動(dòng)電機時(shí),必須對電機損傷的問(wèn)題有足夠的重視。
2、變頻器驅動(dòng)與工頻驅動(dòng)的區別
要了解工頻電機在變頻器驅動(dòng)條件下更容易損壞的機理,首先了解變頻器驅動(dòng)電機的電壓與工頻電壓有什么區別。然后再了解這種差別是如何對電機產(chǎn)生不良影響的。變頻器的基本構造如圖2所示,包括整流電路與逆變電路兩部分。整流電路為普通二極管與濾波電容構成的直流電壓輸出電路,逆變電路將直流電壓變換成脈寬調制的電壓波形(PWM電壓)。因此,變頻器驅動(dòng)電機的電壓波形是脈寬變化的脈沖波形,而不是正弦波電壓波形。用脈沖電壓驅動(dòng)電機就是導致電機容易損壞的根本原因。電抗器性能最佳!
3、變頻器損傷電機定子繞組的機理
脈沖電壓在電纜上傳輸時(shí),如果電纜的電抗器阻抗與負載的阻抗不匹配,在負載端會(huì )產(chǎn)生反射。反射的結果是,入射波與反射波疊加,形成更高的電壓,它的幅度最大可以達到直流母線(xiàn)電壓的2倍,大約相當于變頻器輸入電壓的3倍,如圖3所示。過(guò)高的尖峰電壓加在電機定子的電抗器上,對線(xiàn)圈造成電壓沖擊,頻繁的過(guò)電壓沖擊會(huì )導致電機過(guò)早失效。
變頻器驅動(dòng)的電機受到尖峰電壓的沖擊后,它的實(shí)際壽命與很多因素,包括,度、污染、振動(dòng)、電壓、載波頻率以及線(xiàn)圈絕緣的工藝等因素有關(guān)。變頻器的載波頻率越高,輸出電流波形越接近正弦波,這會(huì )降低電機的運行溫度,從而延長(cháng)絕緣的壽命。但是,更高的載波頻率意味著(zhù)每秒鐘產(chǎn)生的尖峰電壓數量更多,對電機的沖擊的次數更多。圖4給出了絕緣壽命隨著(zhù)電纜長(cháng)度與載波頻率的變化。從圖中可知,對于200英尺長(cháng)的電纜,當載波頻率從3kHz提高到12kHz(變化4倍)時(shí),絕緣的壽命從大約8萬(wàn)小時(shí)降低到2萬(wàn)小時(shí)(相差4倍)。電機的溫度越高,絕緣的壽命越短,如圖5所示,當溫度升高到75?C時(shí),電機的壽命只有50%。變頻器驅動(dòng)的電機電抗器,由于PWM電壓包含較多的高頻成份,電機溫度會(huì )遠高于工頻電壓驅動(dòng)的情況。
4、變頻器損傷電機軸承的機理
變頻器損傷電機軸承的原因是,有流過(guò)軸承的電抗器電流,并且這種電流處于斷續連通的狀態(tài),斷續連通的電路會(huì )產(chǎn)生電弧,電弧燒毀了軸承。導致交流電機的軸承中流過(guò)電流的原因主要有兩個(gè),第一,內部電磁場(chǎng)不平衡產(chǎn)生的感應電壓,第二,雜散電容引起的高頻電流通路。
理想交流感應電機內部的磁場(chǎng)是對稱(chēng)的,當三相繞組的電流相等,并且相位相差120?時(shí),不會(huì )在電機的軸桿上感應出電壓。變頻器輸出的PWM電壓導致電機內部的磁場(chǎng)不對稱(chēng)時(shí),就會(huì )在軸桿上感應出電壓,電壓的幅度在10~30V,這與驅動(dòng)電壓有關(guān),電抗器驅動(dòng)電壓越高,軸桿上的電壓越高。當這個(gè)電壓的數值超過(guò)軸承中的潤滑油的絕緣強度時(shí),就會(huì )形成一個(gè)電流通路。軸桿旋轉過(guò)程中,在某個(gè)時(shí)刻,潤滑油的絕緣又阻斷了電流。這個(gè)過(guò)程類(lèi)似于機械式開(kāi)關(guān)的通斷過(guò)程,這個(gè)過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生電弧,燒蝕軸桿、滾珠、軸碗的表面,形成凹坑。如果沒(méi)有外部振動(dòng),小凹坑不會(huì )產(chǎn)生過(guò)大的影響,但是如果有外部振動(dòng)時(shí),會(huì )產(chǎn)生凹槽,這對電機的運轉影響很大。
另外,實(shí)驗表明,軸桿上的電壓還與變頻器輸出電壓的電抗器基波頻率有關(guān),基波頻率越低,軸桿上的電壓越高,軸承損傷越嚴重。在馬達工作的初期,潤滑油溫度較低的時(shí)候,電流幅度在5-200mA,這么小的電流不會(huì )對軸承產(chǎn)生任何損壞。但是,當馬達運行一段時(shí)間后,隨著(zhù)電抗器潤滑油溫度升高,峰值電流會(huì )達到5-10A,這會(huì )產(chǎn)生飛弧,在電抗器軸承部件的表面形成小坑。
5、電機定子繞組的保護
當電纜的長(cháng)度超過(guò)30米時(shí),現代變頻器必然會(huì )在電機端產(chǎn)生尖峰電壓,縮短電機的壽命。防止電機出現損傷,有兩個(gè)思路,一個(gè)是采用繞組絕緣抗電強度更高的電機(一般稱(chēng)為變頻電機),另一個(gè)是采取措施減小尖峰電壓。前一種措施適合于新建的項目,后一種措施適合于對已有的電機進(jìn)行改造。目前常用的電機保護方法有以下3個(gè):
1)在變頻器的輸出端安裝電抗器(進(jìn)線(xiàn)電抗器):這個(gè)措施最常用,且效果最佳,這個(gè)方法不論對于較短的電纜(30米以下)還是較長(cháng)的電纜(300米以下)都有最優(yōu)效果,目前針對變頻器用電抗器主要有三種:BACL進(jìn)線(xiàn)電抗器(輸入電抗器)、BOCL出線(xiàn)電抗器(輸出電抗器)、BDCL直流電抗器(平波電抗器)。
2)在變頻器的輸出端安裝dv/dt濾波器:這個(gè)措施適用于電纜長(cháng)度小于300米的場(chǎng)合,價(jià)格略高于電抗器,但是效果有了明顯的改善,如圖6(d)所示。
3)在變頻器的輸出端安裝正弦波濾波器:這個(gè)措施是最理想的(其實(shí)正弦波濾波器本本質(zhì)上就是電抗器)。因為在這里,將PWM脈沖電壓變成了正弦波電壓,是電機工作在與工頻電壓相同的條件下,尖峰電壓的問(wèn)題得到了徹底的解決(電纜再長(cháng),也不會(huì )出現尖峰電壓了)。
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