工業(yè)生產(chǎn)中很多企業(yè)都在使用變頻器，然而，這也帶來了許多困擾，損傷電機(jī)就是*典型的現(xiàn)象之一。某水泵廠，近兩年來，用戶頻繁報(bào)告水泵在保修期內(nèi)發(fā)生損壞的現(xiàn)象。而過去，這個(gè)水泵廠的產(chǎn)品質(zhì)量十分可靠。經(jīng)過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)這些損壞的水泵都是用變頻器驅(qū)動(dòng)的。

變頻器對電機(jī)的損傷包括兩個(gè)方面，定子繞組的損傷和軸承的損傷。

這種損傷一般發(fā)生在幾周至十幾個(gè)月內(nèi)，具體時(shí)間與變頻器的品牌、電機(jī)的品牌、電機(jī)的功率、變頻器的載波頻率、變頻器與電機(jī)之間的電纜長度、環(huán)境溫度等諸多因素有關(guān)。

電機(jī)的早期意外損壞給企業(yè)的生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。這種損失不僅是電機(jī)維修和更換帶來的費(fèi)用，更主要的是意外停產(chǎn)帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

因此，在使用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，必須對電機(jī)損傷的問題有足夠的重視。

變頻器損傷電機(jī)定子繞組的機(jī)理

脈沖電壓在電纜上傳輸時(shí)，如果電纜的阻抗與負(fù)載的阻抗不匹配，在負(fù)載端會(huì)產(chǎn)生反射。反射的結(jié)果是，入射波與反射波疊加，形成更高的電壓，它的幅度**可以達(dá)到直流母線電壓的2倍，大約相當(dāng)于變頻器輸入電壓的3倍。過高的尖峰電壓加在電機(jī)定子的線圈上，對線圈造成電壓沖擊，頻繁的過電壓沖擊會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過早失效。

變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)受到尖峰電壓的沖擊后，它的實(shí)際壽命與很多因素，包括，溫度、污染、振動(dòng)、電壓、載波頻率以及線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(jī)的運(yùn)行溫度，從而延長絕緣的壽命。但是，更高的載波頻率意味著每秒鐘產(chǎn)生的尖峰電壓數(shù)量更多，對電機(jī)的沖擊的次數(shù)更多。圖4給出了絕緣壽命隨著電纜長度與載波頻率的變化。從圖中可知，對于200英尺長的電纜，當(dāng)載波頻率從3kHz提高到12kHz(變化4倍)時(shí)，絕緣的壽命從大約8萬小時(shí)降低到2萬小時(shí)(相差4倍)。

變頻器損傷電機(jī)定子繞組的機(jī)理

脈沖電壓在電纜上傳輸時(shí)，如果電纜的阻抗與負(fù)載的阻抗不匹配，在負(fù)載端會(huì)產(chǎn)生反射。反射的結(jié)果是，入射波與反射波疊加，形成更高的電壓，它的幅度**可以達(dá)到直流母線電壓的2倍，大約相當(dāng)于變頻器輸入電壓的3倍。過高的尖峰電壓加在電機(jī)定子的線圈上，對線圈造成電壓沖擊，頻繁的過電壓沖擊會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過早失效。

變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)受到尖峰電壓的沖擊后，它的實(shí)際壽命與很多因素，包括，溫度、污染、振動(dòng)、電壓、載波頻率以及線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(jī)的運(yùn)行溫度，從而延長絕緣的壽命。但是，更高的載波頻率意味著每秒鐘產(chǎn)生的尖峰電壓數(shù)量更多，對電機(jī)的沖擊的次數(shù)更多。圖4給出了絕緣壽命隨著電纜長度與載波頻率的變化。從圖中可知，對于200英尺長的電纜，當(dāng)載波頻率從3kHz提高到12kHz(變化4倍)時(shí)，絕緣的壽命從大約8萬小時(shí)降低到2萬小時(shí)(相差4倍)。

載波頻率對絕緣的影響

電機(jī)的溫度越高，絕緣的壽命越短，當(dāng)溫度升高到75℃時(shí)，電機(jī)的壽命只有50%。變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)，由于PWM電壓包含較多的高頻成份，電機(jī)溫度會(huì)遠(yuǎn)高于工頻電壓驅(qū)動(dòng)的情況。

變頻器損傷電機(jī)軸承的機(jī)理

變頻器損傷電機(jī)軸承的原因是，有流過軸承的電流，并且這種電流處于斷續(xù)連通的狀態(tài)，斷續(xù)連通的電路會(huì)產(chǎn)生電弧，電弧燒毀了軸承。

導(dǎo)致交流電機(jī)的軸承中流過電流的原因主要有兩個(gè)，**，內(nèi)部電磁場不平衡產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，第二，雜散電容引起的高頻電流通路。

理想交流感應(yīng)電機(jī)內(nèi)部的磁場是對稱的，當(dāng)三相繞組的電流相等，并且相位相差120°時(shí)，不會(huì)在電機(jī)的軸桿上感應(yīng)出電壓。變頻器輸出的PWM電壓導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部的磁場不對稱時(shí)，就會(huì)在軸桿上感應(yīng)出電壓，電壓的幅度在10~30V，這與驅(qū)動(dòng)電壓有關(guān)，驅(qū)動(dòng)電壓越高，軸桿上的電壓越高。當(dāng)這個(gè)電壓的數(shù)值超過軸承中的潤滑油的絕緣強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)電流通路。軸桿旋轉(zhuǎn)過程中，在某個(gè)時(shí)刻，潤滑油的絕緣又阻斷了電流。這個(gè)過程類似于機(jī)械式開關(guān)的通斷過程，這個(gè)過程中會(huì)產(chǎn)生電弧，燒蝕軸桿、滾珠、軸碗的表面，形成凹坑。如果沒有外部振動(dòng)，小凹坑不會(huì)產(chǎn)生過大的影響，但是如果有外部振動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生凹槽，這對電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)影響很大。

另外，實(shí)驗(yàn)表明，軸桿上的電壓還與變頻器輸出電壓的基波頻率有關(guān)，基波頻率越低，軸桿上的電壓越高，軸承損傷越嚴(yán)重。

在工作初期，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，運(yùn)行一段時(shí)間后，隨著潤滑油溫度升高，峰值電流會(huì)達(dá)到5-10A，這會(huì)產(chǎn)生飛弧，在軸承部件的表面形成小坑。

電機(jī)定子繞組的保護(hù)

當(dāng)電纜的長度超過30米時(shí)，現(xiàn)代變頻器必然會(huì)在電機(jī)端產(chǎn)生尖峰電壓，縮短電機(jī)的壽命。防止電機(jī)出現(xiàn)損傷，有兩個(gè)思路，一個(gè)是采用繞組絕緣抗電強(qiáng)度更高的電機(jī)(一般稱為變頻電機(jī))，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(xiàng)目，后一種措施適合于對已有的電機(jī)進(jìn)行改造。